《Research in Veterinary Science》：Integrating multi-omics to characterize the dynamics of rumen microorganisms and metabolites in Angus cattle at different growth stages
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本研究通过整合宏基因组学和代谢组学分析，揭示了安格斯公牛在6、12、18月龄三个关键生长阶段瘤胃微生物群落的动态演变规律及其代谢特征。结果显示微生物群落呈现明显的阶段性特征：6月龄以Prevotella属为主，12月龄Fibrobacter succinogenes丰度显著上升，18月龄Methanobrevibacter millerae成为优势菌种。同时发现12,13-二羟基油酸、Delta-12-Pgj2和皮质醇等代谢物与年龄呈正相关，且Methanobrevibacter millerae与这些代谢物及更高的体weight显著相关。该研究建立了瘤胃微生物-代谢组协同演变的动态图谱，为优化肉牛生长性能提供了多组学理论依据。
林雪|赵伟|王传川|马云|田金丽|杨丽娟|马丽娜|姜秋飞|陈亚飞|田晓华|季晓云|张娟|顾亚玲
宁夏大学动物科学与技术学院，中国银川750021
摘要
牛瘤胃微生物组的发展对牛的生长至关重要，然而在关键生长阶段，微生物组与代谢组之间的动态相互作用仍知之甚少。本研究旨在整合宏基因组学和代谢组学方法，以解析阉割安格斯牛在三个关键生长阶段（6个月、12个月和18个月大）的瘤胃微生物群落和代谢物变化的阶段特异性模式，并阐明这些变化与宿主生长表现之间的关联。我们从24头安格斯公牛（每个年龄组8头）中收集了瘤胃液样本，这些牛在标准化条件下饲养，并进行了宏基因组学和非靶向代谢组学分析。综合分析显示，瘤胃生态系统的演替模式具有明显特征：6个月大时以Prevotella_sp._ne3005为代表；12个月大时Fibrobacter_succinogenes的丰度显著增加；18个月大时Methanobrevibacter_millerae的富集最为明显。同时，关键代谢物12,13-二羟基油酸、Delta-12-Pgj2和皮质醇与年龄呈显著正相关。进一步的皮尔逊相关性分析表明，18个月大时富集的特征微生物Methanobrevibacter_millerae与关键代谢物（12,13-二羟基油酸、Delta-12-Pgj2和皮质醇）以及更高的体重之间存在强相关性。本研究描绘了瘤胃微生物组与代谢组之间协同作用的动态图谱，证实了它们与宿主生长表现的密切关联。这项工作为理解反刍动物的瘤胃发育提供了一个系统的多组学框架，并确定了通过微生物或代谢干预优化肉牛生产性能的潜在靶点。
引言
反刍动物的瘤胃是一个重要的“天然发酵容器”，能够分解大多数营养物质并促进发酵以产生能量，直接影响宿主的饲料利用率（Xue等人，2020年）。因此，解析瘤胃微生物群对于提高反刍动物的生产性能至关重要。作为优质蛋白质来源的牛肉需求不断增加，而安格斯牛因其出色的生长和肉质特性而被广泛饲养（Godfray等人，2018年；Omaye和Omaye，2019年；Liu等人，2021年）。这表明，从瘤胃微生物组的角度优化安格斯牛的生长效率具有重要的工业意义。
反刍动物消化植物饲料的能力主要依赖于瘤胃微生物群，包括各种细菌、原生动物、古菌和真菌，它们参与了反刍动物饲料的消化、吸收和代谢整个过程（Malmuthuge等人，2019年；Mizrahi等人，2021年）。研究表明，肠道微生物群显著影响牲畜的生长和胴体特性，同时调节与脂肪沉积相关的代谢，最终影响经济上重要的牲畜特性，如肉和奶的产量（Dill-McFarland等人，2019年；Kim等人，2020年；Li等人，2022年）。宿主年龄和体重对瘤胃微生物组成有显著影响，驱动着群落结构的动态变化（Li等人，2012年；Svartstr?m等人，2017年）。此外，宿主的遗传背景对生长特性具有阶段特异性调控作用。研究表明，与育肥性能相关的关键基因（如LEP、FABP4和IGF1）在不同目标体重阶段的影响各不相同（Ardicli等人，2019年）。这表明，在不同的生长阶段（如6个月、12个月和18个月大），宿主可能处于不同的遗传调控程序下，从而形成阶段特异性的生理和代谢需求。Jami等人观察到新生犊牛的微生物群落明显简化，而在成熟过程中瘤胃微生物群的系统发育多样性和功能同质性增加（Jami等人，2013年）。同时，肉牛瘤胃中细菌和古菌群落的转变动态表现出宿主驱动的模式（Zhou等人，2018年）。为了更深入地了解这些动态变化及其功能意义，需要超越传统培养方法的研究手段。
随着科学技术的快速发展，宏基因组学克服了传统微生物培养的局限性。通过高通量测序，它能够表征微生物群落结构和功能潜力，揭示生物多样性和代谢能力，并全面理解反刍动物胃肠道系统中的微生物功能及其与宿主的相互作用（Menzel等人，2016年；Quince等人，2017年）。Tong等人对来自不同发育阶段和胃肠道区域的695个Bubalus bubalis样本进行了宏基因组测序，组装出了4960个宏基因组组装基因组（MAGs），其中包括3255个物种级别的MAGs。与Stewart构建的牛瘤胃微生物组相比，Bubalus bubalis的微生物群表现出更强的纤维降解能力和更低的甲烷产生能力（Stewart等人，2019年；Tong等人，2022年）。其他研究表明，牛至精油通过调节牛胃上皮发育和微生物群组成来改善瘤胃消化能力，从而促进动物生长（Zhang等人，2021年）。稀土元素（REEs）通过增加纤维素降解细菌和调节瘤胃微生物群来提高饲料转化效率和动物生产性能（Xu等人，2020年）。此外，瘤胃微生物对营养物质的消化决定了代谢产物的组成（Newbold和Ramos-Morales，2020年）。在关于公牛饲料效率的研究中，α-亚麻酸和花生四烯酸等代谢物被确定为调节生长性能的潜在生物标志物（Artegoitia等人，2017年）。此外，膳食牛磺酸补充改变了瘤胃中氨基酸及相关化合物的代谢（Liu等人，2023年）。
尽管已知瘤胃微生物群会随着宿主年龄的变化而动态变化，宏基因组学和代谢组学技术为此提供了强大的工具，但关于安格斯牛在关键生长阶段（如6个月、12个月和18个月大）的瘤胃微生物组和代谢组如何共同进化以及如何与生长表型形成特定关联的系统整合分析仍缺乏。因此，本研究旨在分析这三个阶段安格斯公牛瘤胃液的宏基因组学和非靶向代谢组学。这将阐明瘤胃微生物群落结构和功能组成的阶段特异性差异，识别关键的阶段相关差异代谢物，并建立微生物、代谢物和生长表现之间的关联网络。这些发现将为识别调节牛生长性能的潜在微生物和代谢靶点提供理论基础。
实验动物设计与样本收集
本研究中使用的实验动物来自宁夏本旺生态农业有限公司（中国银川）。所有牛在整个试验期间都被饲养在环境条件和管理方案相同的标准化围栏中。所有实验牛均为阉割公牛（以减少由性激素驱动的青春期和性成熟带来的显著混杂效应，从而更清晰地归因于观察到的瘤胃微生物变化）
瘤胃微生物群数据的统计分析
本研究比较了三个年龄（6个月、12个月和18个月）的安格斯牛的瘤胃微生物群。共获得了1,921,604,726个原始读段，经过质量控制（QC）和去除低质量序列后，保留了1,919,185,660个有效读段。每个样本的有效数据量范围为11.05至12.45 Gb，所有样本的Q30得分均大于90%。使用bbmap软件去除宿主序列后，获得了1,918,748,358个去宿主读段。通过从头组装生成了...
讨论
瘤胃微生物群与宿主生物保持着独特的共生关系。宿主瘤胃为瘤胃微生物群提供了一个稳定的内部环境，使其能够发酵并分解饲料，生成宿主可消化和利用的营养物质（Krause等人，2013年）。其组成和功能的动态变化是推动反刍动物生长和发育的关键因素之一。本研究采用多组学整合分析方法揭示了...
结论
总之，安格斯牛的瘤胃微生物组和代谢组在关键生长阶段（6个月、12个月和18个月大）表现出明显的共同进化模式。具体而言，微生物群落结构从早期Prevotella物种的富集转变为Fibrobacter_succinogenes和Methanobrevibacter_millerae，伴随着显著的功能变化。
研究资助
本项目得到了宁夏回族自治区自然科学基金（2023AAC03050）和自治区青年拔尖人才培养计划的支持。
CRediT作者贡献声明
林雪：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，方法学，概念构思。
赵伟：写作 – 审稿与编辑，资源获取，概念构思。
王传川：写作 – 审稿与编辑，资源获取，概念构思。
马云：资源获取，概念构思。
田金丽：方法学，概念构思。
杨丽娟：方法学，概念构思。
马丽娜：软件使用，资源获取。
姜秋飞：资源获取，调查。
陈亚飞：软件使用，数据管理。
田晓华：数据整理。
利益冲突声明
我们已阅读并理解了Research in Veterinary Science的政策，并作出以下声明：
作者声明与本文的发表没有利益冲突。所有作者同意将本手稿提交给Research in Veterinary Science。本工作未在其他地方考虑发表，在最终决定之前也不会在其他地方提交。本作品完全原创，没有抄袭他人的工作和/或文字。
