《Frontiers in Microbiology》：Pasture diversity and regenerative management shape ruminant gut microbiome dynamics within a real multi-year farming system
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摘要
反刍动物肠道微生物组对饲料转化效率、营养利用和动物健康至关重要，然而在真实、运转中的农场条件下，牧场多样性和管理方式如何随时间塑造其群落组成仍知之甚少，因为以往大多数研究依赖于短期或更严格受控的比较。一项多年研究（2022–2025年）在新西兰北帕默
摘要
反刍动物肠道微生物组对饲料转化效率、营养利用和动物健康至关重要，然而在真实、运转中的农场条件下，牧场多样性和管理方式如何随时间塑造其群落组成仍知之甚少，因为以往大多数研究依赖于短期或更严格受控的比较。一项多年研究（2022–2025年）在新西兰北帕默斯顿梅西大学调查了采食不同牧场管理系统的牛和羊的肠道微生物动态；管理系统的分类为：当代管理下的标准牧场（Std-Con）、再生管理下的标准牧场（Std-Reg）、当代管理下的多样化牧场（Div-Con）以及再生管理下的多样化牧场（Div-Reg），研究方法采用粪便DNA的16S rRNA基因扩增子测序。微生物相对丰度总体保持广泛稳定，但存在显著的季节性波动。Faecalibacterium spp. 是两个宿主中总体最丰富的分类群，但其相对丰度随季节变化，并在冬季（2023年8月）Std-Con处理的牛中降至检测限以下，此时Bacteroides spp. 取而代之成为优势菌群。两个宿主的各处理间α多样性同样保持稳定，然而在冬季（2023年8月），Std-Con（1.6 ± 0.27）和Div-Con（1.6 ± 0.21）处理出现急剧下降，而牛的Div-Reg处理保持较高水平（2.3 ± 0.2）。α多样性还检测到显著的时间信号，牛的春季（2022年10月）所有处理均出现峰值。在绵羊中，两种再生处理在春季（2023年11月）较高（Std-Reg：2.59 ± 0.076，Div-Reg：2.52 ± 0.077）。成对β多样性比较显示，Std-Con与Div-Reg之间的微生物群落组成存在显著差异，在牛中于2024年12月至2025年4月最为显著（p = 0.049–0.015），在绵羊中于2023年8月至10月最为显著（p = 0.003–0.001）。这些研究结果表明，在真实的多年放牧条件下，季节效应在塑造肠道微生物动态方面比单独的牧场处理发挥更大作用，而再生管理缓冲了牛在冬季的显著下降。未来的研究需要在相同的采样框架内，将功能基因表达、饲草质量和动物生产数据与微生物组组成直接关联起来，以确定这些组成变化是否能转化为对反刍动物健康和生产力可测量的益处。
**论文解读：牧场多样性与再生管理对反刍动物肠道微生物组的多年影响**
**1. 研究背景与科学问题**
反刍动物的肠道微生物组是决定饲料转化效率、营养吸收和宿主健康的核心因素。在放牧牲畜中，微生物群落组成决定了日粮纤维及其他植物来源底物被发酵为短链脂肪酸的效率，尤其是丁酸、丙酸和乙酸，这些脂肪酸共同构成宿主代谢能供应的重要组成部分。微生物群落的组成和稳定性受饲料类型、日粮多样性、环境条件以及放牧系统管理方式的影响。因此，理解牧场管理决策如何改变肠道微生物结构，对于优化动物营养和畜牧业生产成果具有直接的实践意义。
在新西兰，当代牧场系统通常依赖以多年生黑麦草-白三叶组合为主的物种有限的标准化牧场。这些牧场采用高强度管理，包括短轮牧周期以及化肥和化学投入，以最大化饲草产量和季节性生长。然而，此类系统中有限的植物多样性缩小了放牧反刍动物可获取的营养素和生物活性化合物的范围，可能制约肠道微生物群落的多样性和功能性。再生农业涵盖一系列旨在增强生态功能、改善土壤健康并支持长期动物生产力的管理实践，其核心原则之一是增加牧场内的植物多样性，包括禾本科、豆科和草本植物。豆科和草本植物的引入可增强固氮作用、改善饲草品质，并引入缩合单宁等次生代谢产物，这些化合物能够调节瘤胃发酵、抑制病原微生物并促进有益菌群的生长。多样化草地还提供广泛的宏量和微量营养素，共同在肠道中创造更复杂的底物环境，从而促进稳定且多样化的肠道微生物组发育。
尽管人们对多样化牧场和再生放牧系统的兴趣日益增长，但在真实的多牛场尺度下，评估牧场多样性和管理实践如何共同影响跨宿主物种和季节的反刍动物肠道微生物组的多年研究仍然有限。以往大多数研究集中于短期或单一系统比较，仅能提供关于实际放牧条件下微生物组稳定性和时间动态的部分见解。本研究旨在填补这一空白，利用16S rRNA基因扩增子测序技术，在一个运转中的商业规模农场系统中，对采食不同牧场类型和管理组合的奶牛与绵羊进行长达三至四年的追踪，系统评估肠道微生物群落组成、多样性和时间动态的变化。
**2. 主要技术方法**
本研究依托新西兰梅西大学Whenua Haumanu项目（2022年启动的七年综合计划），在 dairy farm和牧草与作物研究单元（PCRU）两个场地开展田间试验。牛实验包含Std-Con、Div-Con和Div-Reg三种处理；羊实验包含Std-Con、Std-Reg、Div-Con和Div-Reg四种处理。粪便样本按季节采集，牛采样期为2022年8月至2025年4月，羊采样期为2023年3月至2024年11月。研究人员从粪便样本中提取总DNA，扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区域，采用Illumina MiSeq平台进行双端测序。生物信息学分析使用Kraken2和Bracken进行物种分类和丰度重新估计，以Greengenes数据库（13_5版）为参考数据库，并用SILVA数据库进行了验证。Shannon指数评估α多样性，Bray-Curtis相异度评估β多样性（PERMANOVA检验），使用线性混合效应模型（LMM）分析时间动态，Spearman相关和Louvain社区检测构建共现网络。
**3. 研究结果**
**3.1 肠道微生物组组成与相对丰度**
热图分析显示，牛和羊的肠道微生物组均存在明显的时间和处罝依赖性变化。在所有处理中，Faecalibacterium spp.持续是两个反刍动物物种中的优势菌种。牛的F. prausnitzii相对丰度在三年期间总体保持稳定，但在2023年8月出现显著差异：Div-Con（42.9 ± 6.6%）显著高于Div-Reg（17.7 ± 5.9%），且在Std-Con中检测不到。Bacteroides uniformis在各处理间保持较为一致的丰度，其中Std-Con在2023年8月达到峰值。其他Ruminococcus spp.间歇性出现，在Div-Reg中具有明显峰值。绵羊的F. prausnitzii始终是优势菌种，处理间无显著差异，但Div-Reg在多个时间点保持显著较高的丰度。
**3.2 微生物相关网络与分类学特征**
探索性相关网络分析识别了优势菌群间的潜在共现模式，但经FDR校正后无相关性达到统计显著水平，因此所有网络结果均视为探索性。在牛中，F. prausnitzii与B. uniformis呈中等正相关，而B. uniformis与C. perfringens呈强负相关。在绵羊中，F. prausnitzii与P. copri呈中等正相关，与C. perfringens呈强负相关。Pavian桑基图可视化验证了丰度分析，确认F. prausnitzii是两个反刍动物中最丰富的菌种。
**3.3 微生物组多样性**
**α多样性（Shannon指数）**：牛和羊的各处理间Shannon指数保持相对稳定，无统计学显著差异。然而，2023年8月牛中Std-Con（1.6 ± 0.27）和Div-Con（1.6 ± 0.21）出现明显下降，而Div-Reg保持较高（2.3 ± 0.2）。时间分析显示，牛的2022年10月所有处理均出现显著高峰。绵羊中，两种再生处理（Std-Reg：2.59 ± 0.076；Div-Reg：2.52 ± 0.077）在2023年11月显著较高。
**β多样性（Bray-Curtis相异度）**：成对比较显示，牛的Std-Con与Div-Reg之间在2024年12月至2025年4月期间出现显著差异（p = 0.049–0.015），绵羊则在2023年8月至10月期间差异最为显著（p = 0.003–0.001）。其他大多数时间点的比较未显示显著差异。
**4. 讨论与结论**
讨论部分指出，在真实商业农场条件下进行的为期三年的追踪揭示，反刍动物肠道微生物组的整体丰度保持相对稳定，但优势菌群的组成和时间动态受牧场处理的显著影响。多样化牧场总体支持了牛和羊肠道中关键菌群的更高相对丰度。季节效应在塑造微生物动态方面发挥的作用大于单独的牧场处理。再生管理在冬季缓冲了牛肠道微生物多样性的显著下降，可能得益于多样化牧场在寒冷季节提供了更广泛的发酵底物类型，支持了多个微生物生态位。在绵羊中，再生处理在春季表现出更高的Shannon多样性，可能与再生实践中较长的恢复期促进春季牧草生长有关。研究还发现β多样性在处理间的显著差异集中在特定的气候窗口期，表明环境条件与牧场管理的交互作用对微生物群落组成具有重要影响。
研究结论指出：这项多年研究表明，尽管反刍动物肠道微生物组随时间大体保持稳定，其更精细的时间动态受牧场管理系统的强烈影响，牧草条件的季节性变化在构建肠道微生物群落方面发挥核心作用。多样化牧场和再生管理与特定季节时间点较高的微生物多样性相关，并倾向于支持优势和共优势分类群。这些模式表明，多样化、再生管理的牧场可能支持组成上更丰富的肠道微生物群落。由于本研究是在真实的多牛场管理条件下多年开展的，它为理解实际放牧系统下的这些动态提供了宝贵基础。然而，这些组成变化对反刍动物健康或生产力的具体影响仍有待进一步研究证实。
