多組學(xué)研究助力個(gè)體化奶牛的生產(chǎn)
隨著世界人口的持續(xù)增長，滿足動(dòng)物蛋白產(chǎn)品的需求已經(jīng)成為全球糧食安全的首要問題。牛奶是不可缺少的高營養(yǎng)蛋白產(chǎn)品，但是許多因素會(huì)影響奶牛的牛奶產(chǎn)量和品質(zhì)，包括遺傳、管理和飼養(yǎng)策略。
2020年，百趣生物協(xié)助浙江大學(xué)劉建新教授團(tuán)隊(duì)在Microbiome（IF=10.465）上發(fā)表了《Multi-omics reveals that the rumen microbiome and its metabolome together with the host metabolome contribute to individualized dairy cow performance》的文章。
在之前的研究中，劉建新教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在同樣的營養(yǎng)和管理?xiàng)l件下，不同奶牛的乳蛋白含量（MPY）有較大的差異。這篇文章中研究者比較了高M(jìn)PY和低MPY奶牛瘤胃的宏基因組、代謝組和血清代謝組。通過線性混合效應(yīng)模型評(píng)估了不同組學(xué)對MPY差異的貢獻(xiàn)程度，其中血清代謝產(chǎn)物、瘤胃菌群代謝產(chǎn)物、瘤胃菌群功能、瘤胃菌群組成從高到低，貢獻(xiàn)依次為29.76%、26.78%、21.56%和17.81%。接下來，我們看看文章詳細(xì)的研究內(nèi)容。
宏基因組的結(jié)果顯示，高M(jìn)PY組和低MPY組奶牛瘤胃的微生物組和古細(xì)菌有著顯著的差異（1a）。PCoA分析顯示兩組之間的差異主要源于細(xì)菌和古細(xì)菌（1b,1c），而真核微生物或者病毒沒有太大差異，所以團(tuán)隊(duì)后面將著重對瘤胃中的細(xì)菌和古細(xì)菌組成進(jìn)行比較分析。
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圖2 奶牛瘤胃的微生物組成和分類
在細(xì)菌的種水平上可以看出，一共有15種在HH組表現(xiàn)出明顯較高的豐度，包括11種普雷沃特氏菌屬等，而有23種在LL奶牛的瘤胃中表現(xiàn)出明顯的富集（2a）。對于古細(xì)菌，在門水平上，LL奶牛瘤胃中的廣古菌門更為富集。在屬水平上，LL奶牛中豐度最顯著的是甲烷短桿菌。在種水平上，LL奶牛中只有最豐富的Methanobrevibacter millerae顯著高于HH組，HH組奶牛瘤胃中的其他物種都要更高一些（2b）。
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圖3 奶牛瘤胃微生物組的 KEGG分析
通過對奶牛瘤胃微生物的KEGG分析發(fā)現(xiàn)，在HH組奶牛瘤胃中有13條途徑是富集的，而在LL組奶牛瘤胃中則有18條代謝途徑比較富集（3a）。通過比較這些途徑涉及的KEGG模塊時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)了24個(gè)HH組富集的模塊和19個(gè)LL組富集的模塊（3b）。
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圖4 奶牛瘤胃微生物組的 KEGG分析
如圖4所示，關(guān)于碳水化合物代謝和能量代謝，HH組僅富集到了兩個(gè)下游功能，分別是ko00290和M00019，它們可以將丙酮酸轉(zhuǎn)化為纈氨酸和異亮氨酸（4a）。而在LL組瘤胃中富集到了四個(gè)途徑和兩個(gè)模塊，四個(gè)途徑包括ko00010糖酵解、ko00500淀粉和蔗糖代謝、ko00052半乳糖代謝、ko00680甲烷代謝，兩個(gè)模塊包括M00001糖酵解和M00632半乳糖降解。另外，ko00280纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解也在LL瘤胃中顯示富集（4b）。
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圖5 奶牛瘤胃微生物組成和功能的關(guān)聯(lián)分析
接下來作者對瘤胃微生物組的功能進(jìn)行了分析，并對微生物的種類和功能進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析。由于蛋白含量是MPY的決定性指標(biāo)之一，作者更加的關(guān)注瘤胃微生物組中氨基酸代謝的功能，并發(fā)現(xiàn)了涉及到BCAA的兩條重要的通路包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸合成通路，和纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解通路（5a）。一共有24個(gè)物種表現(xiàn)出了和BCAA途徑的相關(guān)性，13個(gè)物種具有正相關(guān)。其中，相關(guān)性最強(qiáng)的是5個(gè)普氏桿菌，包括P.multisaccharivorax, P. histicola, P. maculosa, P. buccae, P. albensis(5b).
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圖6 奶牛瘤胃代謝組分析
后面作者又進(jìn)行了瘤胃的代謝組檢測。在瘤胃中一共鑒定出263種代謝產(chǎn)物，通過VIP＞1和P＜0.05篩選到了25種差異物（6a）。對這25種差異物進(jìn)行MetPA分析，富集到了10個(gè)代謝途徑，其中差異最顯著的是維生素B6代謝途徑、甘油酯代謝途徑和β-丙氨酸代謝途徑（6b）。此外，作者還對總揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、bing酸酯、wu酸酯和異wu酸酯進(jìn)行絕對定量檢測，并且發(fā)現(xiàn)這些代謝物在HH瘤胃組中的表達(dá)顯著升高（6c，6d）。
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圖7 奶牛血清代謝組分析
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圖8 奶牛瘤胃微生物組、瘤胃代謝組、血清代謝組之間的相關(guān)性
作者對瘤胃宏基因組數(shù)據(jù)和瘤胃代謝組數(shù)據(jù)進(jìn)行了斯皮爾曼關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果顯示有65個(gè)顯著的相關(guān)性（8a）。在這65種相關(guān)性中，有11種Prevotella菌和氨基酸、肽、蛋白質(zhì)以及有機(jī)化學(xué)物質(zhì)有著正相關(guān)作用。通過斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)對瘤胃宏基因組和MPY表型代謝產(chǎn)物進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示有22種相關(guān)性，其中有9種Prevotella菌和大部分MPY表型代謝產(chǎn)物有相關(guān)性，這些代謝物包括谷胱甘肽、苯丙氨酸、淀粉、蔗糖和半乳糖代謝（8c）。
為了確定瘤胃微生物組和宿主之間的潛在相互作用，作者對瘤胃宏基因組數(shù)據(jù)和血清代謝組數(shù)據(jù)進(jìn)行了斯皮爾曼相關(guān)性分析（8b）。與瘤胃代謝組相比，血清代謝物和瘤胃微生物群的相關(guān)性比較低。其中有7種Prevotella菌和涉及到氨基酸代謝的表型相關(guān)，包括甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸（8d）。
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圖9 線性混合效應(yīng)模型分析
通過該研究，作者確定了奶牛瘤胃的微生物組成、微生物功能、代謝產(chǎn)物以及它們之間的相互作用。具有高M(jìn)PY的奶牛體內(nèi)，古細(xì)菌種類豐度較低，產(chǎn)甲烷能力較低，從而導(dǎo)致碳水化合物合成相關(guān)酶的高表達(dá)。另外，HH奶牛中富集了幾種Prevotella菌，它們與BCAA的生物合成功能、瘤胃氨基酸和血清氨基酸的表達(dá)都相關(guān)，滿足了瘤胃微生物蛋白的需求，而這些蛋白將被用于宿主的乳蛋白合成。而且HH組奶牛的瘤胃有更強(qiáng)大的維生素B表達(dá)功能，能夠獲得更高的產(chǎn)奶性能。同時(shí)由于瘤胃微生物結(jié)構(gòu)和功能的差異，HH組的小分子代謝產(chǎn)物和終端產(chǎn)物的表達(dá)水平更高，從而導(dǎo)致了代謝物吸收和運(yùn)輸?shù)牟町悺?/P>
多組學(xué)的結(jié)果表明，瘤胃微生物代謝產(chǎn)物和血清代謝產(chǎn)物對MPY的貢獻(xiàn)大于瘤胃微生物的組成和功能。對于這樣的結(jié)果，作者設(shè)想可以通過飼養(yǎng)管理或者基因選擇來改變瘤胃的微生物群落以提高奶牛的產(chǎn)奶質(zhì)量。
