客户文章 | 多组学研究助力个体化奶牛的生产

随着世界人口的持续增长，满足动物蛋白产品的需求已经成为全球粮食安全的首要问题。牛奶是不可缺少的高营养蛋白产品，但是许多因素会影响奶牛的牛奶产量和品质，包括遗传、管理和饲养策略。

2020年，百趣生物协助浙江大学刘建新教授团队在Microbiome（IF=10.465）上发表了《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，刘建新教授团队发现在同样的营养和管理条件下，不同奶牛的乳蛋白含量（MPY）有较大的差异。这篇文章中研究者比较了高MPY和低MPY奶牛瘤胃的宏基因组、代谢组和血清代谢组。通过线性混合效应模型评估了不同组学对MPY差异的贡献程度，其中血清代谢产物、瘤胃菌群代谢产物、瘤胃菌群功能、瘤胃菌群组成从高到低，贡献依次为29.76%、26.78%、21.56%和17.81%。接下来，我们看看文章详细的研究内容。

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图1 奶牛瘤胃的宏基因组分析

宏基因组的结果显示，高MPY组和低MPY组奶牛瘤胃的微生物组和古细菌有着显著的差异（1a）。PCoA分析显示两组之间的差异主要源于细菌和古细菌（1b,1c），而真核微生物或者病毒没有太大差异，所以团队后面将着重对瘤胃中的细菌和古细菌组成进行比较分析。

2.

图2 奶牛瘤胃的微生物组成和分类

在细菌的种水平上可以看出，一共有15种在HH组表现出明显较高的丰度，包括11种普雷沃特氏菌属等，而有23种在LL奶牛的瘤胃中表现出明显的富集（2a）。对于古细菌，在门水平上，LL奶牛瘤胃中的广古菌门更为富集。在属水平上，LL奶牛中丰度最显著的是甲烷短杆菌。在种水平上，LL奶牛中只有最丰富的Methanobrevibacter millerae显著高于HH组，HH组奶牛瘤胃中的其他物种都要更高一些（2b）。

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图3 奶牛瘤胃微生物组的 KEGG分析

通过对奶牛瘤胃微生物的KEGG分析发现，在HH组奶牛瘤胃中有13条途径是富集的，而在LL组奶牛瘤胃中则有18条代谢途径比较富集（3a）。通过比较这些途径涉及的KEGG模块时，作者发现了24个HH组富集的模块和19个LL组富集的模块（3b）。

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图4 奶牛瘤胃微生物组的 KEGG分析

如图4所示，关于碳水化合物代谢和能量代谢，HH组仅富集到了两个下游功能，分别是ko00290和M00019，它们可以将丙酮酸转化为缬氨酸和异亮氨酸（4a）。而在LL组瘤胃中富集到了四个途径和两个模块，四个途径包括ko00010糖酵解、ko00500淀粉和蔗糖代谢、ko00052半乳糖代谢、ko00680甲烷代谢，两个模块包括M00001糖酵解和M00632半乳糖降解。另外，ko00280缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解也在LL瘤胃中显示富集（4b）。

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图5 奶牛瘤胃微生物组成和功能的关联分析

接下来作者对瘤胃微生物组的功能进行了分析，并对微生物的种类和功能进行了关联分析。由于蛋白含量是MPY的决定性指标之一，作者更加的关注瘤胃微生物组中氨基酸代谢的功能，并发现了涉及到BCAA的两条重要的通路包括缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸合成通路，和缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解通路（5a）。一共有24个物种表现出了和BCAA途径的相关性，13个物种具有正相关。其中，相关性最强的是5个普氏杆菌，包括P.multisaccharivorax, P. histicola, P. maculosa, P. buccae, P. albensis(5b).

6.

图6 奶牛瘤胃代谢组分析

后面作者又进行了瘤胃的代谢组检测。在瘤胃中一共鉴定出263种代谢产物，通过VIP＞1和P＜0.05筛选到了25种差异物（6a）。对这25种差异物进行MetPA分析，富集到了10个代谢途径，其中差异最显著的是维生素B6代谢途径、甘油酯代谢途径和β-丙氨酸代谢途径（6b）。此外，作者还对总挥发性脂肪酸（VFA）、bing酸酯、wu酸酯和异wu酸酯进行绝对定量检测，并且发现这些代谢物在HH瘤胃组中的表达显著升高（6c，6d）。

7.

图7 奶牛血清代谢组分析

作者又对之前的代谢组结果进行了对比分析，发现HH血清组中有19种代谢产物的含量显著升高，另外有12种代谢产物在LL血清组中显著更高（7a）。对这31个血清差异代谢物进行MetPA分析，发现了12条显著差异的代谢途径，包括甘氨酸丝氨酸苏氨酸途径、烟酰酯和烟酰胺代谢等（7b）。并且作者利用MPY关联分析将代谢产物分成了MPY正向调节代谢物和MPY负向调节代谢物。

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图8 奶牛瘤胃微生物组、瘤胃代谢组、血清代谢组之间的相关性

作者对瘤胃宏基因组数据和瘤胃代谢组数据进行了斯皮尔曼关联分析，结果显示有65个显著的相关性（8a）。在这65种相关性中，有11种Prevotella菌和氨基酸、肽、蛋白质以及有机化学物质有着正相关作用。通过斯皮尔曼等级相关性网络对瘤胃宏基因组和MPY表型代谢产物进行了分析，结果显示有22种相关性，其中有9种Prevotella菌和大部分MPY表型代谢产物有相关性，这些代谢物包括谷胱甘肽、苯丙氨酸、淀粉、蔗糖和半乳糖代谢（8c）。

为了确定瘤胃微生物组和宿主之间的潜在相互作用，作者对瘤胃宏基因组数据和血清代谢组数据进行了斯皮尔曼相关性分析（8b）。与瘤胃代谢组相比，血清代谢物和瘤胃微生物群的相关性比较低。其中有7种Prevotella菌和涉及到氨基酸代谢的表型相关，包括甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸（8d）。

9.

图9 线性混合效应模型分析

最后作者通过线性混合效应模型计算了瘤胃微生物组成、微生物功能、瘤胃代谢组和血清代谢组对MPY变化的贡献度。结果显示，它们对MPY差异的贡献度分别为17.81%、21.56%、29.76%和26.78%（9）。

 

10.结论

通过该研究，作者确定了奶牛瘤胃的微生物组成、微生物功能、代谢产物以及它们之间的相互作用。具有高MPY的奶牛体内，古细菌种类丰度较低，产甲烷能力较低，从而导致碳水化合物合成相关酶的高表达。另外，HH奶牛中富集了几种Prevotella菌，它们与BCAA的生物合成功能、瘤胃氨基酸和血清氨基酸的表达都相关，满足了瘤胃微生物蛋白的需求，而这些蛋白将被用于宿主的乳蛋白合成。而且HH组奶牛的瘤胃有更强大的维生素B表达功能，能够获得更高的产奶性能。同时由于瘤胃微生物结构和功能的差异，HH组的小分子代谢产物和终端产物的表达水平更高，从而导致了代谢物吸收和运输的差异。

多组学的结果表明，瘤胃微生物代谢产物和血清代谢产物对MPY的贡献大于瘤胃微生物的组成和功能。对于这样的结果，作者设想可以通过饲养管理或者基因选择来改变瘤胃的微生物群落以提高奶牛的产奶质量。