2025-06-23
围产期反刍动物的代谢紊乱会影响其健康和生产性能。肠道微生物群在代谢中发挥关键作用，但目前对瘤胃和粪便微生物组的演替模式及其对宿主代谢的影响仍认知不足，探索驱动这些微生物组动态变化的关键因素至关重要。近期，中国农业大学李胜利教授团队在GigaScience发表文章“Deterministic succession patterns in the rumen and fecal microbiome associate with host metabolic shifts in peripartum dairy cattle”。利用大规模肠道微生物组数据集和基于肠型及生态模型的微生物组分析，全面阐明围产期奶牛肠道微生物群的演替和组装规律。并进一步证实，肠道微生物群演替模式的变化与围产期奶牛的代谢表型显著相关。
本研究中的16S rDNA 测序、宏基因组测序和部分分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
研究方法
1.实验设计与样本采集：从211头健康经产妊娠奶牛中评估筛选出91头。在预计产犊前 21 天及产犊后第 1、3、7、14 和 21 天，采集奶牛的瘤胃液、粪便和血液样本。
2.血清参数测定：检测葡萄糖（GLU）、甘油三酯（TG）、天冬氨酸氨基转移酶（AST）等多种代谢、抗氧化及炎症相关指标，计算RBHB指数。
3.微生物组测序：所有样本进行16S rRNA 基因测序；从瘤胃和粪便样本中各随机选择30个（分3阶段，每阶段10个）进行宏基因组测序。
4.生物信息学与统计分析：16S rRNA 基因数据，构建瘤胃和粪便的ASV数据集并进行分析；宏基因组数据同样构建数据集并分析。
图1 整体实验流程
瘤胃和粪便微生物群的个体间差异显著大于个体内差异（图2A和F）。应用Dirichlet多项式混合模型（DMM）划分得到7个瘤胃和5个粪便DMM聚类（图2B和G）。每个RDMM（瘤胃微生物DMM聚类）均表现出独特的出现时间和优势属（图2C和D），群落特征随时间变化：优势聚类从产前的RDMM4和RDMM5转变为产后1天的RDMM6，3天的RDMM3，7天的RDMM2，最后在14天和21天变为RDMM1（图2C）；除RDMM3，其他RDMM聚类的多样性在不同时间点保持相对稳定（图2E）。FDMM（粪便微生物 DMM 聚类）趋势类似（图2H和I）：FDMM1在产前21天和产后1天占优势，产后3天发生群落转移且无优势聚类，产后7-21天稳定，FDMM2和FDMM3成为优势聚类。FDMM1、FDMM2和FDMM3的Shannon指数先下降后稳定，FDMM4持续下降，FDMM5呈波动趋势（图2J）。
图2 围产期奶牛肠道微生物组成的动态变化
个体水平分析发现群落聚类在不同采样日间存在明显转移趋势（图 3A 和 4A；补充表S1 和 S2）。构建马尔可夫链模型（图 3B 和 4B），发现围产期瘤胃微生物演替可分为三个阶段：快速转变期（RDMM4-6）、过渡期（RDMM3 和 RDMM2）和稳定期（RDMM1 和 RDMM7）。随机森林算法显示，前 100 个准确性最高的扩增子序列变体（ASVs）构建的模型预测率最高（AUC > 0.95）（补充图 S3a 和图 3C）。
与瘤胃微生物群相比，粪便微生物群在产后 7 天内即进入稳定阶段，过渡期更短。演替可分为三个阶段：稳定期（FDMM1）、过渡期（FDMM4 和 FDMM5）和稳定期（FDMM2 和 FDMM3）。随机森林结果显示前 120 个 ASVs 构建的分类模型具高预测准确性（AUC > 0.95）（补充图 S3b 和图 4C）。
图3 围产期奶牛个体肠道微生物群的动态变化1
图4 围产期奶牛粪便中 DMMs 的时间动态变化
不同瘤胃和粪便演替模式中的扩散限制（DL）和同质选择（HOS）存在显著差异（图 5A 和 6A），两个过程分别是随机过程和确定性过程的主导因素（补充图 S4a 和 b）；即生态过程驱动了围产期奶牛瘤胃和粪便中微生物群落的演替。
将瘤胃和粪便的 ASV 分别划分为 144 个和 137 个 bins（补充表 S3 和 S4）。相对丰度top20的 RBins（瘤胃微生物 bins）和FBins（粪便微生物 bins）中，分别有17 个 和18个bins由 DL 主导（图 5B和6B）。瘤胃中，琥珀酸菌属（Succiniclasticum）、普雷沃氏菌属（Prevotella）等被确定为微生物演替的关键驱动因素，其在不同阶段的相对丰度变化与其对 HOS 过程的贡献一致（图 5D 和 E）。粪便中，双歧杆菌属（Bifidobacterium）、密螺旋体属（Treponema）等是关键驱动因素，其跨阶段的相对丰度变化与 DL 过程的贡献一致（图 6D 和 E）。
图5 围产期奶牛瘤胃微生物群落的生态组装机制
图6 产犊前后奶牛粪便微生物群落的生态组装机制
将样本按全阶段和三个演替阶段分层进行协变量分析（图7）。结果发现，日粮、胎次、年龄、分娩天数（CD）和pH等因素与瘤胃微生物演替相关。
图7 个体多因素对肠道微生物演替的贡献
普氏分析显示瘤胃与粪便微生物群在ASV水平的相异性M²值为0.79（图8A）。溯源分析中，约80%的粪便微生物群源于前一采样时间点的粪便微生物，4%源于同一时间点的瘤胃微生物（图8B）。瘤胃与粪便微生物群间的关联较弱，支持探究对围产期奶牛代谢的影响时将两者视为独立单元。微生物群与血液指标残差未观察到显著差异，进一步支持它们对宿主代谢的贡献相近（图8C）。分别统计肠道微生物的转化类型，并在个体水平分析不同类型对宿主代谢表型的影响（图8D和F）。结果显示，不同转化类型的血液代谢指标存在显著差异（图8E和G）。
图8 围产期奶牛肠道微生物演替类型对宿主代谢表型的影响
为验证细菌结果并评估瘤胃和粪便微生物组的功能演替转变，利用宏基因组数据分析不同演替阶段的微生物组成和功能变化。瘤胃和粪便微生物群在物种水平呈现明显聚类（图 9A），网络分析也揭示了微生物互作存在显著阶段特异性差异（图 9B 和 C）。类似地，瘤胃和粪便微生物群在代谢通路水平分别聚类（图 9D）；代谢通路网络分析表现出阶段特异性（图 9E 和 F）。
中介分析发现瘤胃Prevotella sp900315525 和嘧啶脱氧核苷酸从头合成 II 通路促进血清 NEFA 水平升高；相反，UBA3839 sp900314125 与糖酵解 I 通路的丰度升高等（图 9G）。后肠中CAG-791 sp902780385 的丰度与淀粉降解 III 通路相关，可导致血清 INS 水平升高；相反，Treponema-D sp017381365 与糖酵解 III 通路的丰度增加等（图 9H）。
图9 围产期奶牛肠道微生物组代谢能力及微生物-宿主互作的转变
研究结论
本研究利用庞大的肠道微生物组数据集以及基于生态型和生态模型的微生物组分析，全面阐明了产奶期奶牛肠道微生物群的演替和组成情况。我们进一步证实，肠道微生物群演替模式的变化与产奶期奶牛的代谢表型有着显著的关联；围产期奶牛瘤胃和粪便微生物演替可分为三个不同阶段，这些演替阶段的微生物组成及功能存在显著差异。阶段之间的转变不仅由不同分类群驱动，还显著影响围产期奶牛的代谢表型变化。这些发现为制定产奶期反刍动物的健康管理策略提供了有价值的见解。
原文引用：Wang S, Kong F, Dai D, Li C, Hao Y, Wang E, Cao Z, Wang Y, Wang W, Li S. Deterministic succession patterns in the rumen and fecal microbiome associate with host metabolic shifts in peripartum dairy cattle. Gigascience. 2025 Jan 6;14:giaf042. doi: 10.1093/gigascience/giaf042. PMID: 40388308; PMCID: PMC12087452.
原文链接：https://doi.org/10.1093/gigascience/giaf042
