培养组学技术解析马属动物体外消化模型中微生物结构与功能动态

《Scientific Reports》：Using culture ‘omics to explore the microbial structure and function in an equid in vitro digestion model

为评估新型饲料在可持续马业中的应用潜力，本研究利用体外产气系统（GPS）结合培养组学（culture'omics）技术，探究了马粪微生物群落结构（16S rRNA测序）与代谢功能（1H NMR代谢组学）的时序变化。结果显示，GPS系统在156小时发酵后代谢表型与供体粪便相似，但早期（8小时）存在微生物群失调（dysbiosis），且纤维降解菌群更接近反刍动物瘤胃菌群。该系统可准确预测干物质消化率（DMD），为马饲料筛选提供了高效体外模型。

　　

随着气候变化对作物生产的冲击日益显著，马业面临饲料资源可持续性的严峻挑战。联合国可持续发展目标（SDG）要求畜牧业优化饲料利用效率，而马匹作为重要的经济动物，其营养研究需兼顾生态与经济效益。传统的体内消化试验虽为“金标准”，但成本高、周期长，且难以动态监测发酵过程。因此，开发可靠的体外消化模型成为马营养学研究的关键需求。

在此背景下，体外产气系统（Gas Production System, GPS）应运而生。该系统最初用于反刍动物饲料评估，后经改良应用于马属动物，通过马粪微生物接种模拟后肠发酵。GPS能通过产气曲线和干物质消失率预测饲料降解动力学，但其对马后肠微生物群落结构的还原度一直存疑。为此，Simon Daniels等人发表在《Scientific Reports》的最新研究，首次系统整合培养组学（culture'omics）技术，追踪GPS中微生物群落与代谢功能的动态变化，旨在评估该系统作为马饲料筛选工具的科学性与局限性。

研究团队选取6匹长期适应相同日粮（90%干草+10%精料）的威尔士阉马作为粪样供体，通过体外GPS进行156小时发酵试验，并在0、8、20、28、36及156小时采集样本。关键技术包括：采用PMAxx（丙啶单氮唑染料）区分活/死菌后进行16S rRNA测序，解析微生物群落结构；利用¹H NMR（核磁共振氢谱）分析代谢物动态；结合PICRUSt2预测功能通路，并通过OPLS-DA（正交偏最小二乘判别分析）模型识别差异代谢物。

细菌群落结构分析

研究发现，活菌与总菌的Alpha多样性（Shannon指数）和Beta多样性（Bray-Curtis距离）无显著差异，表明粪便微生物在GPS中整体存活良好。然而，发酵时间显著影响群落结构：8小时时物种丰富度（Shannon指数）骤降，链球菌（Streptococcus）和利吉乳杆菌（Ligilactobacillus）等乳酸菌丰度上升，伴随乳酸浓度增加，提示早期发酵存在微生物失调（dysbiosis）。至156小时，核心菌群（75%样本中共有ASVs）与初始粪便相似，但纤维降解菌如纤维杆菌（Fibrobacters）和瘤胃杆菌（Ruminobacter）在中期（20–36小时）富集，更接近反刍动物瘤胃菌群特征。

代谢功能与通路预测

代谢组学显示，8小时时短链脂肪酸（SCFA）如乙酸、丙酸、丁酸浓度显著下降，而乳酸升高，与乳酸脱氢酶通路活跃相符。20小时后，SCFA逐步恢复，乳酸浓度回落。至发酵终点，GPS中SCFA浓度显著高于初始粪便，反映封闭培养系统的代谢物累积效应。PICRUSt2预测发现，8小时时有73条代谢通路（如碳水化合物代谢）异常活跃，而后期通路趋于稳定，与粪便样本功能接近。

微生物-代谢物关联

相关性分析揭示特定菌群与代谢物的动态关联：例如0小时时振荡螺旋菌科（Oscillospiraceae UCG-005）与丙酸正相关，20小时时假丁酸弧菌（Pseudobutyrivibrio）与甲酸负相关，提示微生物功能转换与代谢适应。

本研究通过多组学联用，证实GPS系统能准确模拟马饲料干物质消化率（DMD预测值506.75 ml/g，与体内值591.35 g/kg接近），且终点代谢表型与粪便相似。然而，系统早期（8小时）的微生物失调与氧气敏感菌（如纤维降解菌）的抑制提示操作流程需进一步优化。此外，GPS中富集的瘤胃特征菌群（如Ruminobacter）表明其培养基或更适配反刍微生物，而非马后肠特异菌群，可能存在功能冗余（functional redundancy）——即不同菌群实现相似代谢功能。

研究意义在于，GPS作为经济高效的预筛选工具，可大幅减少马饲料研发中的动物试验需求。未来需探索马专用培养基或结合仿胃预处理，以提升模型对马后肠微生态的还原度。这项工作为可持续马业饲料开发提供了关键技术支持，也为体外消化模型的优化指明了方向。