基于多组学技术的西藏羊瘤胃胀气机制研究

《Microbiology Spectrum 3.7》：Multi-omics analysis of the mechanism of alfalfa and wheat-induced rumen flatulence in Xizang sheep

本研究通过多组学技术揭示了饲料诱导的西藏羊瘤胃胀气的潜在机制，为预防和治疗该疾病提供了新见解（Rumen Flatulence）。

　　本研究旨在探究饲料诱导的西藏羊瘤胃胀气的潜在机制。研究通过诱导西藏羊瘤胃胀气模型，分析了瘤胃微生物群落多样性、宿主-微生物相互作用以及分子机制。

研究背景

西藏羊是中国三大原始绵羊品种之一，主要分布在青藏高原及其周边地区。由于长期在高海拔、低氧环境下生活，其瘤胃微生物受到多种因素影响。瘤胃胀气是一种主要发生在以豆科植物或小麦牧草为食的反刍动物中的致命性消化系统疾病。豆科牧草含有高浓度的可消化蛋白质，这些蛋白质在瘤胃中释放后会导致瘤胃微生物的快速增殖和发酵，进而产生大量气体。此外，豆科植物还因含有皂苷而具有起泡特性，进一步促进胀气的发生。

研究方法

实验选取了24只健康的西藏羊，分为三组：对照组（LRF）自由采食天然牧草，高胀气组（HRF）饲喂苜蓿草，中胀气组（MRF）饲喂小麦草。通过测量瘤胃液的pH值和挥发性脂肪酸（VFAs）浓度，分析了瘤胃发酵参数的变化。同时，利用16S rDNA扩增子测序和转录组测序技术，分别对瘤胃微生物群落和瘤胃上皮组织基因表达进行了分析。

瘤胃发酵参数变化

结果显示，与LRF组相比，HRF和MRF组的瘤胃pH值显著降低，分别为0.0003和0.0063。在VFAs浓度方面，MRF组的异戊酸（4-MVA）、异庚酸（5-MCA）、乙酸（AA）、丁酸（BA）、丙酸（PA）和戊酸（VA）浓度显著增加；而HRF组的2-甲基丁酸（2-BA）、己酸（CA）、庚酸（HPA）、异丁酸（IBA）、异戊酸（IVA）、辛酸（OA）、PA和VA浓度显著增加。这表明不同饲料对瘤胃发酵产生了显著影响。

瘤胃微生物群落多样性变化

在α多样性方面，LRF组的Chao1指数、Shannon指数、PD_whole_tree指数和ACE指数均显著高于HRF组（P < 0.01），而MRF组与LRF组之间无显著差异。MRF组的这些指数显著高于HRF组（P < 0.05）。这表明饲料类型对瘤胃微生物群落的多样性有显著影响。在β多样性方面，主坐标分析（PCoA）显示三组之间的瘤胃微生物群落存在显著差异，LRF组和MRF组的微生物群落丰富度和多样性显著高于HRF组。

瘤胃微生物群落组成变化

在微生物门水平上，Bacteroidota是三组中均占主导地位的门，分别占61.0%、47.5%和72.4%；而Firmicutes是第二丰富的门，分别占35.5%、36.6%和24.2%。在微生物属水平上，Prevotella是所有组中常见的属，相对丰度分别为25.1%、25.3%和23.9%。此外，Quinella在LRF组中占主导地位，相对丰度为13.4%，而在MRF和HRF组中分别为0.3%和0.4%；Stenotrophomonas在MRF组中更为丰富，占5.9%，而在LRF和HRF组中分别为0.2%和0.3%；Butyrivibrio在HRF组中占主导地位，占5.4%，而在LRF和MRF组中分别为0.2%和0.6%。

转录组分析

转录组分析共鉴定出1417个差异表达基因（DEGs）。在LRF和HRF组之间，有859个共同的DEGs，其中511个下调，348个上调；在LRF和MRF组之间，有386个共同的DEGs，其中185个下调，201个上调；在HRF和MRF组之间，有366个DEGs，其中238个下调，128个上调。这些DEGs涉及细胞过程、代谢过程、应激反应、多细胞生物过程、生物调节、细胞组分组织、蛋白复合体、结合和催化活性调节等功能。通过基因本体（GO）功能富集分析和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析，发现这些DEGs主要富集在碳代谢、氨基酸生物合成等通路中。

相关性分析

Spearman相关性分析显示，瘤胃微生物与DEGs之间存在显著相关性。例如，Butyrivibrio与GLRX和DUOX2基因呈显著负相关；Quinella与PI3、GLRX、SFTPC和CLDN7基因呈显著负相关，而与CP和IGFBP1基因呈显著正相关。

研究结论

本研究通过多组学方法全面分析了不同饲料诱导的西藏羊瘤胃胀气的相关变化。结果表明，饲喂苜蓿和小麦草的西藏羊瘤胃pH值降低，挥发性脂肪酸浓度发生变化，瘤胃微生物的α和β多样性降低，门和属水平的组成显著不同。瘤胃上皮组织中有大量差异表达基因，且Butyrivibrio和Quinella与特定基因显著相关。这揭示了瘤胃胀气的潜在机制是特定饲料改变了瘤胃环境，影响了微生物群落，进而通过微生物与宿主基因表达的相互作用导致胀气。后续研究可通过基因编辑或微生物干预进一步探索机制，开发预防和治疗策略，并扩展到不同反刍动物和养殖环境中，结合更多多组学技术全面分析瘤胃胀气的机制。