揭秘瘤胃微生物组：解锁奶牛抗热应激的新密码

《Animal Microbiome》：Metagenomic analysis reveals microbial drivers of heat resistance in dairy cattle

为解决奶牛热应激影响生产性能及抗热机制不明的问题，研究人员开展了奶牛瘤胃微生物组与抗热关系的研究。通过对 120 头奶牛的实验，发现热抗性（HR）和热敏感（HS）奶牛瘤胃微生物组成和功能有差异，这为提升奶牛抗热能力提供策略112。

　　随着全球气候变暖，高温天气越来越频繁，这给奶牛养殖业带来了巨大挑战。热应激会让奶牛出现一系列生理问题，比如采食量下降、产奶量减少、繁殖性能受损，还更容易生病，这不仅严重影响了奶牛的健康，也让养殖户遭受了很大的经济损失。尽管大家都知道热应激对奶牛影响很大，但奶牛抗热应激的生物学机制却还没有被完全弄清楚。以往的研究主要关注像直肠温度（RT）、呼吸频率（RR）这些表面的指标，没办法深入了解抗热的复杂生物学过程，这就导致很难找到有效的办法来提高奶牛的抗热能力。在这样的背景下，扬州大学动物科学与技术学院江苏省动物遗传育种与分子设计重点实验室的研究人员开展了一项关于奶牛瘤胃微生物组与热抗性关系的研究，相关成果发表在《Animal Microbiome》上。

研究人员为了探究瘤胃微生物组在奶牛抗热应激中发挥的作用，做了一系列实验。他们先选了 120 头高产的中国荷斯坦奶牛，在江苏宿迁的农场进行了为期 50 天的实验。实验期间，用风扇和自动喷雾系统给奶牛降温，尽量减少热应激的影响。实验结束后，通过熵权 TOPSIS 法（一种多标准决策分析方法），根据奶牛的生理和生化指标，把奶牛分成了热抗性（HR）和热敏感（HS）两组。

实验用到的主要关键技术方法有：首先，通过测量温度和湿度计算温湿度指数（THI）来监测热应激水平；采集奶牛的血液、瘤胃液样本，测定血清生化指标，如钾离子（K?）浓度、热休克蛋白 70（HSP70）和皮质醇水平；对瘤胃液样本进行宏基因组测序，分析微生物组成和功能；运用多种生物信息学和统计分析方法，包括物种分类、多样性分析、功能注释和差异分析等。

研究结果如下：

• 热抗性奶牛的筛选：实验期间，平均 THI 为 81.1±3.17，奶牛处于热应激状态。热应激导致奶牛平均产奶量和反刍频率显著下降。通过熵权 TOPSIS 法，成功筛选出 HR 和 HS 奶牛。HR 奶牛的流涎指数更低，HSP70 和皮质醇水平更高23。
• 瘤胃微生物组的组成和多样性：对瘤胃液样本宏基因组测序后发现，瘤胃微生物主要由厚壁菌门、拟杆菌门、尾病毒目和变形菌门组成。HR 奶牛有独特的微生物类群，其微生物群落更稳定。Alpha 多样性分析显示，HS 奶牛物种丰富度更高，但 HR 奶牛微生物群落功能更稳定45。
• 不同抗性奶牛的微生物组成差异：HR 奶牛中，黄化瘤胃球菌（Ruminococcus flavefaciens）和琥珀酸杆菌（Succiniclasticum）是关键生物标志物，有助于维持能量平衡和肠道健康。HS 奶牛中，链球菌（Streptococcus）和乳酸杆菌（Lactobacillus）含量较高，可能会使瘤胃环境变酸，加重热应激负面影响67。
• 功能注释和通路分析：KEGG 通路分析表明，HR 奶牛中戊糖磷酸途径（PPP）显著富集，有助于抵抗氧化应激。HS 奶牛中三羧酸循环（TCA）、丙酮酸代谢等能量生成途径更活跃，代谢负担重。HR 奶牛的糖苷水解酶（GHs）和碳水化合物结合模块（CBMs）上调，更利于分解纤维饲料维持能量平衡，而 HS 奶牛的酶更倾向于分解简单糖类89。
• 微生物组成与功能及热抗性的相关性：研究还发现一些关键微生物类群与热抗性相关的功能途径存在关联，它们在能量代谢、氨基酸合成、维持细胞膜完整性等方面发挥作用，有助于奶牛适应热应激1011。

研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了瘤胃微生物组与奶牛热抗性之间的复杂关系。HR 奶牛的瘤胃微生物群落更稳定，功能上能更好地应对热应激，比如通过戊糖磷酸途径增强抗氧化能力，维持能量平衡。而 HS 奶牛的微生物群落功能协调性较差，能量代谢途径虽然活跃，但可能加重代谢负担。这些发现为提高奶牛热抗性提供了新方向，可以从选育、饮食干预和微生物靶向治疗等方面入手。不过，目前还需要在更大、更多样的群体中验证这些微生物标记，并进一步探索调控瘤胃微生物组的方法。总之，这项研究为奶牛养殖业应对热应激提供了重要的理论依据和潜在解决方案，对促进奶牛健康和提高养殖效益具有重要意义。