多組學研究助力個體化奶牛的生產
隨著世界人口的持續增長，滿足動物蛋白產品的需求已經成為全球糧食安全的首要問題。牛奶是不可缺少的高營養蛋白產品，但是許多因素會影響奶牛的牛奶產量和品質，包括遺傳、管理和飼養策略。
2020年，百趣生物協助浙江大學劉建新教授團隊在Microbiome（IF=10.465）上發表了《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，劉建新教授團隊發現在同樣的營養和管理條件下，不同奶牛的乳蛋白含量（MPY）有較大的差異。這篇文章中研究者比較了高MPY和低MPY奶牛瘤胃的宏基因組、代謝組和血清代謝組。通過線性混合效應模型評估了不同組學對MPY差異的貢獻程度，其中血清代謝產物、瘤胃菌群代謝產物、瘤胃菌群功能、瘤胃菌群組成從高到低，貢獻依次為29.76%、26.78%、21.56%和17.81%。接下來，我們看看文章詳細的研究內容。
宏基因組的結果顯示，高MPY組和低MPY組奶牛瘤胃的微生物組和古細菌有著顯著的差異（1a）。PCoA分析顯示兩組之間的差異主要源于細菌和古細菌（1b,1c），而真核微生物或者病毒沒有太大差異，所以團隊后面將著重對瘤胃中的細菌和古細菌組成進行比較分析。
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圖2 奶牛瘤胃的微生物組成和分類
在細菌的種水平上可以看出，一共有15種在HH組表現出明顯較高的豐度，包括11種普雷沃特氏菌屬等，而有23種在LL奶牛的瘤胃中表現出明顯的富集（2a）。對于古細菌，在門水平上，LL奶牛瘤胃中的廣古菌門更為富集。在屬水平上，LL奶牛中豐度最顯著的是甲烷短桿菌。在種水平上，LL奶牛中只有最豐富的Methanobrevibacter millerae顯著高于HH組，HH組奶牛瘤胃中的其他物種都要更高一些（2b）。
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圖3 奶牛瘤胃微生物組的 KEGG分析
通過對奶牛瘤胃微生物的KEGG分析發現，在HH組奶牛瘤胃中有13條途徑是富集的，而在LL組奶牛瘤胃中則有18條代謝途徑比較富集（3a）。通過比較這些途徑涉及的KEGG模塊時，作者發現了24個HH組富集的模塊和19個LL組富集的模塊（3b）。
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圖4 奶牛瘤胃微生物組的 KEGG分析
如圖4所示，關于碳水化合物代謝和能量代謝，HH組僅富集到了兩個下游功能，分別是ko00290和M00019，它們可以將丙酮酸轉化為纈氨酸和異亮氨酸（4a）。而在LL組瘤胃中富集到了四個途徑和兩個模塊，四個途徑包括ko00010糖酵解、ko00500淀粉和蔗糖代謝、ko00052半乳糖代謝、ko00680甲烷代謝，兩個模塊包括M00001糖酵解和M00632半乳糖降解。另外，ko00280纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解也在LL瘤胃中顯示富集（4b）。
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圖5 奶牛瘤胃微生物組成和功能的關聯分析
接下來作者對瘤胃微生物組的功能進行了分析，并對微生物的種類和功能進行了關聯分析。由于蛋白含量是MPY的決定性指標之一，作者更加的關注瘤胃微生物組中氨基酸代謝的功能，并發現了涉及到BCAA的兩條重要的通路包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸合成通路，和纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解通路（5a）。一共有24個物種表現出了和BCAA途徑的相關性，13個物種具有正相關。其中，相關性最強的是5個普氏桿菌，包括P.multisaccharivorax, P. histicola, P. maculosa, P. buccae, P. albensis(5b).
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圖6 奶牛瘤胃代謝組分析
后面作者又進行了瘤胃的代謝組檢測。在瘤胃中一共鑒定出263種代謝產物，通過VIP＞1和P＜0.05篩選到了25種差異物（6a）。對這25種差異物進行MetPA分析，富集到了10個代謝途徑，其中差異最顯著的是維生素B6代謝途徑、甘油酯代謝途徑和β-丙氨酸代謝途徑（6b）。此外，作者還對總揮發性脂肪酸（VFA）、bing酸酯、wu酸酯和異wu酸酯進行絕對定量檢測，并且發現這些代謝物在HH瘤胃組中的表達顯著升高（6c，6d）。
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圖7 奶牛血清代謝組分析
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圖8 奶牛瘤胃微生物組、瘤胃代謝組、血清代謝組之間的相關性
作者對瘤胃宏基因組數據和瘤胃代謝組數據進行了斯皮爾曼關聯分析，結果顯示有65個顯著的相關性（8a）。在這65種相關性中，有11種Prevotella菌和氨基酸、肽、蛋白質以及有機化學物質有著正相關作用。通過斯皮爾曼等級相關性網絡對瘤胃宏基因組和MPY表型代謝產物進行了分析，結果顯示有22種相關性，其中有9種Prevotella菌和大部分MPY表型代謝產物有相關性，這些代謝物包括谷胱甘肽、苯丙氨酸、淀粉、蔗糖和半乳糖代謝（8c）。
為了確定瘤胃微生物組和宿主之間的潛在相互作用，作者對瘤胃宏基因組數據和血清代謝組數據進行了斯皮爾曼相關性分析（8b）。與瘤胃代謝組相比，血清代謝物和瘤胃微生物群的相關性比較低。其中有7種Prevotella菌和涉及到氨基酸代謝的表型相關，包括甘氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸（8d）。
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圖9 線性混合效應模型分析
通過該研究，作者確定了奶牛瘤胃的微生物組成、微生物功能、代謝產物以及它們之間的相互作用。具有高MPY的奶牛體內，古細菌種類豐度較低，產甲烷能力較低，從而導致碳水化合物合成相關酶的高表達。另外，HH奶牛中富集了幾種Prevotella菌，它們與BCAA的生物合成功能、瘤胃氨基酸和血清氨基酸的表達都相關，滿足了瘤胃微生物蛋白的需求，而這些蛋白將被用于宿主的乳蛋白合成。而且HH組奶牛的瘤胃有更強大的維生素B表達功能，能夠獲得更高的產奶性能。同時由于瘤胃微生物結構和功能的差異，HH組的小分子代謝產物和終端產物的表達水平更高，從而導致了代謝物吸收和運輸的差異。
多組學的結果表明，瘤胃微生物代謝產物和血清代謝產物對MPY的貢獻大于瘤胃微生物的組成和功能。對于這樣的結果，作者設想可以通過飼養管理或者基因選擇來改變瘤胃的微生物群落以提高奶牛的產奶質量。
