【原】ISME|不同饮食选择驱动反刍动物瘤胃微生物氢代谢

  凌恩生物合作客户中国科学院亚热带农业研究所于《The ISME Journal 》期刊发表“Dietary selection of metabolically distinct microorganisms drives hydrogen metabolism in ruminants.”研究文章，强调了饮食干预可调节瘤胃微生物群组成，进而调节碳水化合物降解、H₂代谢和甲烷生成。

期刊：The ISME Journal  

影响因子：11.217    

发表时间：2022

样本类型：瘤胃内容物、瘤胃上皮组织

客户单位：中国科学院亚热带农业研究所

一、研究背景

反刍动物对全球粮食安全很重要，但它们会释放出温室气体甲烷。瘤胃微生物能够分解复杂的碳水化合物，产生挥发性脂肪酸和氢分子。这种氢气主要被古生菌转化为甲烷，但也可以被氢营养型产乙酸菌和呼吸性细菌用来产生有用的代谢物。因此，更好地了解膳食碳水化合物如何影响氢代谢和甲烷生成的机制非常重要。

二、实验设计

本研究通过16S扩增子及宏基因组测序，分析了24头适应富含纤维（n=12）和富含淀粉（n=12）饮食的肉牛的瘤胃微生物群的组成、代谢途径和活动。具体实验设计如下：

图1实验设计和取样

三、实验结果

1、挥发性脂肪酸的产生和吸收受到饮食的调节

两种饲粮下，牛瘤胃结构和上皮形态均稳健，瘤胃pH均保持在6.0以上（图2A），说明整个试验过程中瘤胃功能健康。

在体内和体外实验1中，纤维摄入量高的牛纤维消化率较高，而适应富淀粉饲粮的牛有机质和淀粉消化率较高，但纤维消化率较低（图2B，p<0.001），且表现出更高的碳水化合物降解率，导致体内1和2期总VFA浓度增加（图2C，p<0.001）。

这些结果表明，这两种饲粮对VFA的产生、H₂代谢和甲烷生成的影响有所不同，这可能是由于促进了不同的微生物活性。

图2富含纤维和淀粉的处理在牛瘤胃中表现出明显的微生物活性、乳头形态和功能

2、两种饲粮均富集了不同的微生物类群

基于PCoA结果分析表明（图3A），两组微生物组成具有明显差异聚集，表明碳水化合物类型驱动了微生物群落组成的显著变化。随机森林结果表明，瘤胃杆菌和琥珀弧菌科UCG-002是富淀粉饮食中最具代表性的两个属，而纤维杆菌是富纤维饮食中最具代表性的属。

在门水平上，拟杆菌门和纤维杆菌门在富含纤维的饲料中显著富集，而富淀粉饮食中变形杆菌门和螺旋体门更丰富（图3B，p<0.001）。

因此，微生物组成的差异与不同的底物偏好和降解能力有关。

图3 富含纤维和淀粉的处理选择了不同的微生物群落

3、两种饮食选择了不同的碳水化合物降解途径

宏基因组分析表明，瘤胃微生物功能基因集KEGG orthology（KO）数据库和KEGG通路中分别注释到了71.4%和33.9%的基因。

所有KO基因的PCoA分析显示，富纤维和富淀粉的饲粮具有不同的代谢功能（图4A），其中“碳水化合物代谢途径”最为丰富，不同饲粮之间存在显著差异。

高淀粉摄入量增加了总CAZymes的丰度（p=0.01），包括辅助活性（AAs）、碳水化合物结合模块（CBMs）和糖基转移酶（GTs）。在6个CAZyme类中，GHs的相对丰度最高，且两种饲粮处理间GH亚家族的丰度存在显著差异（图4C）。这两种饮食处理都促进了具有不同消化碳水化合物能力的细菌群落。在富含淀粉的饮食中，拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门是丙烯酸酯途径的主要细菌门。在富含纤维的饮食中，纤维杆菌门在发酵乙酸和丙酸的生产中表现突出，厚壁菌门是乙酸到丁酸生产途径的主要门，而甲烷杆菌门是产甲烷的主要菌群。

图4富含纤维和淀粉的处理显示出瘤胃微生物群中不同的CAZymes和KEGG酶基因

4、两种饮食方式选择了不同的产氢途径和掺入途径

作者筛选了宏基因组功能基因编码产生H₂和消耗H₂酶的催化亚基的基因。在已鉴定的2686个基因中，分别有82%、17%和1.2%被注释为[FeFe]-、[NiFe]-和[Fe]-氢化酶。氢化酶在分类学上被分配到149个属，包括拟杆菌属、梭菌属、颤杆菌属、甲烷短杆菌属和瘤胃球菌属。

由于两种饲粮表现出不同的氢化酶组成，然后将氢化酶分为亚组。三聚体group A3[FeFe]-氢化酶在发酵碳水化合物降解过程中介导电子聚合过程，导致H₂产生，是两种处理中最丰富的氢化酶（图5A）。富含纤维的饮食富含由甲烷杆菌门编码的产甲烷氢化酶因（图5A，p <0.05）。富含淀粉的饮食富集了编码发酵group B[FeFe]-氢化酶（p<0.01）、能量转换group 4e和4g [NiFe]-氢化酶等基因，它们在分类学上主要分配给厚壁菌门和螺旋菌门。

这些结果表明，富含淀粉的饲粮中H₂流量增强，这与发酵量增加和瘤胃dH₂浓度升高相一致。

图5富纤维和富淀粉处理导致瘤胃微生物群中氢化酶和末端还原酶水平不同

5、基因组定位和体外发酵验证了微生物的功能

通过q-PCR验证，琥珀酸乳杆菌和嗜淀粉瘤胃杆菌的基因拷贝数分别在富纤维处理和富淀粉处理中更为丰富（p < 0.001）。体外实验2进一步验证了纤维降解作用的增强，结果表明，接种富纤维饲粮的微生物群对NDF的降解作用增强（图6B，p=0.026）。

图6 富含纤维和富含淀粉的饮食的代谢特征

四、研究结论

总体而言，本研究结果表明，饲喂反刍动物的碳水化合物类型会改变瘤胃微生物组的组成和功能，并具有不同的H₂代谢，这与瘤胃产甲烷、VFA的产生和分布密切相关。富含纤维的饮食富含纤维溶解细菌（如纤维化细菌和产甲烷菌），增强了纤维的利用，以及醋酸盐和H₂的产生。富含纤维的微生物组增强的乙酸产量可能部分是由于氢营养产乙酸作用，这可能将是反刍动物利用H₂和CO₂的一种新的代谢策略。而富含淀粉的饮食选择了淀粉分解细菌和乳酸利用者，可以维持健康的瘤胃并减少甲烷的产生，并导致瘤胃dH₂浓度增加，同时伴随着更多的氢营养呼吸中的氢化酶。这些对氢代谢和甲烷生成的深入了解提高了对反刍动物能量收集策略、健康瘤胃维持和甲烷缓解的理解。

参考文献

Dietary selection of metabolically distinct microorganisms drives hydrogen metabolism in ruminants. The ISME Journal, 2022.