產(chǎn)后奶牛皺胃左移位(Left displaced abomasum , LDA)對(duì)畜牧業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。患有LDA的奶牛會(huì)經(jīng)歷過(guò)度的脂質(zhì)動(dòng)員和胰島素抵抗。這種現(xiàn)象與腸道失調(diào)有關(guān)，但對(duì)腸道菌群在LDA異常代謝過(guò)程中發(fā)揮的作用知之甚少。
2022年10月，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院曹隨忠教授與左之才教授課題組在Microbiology Spectrum（IF 9.043）雜志上共同發(fā)表題為“Altered Fecal Microbiome and Correlations of the Metabolome with Plasma Metabolites in Dairy Cows with Left Displaced Abomasum”的研究文章。本研究通過(guò)聯(lián)合腸道微生物16S rDNA測(cè)序和非靶向代謝組學(xué)技術(shù)，利用多組學(xué)數(shù)據(jù)分析了LDA奶牛腸道微生物及其代謝物與表型之間的相關(guān)性，闡明腸道微生物可能通過(guò)調(diào)節(jié)氨基酸組成參與脂肪分解和胰島素抵抗的調(diào)控。中科新生命為本研究提供了16s測(cè)序和代謝組學(xué)的技術(shù)支持。
研究材料
LDA奶牛（n=10）和健康奶牛（n=10）；血液和糞便樣本
技術(shù)路線
研究結(jié)果
研究者先通過(guò)對(duì)健康奶牛和LDA奶牛糞便的16S rDNA測(cè)序分析鑒定其腸道微生物多樣性的變化情況。結(jié)果表明腸道菌群豐富度因LDA事件而增加，同時(shí)LDA組與健康組的糞便微生物群落明顯分離，群落異質(zhì)性結(jié)構(gòu)顯著。
圖1 健康奶牛和LDA奶牛糞便微生物群差異
2. LDA對(duì)奶牛糞便代謝的影響
研究者對(duì)健康奶牛和LDA奶牛糞便進(jìn)行非靶代謝組分析。在健康組和LDA組之間，共有48種代謝物存在差異，其中20種增加，28種降低。這些代謝產(chǎn)物分為脂類(37.50%)、核苷和核苷酸(14.58%)、有機(jī)酸(10.42%)、有機(jī)雜環(huán)化合物(20.83%)和苯類(8.33%)。
此外，糞便中鑒定出的20種差異代謝物來(lái)自宿主和腸道菌群之間的共同代謝過(guò)程。KEGG代謝通路分析顯示，微生物群之間和與宿主共代謝之間享有兩條共同通路：嘌呤代謝和卟啉-葉綠素代謝通路。
圖2 健康奶牛和LDA奶牛糞便代謝物差異
3. LDA中代謝物與糞便微生物群的關(guān)系
為了確定與LDA相關(guān)的代謝產(chǎn)物和腸道微生物群變化之間的相關(guān)性，研究者進(jìn)行了Spearman相關(guān)性分析。Akkermansia、Oscillospira和Peptococcaceae rc4-4的豐度與糞便中鑒定出的大部分代謝物具有很強(qiáng)的相關(guān)性。研究者進(jìn)一步將前期工作中所獲得血漿代謝物數(shù)據(jù)與糞便代謝物數(shù)據(jù)整合分析，在糞便和血漿樣本中篩選了8種共同的代謝物。結(jié)果顯示：與健康奶牛相比，LDA組共代謝的胞苷和4-吡哆酸水平下降。LDA發(fā)生期間，奶牛體內(nèi)微生物產(chǎn)生的水楊酸水平顯著降低。LDA組糞便中亞油酸和硬脂酰肉堿含量低于健康組。LDA組血漿亞油酸和硬脂酰肉堿水平顯著升高。
圖3 LDA相關(guān)屬和代謝物的關(guān)聯(lián)
4. 組學(xué)數(shù)據(jù)和臨床參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)
研究者檢測(cè)發(fā)現(xiàn)LDA組和健康組之間的臨床標(biāo)志物存在顯著差異，包括血清中NEFA、BHBA、葡萄糖、胰島素、膽固醇、丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶、總膽紅素、游離鈣、氯和鉀水平等。通過(guò)Spearman相關(guān)性分析研究腸道菌群、代謝物和臨床標(biāo)志物之間的關(guān)系，研究者觀察到NEFA、BHBA和RQUICKI是與LDA事件相關(guān)的關(guān)鍵變量，進(jìn)一步通過(guò)多元邏輯回歸與ROC分析發(fā)現(xiàn)4-吡哆酸、水楊酸和胞苷可作為L(zhǎng)DA特異性生物標(biāo)志物。
圖4 代謝物及腸道微生物群與宿主間的關(guān)系
5. LDA奶牛血漿氨基酸的改變
研究者通過(guò)靶向代謝組學(xué)對(duì)奶牛血漿氨基酸進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，與健康組相比，LDA組血漿總氨基酸水平顯著降低；同時(shí)LDA組BCAA(包括亮氨酸和異亮氨酸)的豐度顯著增加，酪氨酸、色氨酸和組氨酸的豐度顯著降低。相關(guān)性分析顯示，循環(huán)總氨基酸水平的降低與微生物豐度的增加呈極顯著負(fù)相關(guān)，與糞便和血漿中關(guān)鍵代謝物4-吡哆酸、胞苷和水楊酸的豐度則呈顯著正相關(guān)。
圖5 LDA奶牛循環(huán)氨基酸的變化
6. LDA的代謝途徑和網(wǎng)絡(luò)
研究者在糞便樣品中鑒定出3697個(gè)KEGG同源物，其中203種在LDA和健康奶牛之間存在豐度差異。通過(guò)相關(guān)性分析，研究者發(fā)現(xiàn)亮氨酸和異亮氨酸的相對(duì)豐度與NEFA和BHBA的濃度有很強(qiáng)的相關(guān)性，表明LDA事件中生酮氨基酸代謝增加，糖酵解/糖異生和檸檬酸循環(huán)發(fā)生下調(diào)。通過(guò)構(gòu)建代謝物-代謝物和代謝物-基因相互作用網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，腸道微生物產(chǎn)生的酶編碼基因介導(dǎo)了這些生酮關(guān)系。
圖6 LDA奶牛代謝途徑及網(wǎng)絡(luò)
小編小結(jié)
本研究利用多組學(xué)數(shù)據(jù)綜合分析了LDA對(duì)奶牛腸道菌群、代謝產(chǎn)物和宿主表型的影響。研究結(jié)果清楚地表明，LDA奶牛的腸道菌群失調(diào)狀態(tài)與氨基酸缺乏癥有關(guān)。在LDA的背景下，腸道微生物組成的變化與酮生成和葡萄糖代謝密切相關(guān)。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)了與LDA相關(guān)的關(guān)鍵代謝產(chǎn)物。本研究為L(zhǎng)DA發(fā)病機(jī)制研究提供了新的思路，也為L(zhǎng)DA的預(yù)防和治療奠定了理論基礎(chǔ)。
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