多組學技術(shù)在奶牛瘤胃微生物與宿主互作機制中的研究進展

沈義媛，童津津，熊本海，蔣林樹＊

1 北京農(nóng)學院動物科學技術(shù)學院；奶牛營養(yǎng)學北京市重點實驗室，北京 102206

2 中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193

0 引言

瘤胃是反芻動物重要的生物反應(yīng)容器，在其中包含了大量的微生物，包括細菌、古菌、真菌和原生動物等[1]。在成年反芻動物中，瘤胃是飼料降解和營養(yǎng)吸收的主要場所。盡管新生犢牛的瘤胃體積、吸收能力和物質(zhì)代謝方面并不發(fā)達[2]，但是有研究表明，在幼齡反芻動物的瘤胃中，微生物的組成及結(jié)構(gòu)對成年后奶牛的瘤胃發(fā)育和生理功能有著重要的影響[3]。此外，奶牛的飼料效率很大程度上受微生物從飼料中提取能量的能力，以及產(chǎn)生微生物蛋白質(zhì)作為宿主蛋白質(zhì)來源的能力的影響[4]。因此，對瘤胃微生物的定性定量分析對于奶牛健康的維持和改善其生產(chǎn)性能有著重要的意義。

1 瘤胃微生物的影響因素

1.1 熱應(yīng)激

熱應(yīng)激是降低奶牛飼料利用率，影響奶牛生產(chǎn)性能的重要因素之一。據(jù)研究，荷斯坦牛產(chǎn)熱能力強但散熱能力有限[5]，特別是在高溫高濕的環(huán)境中，極易產(chǎn)生熱應(yīng)激。研究表明，熱應(yīng)激發(fā)生時，奶牛瘤胃上皮細胞間的緊密連接結(jié)構(gòu)被破壞。此時，瘤胃黏膜屏障功能受損、通透性增加[6]，奶牛瘤胃內(nèi)微生物的組成和代謝物發(fā)生顯著變化。Kim等[7]的研究表明，在正常情況下，荷斯坦牛瘤胃中唯一的優(yōu)勢菌群是瘤胃球菌科細菌，但在熱應(yīng)激條件下，纖維桿菌在瘤胃中顯著富集。相對應(yīng)的，澤西奶牛瘤胃中原本的優(yōu)勢菌群為放線菌門、紅蝽菌綱等，然而在熱應(yīng)激條件下，優(yōu)勢菌群發(fā)生改變，梭桿菌門、軟壁菌門、藍細菌等成為優(yōu)勢菌群。雖然這兩種奶牛在相同飲食條件下瘤胃微生物組成不同，但在熱應(yīng)激發(fā)生時瘤胃微生物結(jié)構(gòu)都發(fā)生了很大的變化。Zhao等[8]對18 頭荷斯坦牛進行瘤胃內(nèi)容物的基因測序分析，結(jié)果表明，在發(fā)生熱應(yīng)激奶牛的瘤胃中，鏈球菌、瘤胃桿菌、密螺旋體、未分類的擬桿菌科等細菌的相對豐度顯著提高，其中，作為瘤胃中產(chǎn)乳酸的主要菌屬——鏈球菌數(shù)量的增加使得瘤胃中乳酸水平升高，pH值降低，進而抑制對pH敏感的瘤胃細菌，如纖維素分解菌的生長。據(jù)報道，在熱應(yīng)激條件下，奶牛的采食量降低，此時瘤胃乳頭寬度、周長和表面積均減小[9]，因此，瘤胃微生物在熱應(yīng)激條件下的改變，可能與瘤胃組織形態(tài)的變化具有一定相關(guān)性。此外，熱應(yīng)激還可能通過提高瘤胃溫度、降低瘤胃液pH和滲透壓來改變瘤胃內(nèi)菌群的結(jié)構(gòu)和數(shù)量[10]。總而言之，熱應(yīng)激可通過降低奶牛采食量、改變瘤胃內(nèi)環(huán)境和組織結(jié)構(gòu)等途徑影響瘤胃內(nèi)微生物的組成，繼而調(diào)控奶牛的生產(chǎn)性能。

1.2 飼養(yǎng)管理

科學合理的養(yǎng)殖方式不僅能夠為奶牛創(chuàng)造舒適的環(huán)境，還能夠維持奶牛瘤胃內(nèi)微生物的穩(wěn)態(tài)，降低疾病發(fā)生率，提高奶牛的生產(chǎn)性能。為有效緩解奶牛在夏季多發(fā)的熱應(yīng)激，在實際生產(chǎn)中，牛場可通過安裝遮陽設(shè)施，并在牛舍內(nèi)設(shè)置風扇和噴淋裝置達到及時降溫的效果[11]。此外，合理的飼料搭配對于維持瘤胃微生物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)也非常重要。Vaidyaj等[12]的研究表明，與飼喂牧草青貯相比，飼喂玉米青貯可顯著降低奶牛瘤胃產(chǎn)甲烷菌的活性，增加瘤胃中普雷沃氏菌屬、反芻球菌科和琥珀酸弧菌科等細菌的豐度，并有利于丙酸的產(chǎn)生，為奶牛泌乳提供更多的能量。此外，真細菌屬豐度的增加可提高氨基酸的合成效率，繼而提高乳蛋白質(zhì)含量，該研究充分證明了玉米青貯在改善瘤胃微生物結(jié)構(gòu)，提高奶牛泌乳性能上的巨大優(yōu)勢。徐曉峰[13]等測定了在不同精粗比飼糧條件下，泌乳奶牛瘤胃內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果表明，低精料組的菌群多樣性和豐富度顯著高于高精料組。其中，厚壁菌門、丁酸弧菌屬、纖維桿菌屬、瘤胃球菌屬等與纖維降解有關(guān)的菌群在低精料組中顯著高于高精料組；反之，密螺旋菌屬等產(chǎn)酸菌在高精料組中豐度較高，證明不同精粗料比對瘤胃微生物的結(jié)構(gòu)起著重要的作用。因此，奶牛的管理策略和日糧營養(yǎng)組成對瘤胃微生物的組成具有決定性的作用，為從瘤胃微生物的角度調(diào)節(jié)動物健康提供了思路。

1.3 飼料添加劑

近年來，使用飼料添加劑調(diào)節(jié)反芻動物瘤胃微生物組成，維持瘤胃健康，越來越受到廣泛關(guān)注。特別是各類植物提取物及微生態(tài)制劑在實際生產(chǎn)中最為流行。據(jù)報道，汪悅等[14]向4 頭瘺管荷斯坦牛投喂不同劑量的皂甙，并采集瘤胃液進行測定，結(jié)果表明，皂甙的添加量越多，原蟲的抑制效果越明顯，此外，瘤胃中的產(chǎn)甲烷菌，如甲酸甲烷桿菌、史氏甲烷桿菌數(shù)量顯著降低，為調(diào)節(jié)奶牛甲烷排放量，提高生產(chǎn)性能提供了依據(jù)。Kasparovska等[15]將12 頭泌乳奶牛分為兩組，在試驗組的基礎(chǔ)飼糧中補充了12.5 g含40%有效成分的異黃酮提取物，14 天后對瘤胃微生物組進行16 s rRNA測序。結(jié)果顯示，異黃酮與未分類的β-蛋白桿菌和伯克霍爾德氏菌呈正相關(guān)，反之，與瘤胃球菌科、韋榮球菌科呈負相關(guān)，瘤胃中揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和瘤胃球蛋白增加，證明異黃酮提取物可以通過影響瘤胃微生物的菌群結(jié)構(gòu)而顯著提高奶牛飼料利用率。此外，益生菌作為一種微生態(tài)制劑，在改善胃腸道菌群，提高奶牛免疫力和營養(yǎng)消化率等方面具有巨大的潛力[16]。據(jù)報道，F(xiàn)omenky等[17]在犢牛飲食中添加兩種直接飼喂微生物（DFM）——釀酒酵母和嗜酸乳桿菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種益生菌均顯著減少了瘤胃中潛在的病原細菌鏈球菌屬的數(shù)量，并增加了纖維桿菌等有益細菌的數(shù)量。因此，飼料添加劑在預(yù)防奶牛疾病、減少甲烷排放量、增加產(chǎn)奶量、提高生產(chǎn)性能等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 多組學分析技術(shù)在奶牛瘤胃微生物中的研究進展

隨著分子生物學技術(shù)的發(fā)展，組學技術(shù)作為一種功能強大的定量定性分析技術(shù)，在奶牛生產(chǎn)、營養(yǎng)及疾病等方面的應(yīng)用越來越廣泛。目前，常見的組學技術(shù)包括宏基因組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學等[18]，各組學技術(shù)因其靈敏性、準確性及系統(tǒng)性等優(yōu)點，在瘤胃微生物組成結(jié)構(gòu)及其功能的分析中表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。此外，組學技術(shù)可通過分析奶牛瘤胃微生物組成結(jié)構(gòu)和功能、微生物代謝產(chǎn)物和代謝途徑，以及微生物對宿主飼料利用率的影響，精準調(diào)控奶牛的飲食結(jié)構(gòu)，為降低甲烷排放量、提高奶牛的生產(chǎn)性能提供了科學的依據(jù)。

2.1 16s/宏基因組

16s rRNA高通量測序技術(shù)主要是對微生物基因組rRNA上的保守序列測序并進行物種鑒定，隨著生物技術(shù)的不斷完善，16s rRNA基因檢測技術(shù)已成為檢測和鑒定瘤胃微生物的一種強有力工具[19]。Jami等[3]采集4 個不同年齡段荷斯坦牛的瘤胃DNA樣品，并對16s rRNA基因進行擴增測序，證明了在不同年齡段，厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門都是瘤胃中的優(yōu)勢菌種，但相對豐度及菌屬存在顯著差異。Tong等[20]將16 頭胎次相近的荷斯坦牛，平均分為高產(chǎn)組和低產(chǎn)組，對奶牛瘤胃微生物進行16s rRNA高通量測序分析，結(jié)果表明，在相同日糧條件下，高產(chǎn)奶牛的產(chǎn)奶量高于低產(chǎn)奶牛，主要歸因于高產(chǎn)奶牛中擬桿菌屬、瘤胃球菌屬、毛螺菌科、真細菌和紡錘狀細菌屬的含量較高。Zhong等[21]對四組不同水平體細胞數(shù)（SCC）的荷斯坦牛的瘤胃樣品進行16s rRNA高通量測序分析，結(jié)果表明高SCC奶牛的瘤胃內(nèi)微生物α多樣性指數(shù)的Shannon指數(shù)顯著較高，而Simpson指數(shù)顯著較低。在門水平上，SR1和放線桿菌在4 個組中存在顯著差異；在屬水平上，梭菌目、S24-7和RF16中3 個未分類的屬在4 個組奶牛中存在顯著差異。因此，16s rRNA高通量測序技術(shù)可全面解析奶牛的瘤胃微生物區(qū)系變化，為進一步探究瘤胃微生物和宿主之間的相互關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

宏基因組主要以微生物全部基因組為研究對象，與16s rRNA高通量測序技術(shù)相比，具有更高的覆蓋率，可以更加準確地反映瘤胃微生物組的結(jié)構(gòu)和核心功能[22]，極大程度地提高了物種鑒定的精確度和測序數(shù)據(jù)的總量[23]。Delgado等[24]采集了80 頭荷斯坦牛的瘤胃液，經(jīng)宏基因組測序后發(fā)現(xiàn)，飼料效率最高的奶牛瘤胃中丁酸弧菌和普氏桿菌的相對豐度較高，而厚壁菌門豐度較低；此外，甲烷桿菌和甲烷短桿菌的豐度較低，這說明了高產(chǎn)奶牛能更加有效地利用飼料中的蛋白質(zhì)和碳水化合物，降低甲烷排放量，提高產(chǎn)奶量。吳建民等[25]人選用乳蛋白含量長期較高與較低的荷斯坦牛各3 頭，采集瘤胃內(nèi)容物并通過宏基因組學測定瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擬桿菌門、普雷沃氏菌屬等菌群的相對豐度在兩組奶牛之間呈現(xiàn)出顯著差異，并且首次發(fā)現(xiàn)三角酵母屬可能對調(diào)節(jié)乳蛋白含量具有一定作用。此外，高乳蛋白含量組奶牛表達半胱氨酸與蛋氨酸代謝和其他氨基酸代謝功能基因的相對豐度顯著高于低乳蛋白含量組奶牛，為進一步解析奶牛乳蛋白合成機制提供了新的見解。值的注意的是，Shinkai等[26]在瘺管奶牛的瘤胃微生物宏基因組中，發(fā)現(xiàn)了大量纖維素酶編碼基因家族，其中糖苷水解酶9、11、30、43，碳水化合物酯酶8和碳水化合物結(jié)合模塊6是特征性編碼基因家族，這為進一步解析瘤胃發(fā)酵機理提供了新思路。因此，宏基因組測序技術(shù)不僅可以通過數(shù)據(jù)庫比較不同飲食及生理狀況下奶牛瘤胃微生物的差異性，還可以檢測到微生物的功能性基因。此外，目前已有研究將瘤胃中關(guān)鍵的纖維降解酶應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[27]，這對于瘤胃微生物進一步的開發(fā)和利用具有重要的意義。

2.2 代謝組學

代謝組學是利用核磁共振、液相色譜/質(zhì)譜（LC/MS）、氣相色譜-飛行時間/質(zhì)譜（GCTOFMS）等高通量技術(shù)對生物樣品中的內(nèi)源性代謝物進行定量分析的一種評價方法[28]，運用代謝組學技術(shù)可以清晰直觀地檢測到機體代謝通路和代謝物的變化。Zhang等[29]人采集了荷斯坦牛（高產(chǎn)組和低產(chǎn)組）瘤胃液樣品，通過液相色譜/質(zhì)譜（LC/MS）代謝組學方法分析，在高低產(chǎn)兩組奶牛的瘤胃液中共鑒定出54 種差異顯著的代謝產(chǎn)物，富集到13 條主要代謝途徑。其中，蛋白質(zhì)的消化吸收、ABC轉(zhuǎn)運蛋白和不飽和脂肪酸的生物合成是3 條差異最為顯著的代謝途徑。此外，幾種代謝產(chǎn)物與特定的瘤胃菌群有很大的相關(guān)性，例如厚壁菌門與脂肪酰基呈顯著負相關(guān)；擬桿菌門與D-木糖呈顯著負相關(guān)等，這些標志性代謝物與瘤胃微生物菌群組成及其結(jié)構(gòu)存在指示作用，而對于這些潛在生物標志物進行進一步研究，必將為解析高低產(chǎn)奶牛泌乳機制的研究提供新見解。同樣的，Mu等[30]使用液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）代謝組學測定了高低產(chǎn)奶牛的瘤胃微生物，結(jié)果共鑒定出92 種差異微生物代謝物。其中，高產(chǎn)奶牛瘤胃液代謝物豐度的增加與不飽和脂肪酸的生物合成、類固醇的生物合成、泛醌和其他萜類-醌的生物合成等代謝途徑有關(guān)，證明高產(chǎn)奶牛在機體供能效率上優(yōu)于低產(chǎn)奶牛。Shabat[31]等通過氣相色譜-質(zhì)譜法，測定了不同剩余采食量（RFI）奶牛的瘤胃液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丙酸、丁酸、戊酸和異戊酸的濃度在高效奶牛的瘤胃中較高，特別是丙酸和丁酸在生成過程中可能與甲烷競爭氫氣，降低了高效奶牛的甲烷排放量。值得注意的是，京都基因與基因組百科全書（KEGG）途徑富集分析結(jié)果表明，富含在低效奶牛微生物群中的差異代謝物主要是蛋白質(zhì)消化和吸收、氨基酸生物合成和甲烷代謝類酶，這進一步解釋了低效奶牛的瘤胃發(fā)酵特征及其調(diào)控機制。綜上所述，代謝組學不僅可直觀揭示奶牛的微生物代謝物及其代謝途徑的差異，還為進一步改善奶牛飲食，調(diào)控代謝途徑，提高奶牛生產(chǎn)性能提供了參考。

2.3 多組學聯(lián)合

如今，多組學聯(lián)合分析技術(shù)解析瘤胃微生物的菌群結(jié)構(gòu)及功能越來越全面且深入。Malmuthuge等[32]聯(lián)合瘤胃宏基因組和宿主轉(zhuǎn)錄組分析方法，探究了新生犢牛瘤胃微生物組成及其對早期瘤胃發(fā)育的影響。結(jié)果表明普雷沃氏菌、鏈球菌屬、梭狀芽胞桿菌屬、瘤胃球菌屬等菌屬在瘤胃中占主導地位，并與瘤胃上皮形態(tài)發(fā)生、蛋白質(zhì)定位和轉(zhuǎn)運等功能顯著相關(guān)。此外，犢牛瘤胃中高度異質(zhì)性和低豐度的古菌，意味著可通過早期飼養(yǎng)策略改變瘤胃產(chǎn)甲烷菌從而增強微生物發(fā)酵和減少瘤胃中的甲烷生成的可能性。Xue等[33]對20 頭泌乳中期奶牛進行瘤胃宏基因組和代謝組學等多組學分析，來解析高乳蛋白產(chǎn)量（Milk Protein Yield，MPY）奶牛的特征。結(jié)果顯示，高MPY奶牛瘤胃中的普雷沃氏菌物種豐度較高，有助于改善支鏈氨基酸生物合成的功能，為宿主合成乳蛋白提供了充足的瘤胃微生物蛋白。此外，黃色瘤胃球菌和反芻硒單胞菌在高MPY奶牛瘤胃中的高豐度結(jié)果表明，這兩種細菌可能是奶牛瘤胃丙酸含量升高的主要原因；與之相反，瘤胃中產(chǎn)甲烷菌的相對豐度較低，表明MPY奶牛產(chǎn)甲烷量較低，導致碳水化合物合成的酶和途徑高于低MPY奶牛，從而提高了飼料轉(zhuǎn)化率。這種微生物群和宿主代謝的關(guān)聯(lián)分析，為通過飼養(yǎng)管理或遺傳選擇改變瘤胃微生物區(qū)系以提高牛奶質(zhì)量和產(chǎn)量的策略提供了新見解。Sun等[34]將奶牛飼糧中的高質(zhì)量苜蓿干草替換為低質(zhì)量玉米秸稈，并通過宏基因組學、代謝組學及轉(zhuǎn)錄組學探究奶牛瘤胃微生物和乳品質(zhì)的變化。結(jié)果表明，在飼喂玉米秸稈時，瘤胃中變形桿菌門、纖維桿菌門和黏膠球形菌門的相對豐度顯著高于對照組，而密螺旋體和琥珀酸單胞菌在瘤胃中的相對豐度較低，導致瘤胃中丙酸含量降低、乙酸含量顯著上升。進一步的研究表明，奶牛血液中氨基酸代謝組的豐度較低，同時酪蛋白編碼基因CSN3和CSN1S2下調(diào)，導致乳腺中蛋白質(zhì)加工和合成減少。這項研究為提高農(nóng)作物副產(chǎn)品利用率、反芻動物可持續(xù)生產(chǎn)提供了新的認識和潛在的改進策略?？偠灾?，多組學聯(lián)合應(yīng)用分析可以得到更加豐富的數(shù)據(jù)，對宿主整體變化進行綜合分析，獲得更加可靠的結(jié)果，是動物營養(yǎng)科學理論和技術(shù)體系創(chuàng)新和發(fā)展的新趨勢。

3 奶牛瘤胃微生物與機體健康的互作關(guān)系

瘤胃微生物群落對于反芻動物的健康和實際生產(chǎn)具有重要意義，但是，這種復雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)一旦失調(diào)，會對宿主造成嚴重的后果[35]。組學技術(shù)不僅在瘤胃微生物組成和數(shù)量的測定中運用廣泛，在疾病的預(yù)防和治療方面也有著顯著的優(yōu)勢。

3.1 瘤胃酸中毒

瘤胃酸中毒（SARA）是奶牛生產(chǎn)中常見的健康問題，這種疾病是由高淀粉飼料的增加引起的。據(jù)報道，當瘤胃微生物群落在短時間內(nèi)暴露于大量高度發(fā)酵的底物時，VFA的產(chǎn)生速率將超過VFA的吸收速率，此時VFA在瘤胃中積聚并顯著降低瘤胃pH值，導致瘤胃酸中毒[36]。Plaizier等[37]建立了2 種瘤胃酸中毒的營養(yǎng)模型，并使用16s rRNA基因高通量測序技術(shù)測定了SARA對荷斯坦牛瘤胃微生物的影響，結(jié)果兩種模型都降低了瘤胃中細菌的豐度和多樣性。其中，擬桿菌門、SR1細菌的豐度顯著降低，而厚壁菌門的豐度顯著上升，證明在SARA條件下，瘤胃菌群發(fā)生了顯著的變化。值得注意的是，厚壁菌門和擬桿菌門的比例與飼料效率、產(chǎn)奶量和乳脂產(chǎn)量密切相關(guān)，表明SARA對奶牛的生產(chǎn)性能有著重要的影響。先前的研究表明[38]，低pH值的瘤胃環(huán)境一方面導致瘤胃內(nèi)微生物紊亂，如革蘭氏陰性菌大量死亡溶解；另一方面則會損傷瘤胃上皮，導致游離脂多糖（LPS）等有害物質(zhì)入血，機體發(fā)生系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)。Li等[39]飼喂1～16 周齡犢牛高淀粉飼料來誘導瘤胃酸中毒，在17 周齡時收集犢牛的瘤胃上皮組織并對微生物群落進行轉(zhuǎn)錄組分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗組中有14 個屬的豐度顯著高于對照組，其中歐氏菌屬和脫硫弧菌顯示出4 倍的增加。此外，與細胞信號和形態(tài)發(fā)生等生物途徑相關(guān)的差異表達基因在試驗組中顯著富集，證明瘤胃微生物主要通過影響肌動蛋白細胞骨架改變瘤胃上皮的結(jié)構(gòu)。此時，試驗組犢牛瘤胃上皮發(fā)生潰瘍，各種機會致病菌如壞死梭形桿菌（F.necrophorum）通過瘤胃上皮進入血液，繼而引起乳腺炎等全身炎癥反應(yīng)。綜上所述，瘤胃酸中毒對瘤胃微生物的組成和功能有著顯著的影響，通過多組學技術(shù)測定生物標志物進行瘤胃酸中毒的早期預(yù)測對于調(diào)整飼糧結(jié)構(gòu)，提高奶牛的生產(chǎn)效率具有重要的意義。

3.2 乳腺炎

奶牛乳腺炎是由多種微生物（細菌、真菌和病毒等）引起的一種乳腺疾病，當大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等細菌侵染奶牛乳腺組織并引發(fā)乳腺炎時，乳腺組織中的細胞發(fā)生凋亡，繼而引起機體的炎癥反應(yīng)。多項研究表明[40～42]，在奶牛的乳房內(nèi)注射LPS可引起乳腺炎的臨床癥狀，作為疾病發(fā)生模型。Johnzon等[40]對LPS誘導的乳腺炎奶牛進行代謝組學分析，結(jié)果顯示，奶牛血漿中的乳糖迅速增加，而酮體（3-羥基丁酸酯和乙酰乙酸酯）、短鏈脂肪酸、檸檬酸鹽顯著減少。因此，乳腺炎會導致奶牛乳腺上皮細胞緊密連接的破壞，肝臟功能受損，并且抑制瘤胃內(nèi)短鏈脂肪酸的產(chǎn)生。此外，有研究表明，當奶牛發(fā)生SARA后，乳汁和瘤胃液的菌群結(jié)構(gòu)變得更加相近，主要表現(xiàn)為寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas）豐度的顯著升高，可以推測乳腺炎和瘤胃微生物的穩(wěn)態(tài)有著密切的聯(lián)系[43]。值的一提的是，SARA在增加奶牛血乳屏障滲透性的同時降低了乳腺組織清除病原體的能力，加速了乳腺炎的發(fā)生[44]。為探究SARA對乳腺炎的影響，Aditya等[42]分別在健康奶牛和SARA奶牛的乳房中注射LPS，誘導乳腺炎的發(fā)生。經(jīng)代謝組學分析，與健康牛相比，SARA奶牛注射了LPS之后，血清中乳酸濃度增加，β-羥基丁酸（BHBA）的濃度降低，證明SARA奶牛肝臟功能受損。此外，血清中幾種急性期蛋白（APP）明顯增加，表明在受到急性外源性免疫原刺激時，SARA奶牛乳腺炎癥的消退比健康奶牛延緩。因此，瘤胃微生物群的穩(wěn)態(tài)不僅與瘤胃健康有直接關(guān)系，對宿主整體生理狀況也有著重要影響。

3.3 其他

子宮內(nèi)膜炎是奶牛常見的產(chǎn)后疾病，最常發(fā)生在產(chǎn)后2 周內(nèi)，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌是奶牛子宮內(nèi)膜炎中常見的致病細菌[45]。除了產(chǎn)后易患子宮內(nèi)膜炎，高精料飼喂導致的瘤胃微生物紊亂也會引發(fā)子宮內(nèi)膜炎。Bilal等[46]的研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛發(fā)生SARA后LPS進入血液，奶牛子宮內(nèi)核轉(zhuǎn)錄因子和促炎細胞因子的mRNA表達量豐度隨之升高，NF-κB-p65及其活性磷酸化變異體蛋白表達增加，證實來自瘤胃的LPS會引發(fā)子宮炎癥相關(guān)基因的表達，導致奶牛子宮內(nèi)膜炎的發(fā)生。為進一步確定子宮內(nèi)膜炎的發(fā)生，Miller等[47]通過蛋白組學對患有子宮內(nèi)膜炎的奶牛進行檢測，結(jié)果顯示補體蛋白、分泌性磷蛋白24（Spp-24）、人血清淀粉樣蛋白P（SAP）等蛋白在患病時顯著上升，并將免疫球蛋白M樣蛋白G5E513等作為子宮內(nèi)膜炎的潛在生物標志物。因此，組學技術(shù)在疾病診斷和預(yù)防中具有顯著的作用。

類似的，肝膿腫通常繼發(fā)于瘤胃酸中毒。據(jù)報道，壞死梭桿菌是瘤胃中一種常見的革蘭氏陰性菌，以乳酸為主要反應(yīng)底物，在飼喂高谷物飼糧后，乳酸在奶牛瘤胃中的含量增加，此時壞死梭桿菌的數(shù)量也會隨之升高，而壞死梭桿菌的血凝素、脂多糖和白細胞毒素是誘導肝實質(zhì)膿腫形成的三大因素[48]。因此，當瘤胃上皮被破壞時，壞死梭桿菌從瘤胃壁內(nèi)分離，使得淋巴細胞數(shù)量顯著減少，繼而導致肝膿腫的發(fā)生。此外，壞死性梭桿菌的內(nèi)毒素和白細胞毒素被認為是突破宿主防御機制引起蹄病感染最重要的因素[49]。當奶牛感染腐蹄病時，患病奶牛趾間皮膚壞死，鄭三家[50]通過代謝組學和蛋白組學對腐蹄病奶牛進行生物學檢測，結(jié)果表明在患腐蹄病時，甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝，甘油脂代謝、糖酵解或糖異生通路等代謝途徑受到顯著影響，機體代謝紊亂，抗氧化應(yīng)激能力降低。此外，參與機體炎癥反應(yīng)和免疫應(yīng)答的差異表達蛋白如免疫球蛋白、纖維蛋白原和結(jié)合珠蛋白等顯著上升，繼而引發(fā)全身性疾病，導致重大經(jīng)濟損失。綜上所述，瘤胃微生物組成和數(shù)量對于維持宿主機體的穩(wěn)態(tài)具有至關(guān)重要的意義。

4 小結(jié)

奶牛作為一種重要的經(jīng)濟動物，能將低成本的飼料轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的動物蛋白，這主要歸功于瘤胃微生物的發(fā)酵作用。瘤胃微生物一旦失衡，不僅會降低奶牛的生產(chǎn)性能，還會引發(fā)瘤胃酸中毒、乳腺炎等一系列疾病。組學作為新興的生物技術(shù)，可以通過測定奶牛的瘤胃微生物組成、功能性基因、代謝途徑及產(chǎn)物等方式，及時調(diào)整奶牛的飼養(yǎng)環(huán)境和飲食結(jié)構(gòu)，達到提高生產(chǎn)性能、預(yù)防疾病的目的。此外，組學可以更加直觀準確地體現(xiàn)新型飼料添加劑的實際使用效果，為綠色健康的養(yǎng)殖模式提供了更加廣闊的思路。