產后奶牛皺胃左移位(Left displaced abomasum , LDA)對畜牧業造成了巨大的經濟損失。患有LDA的奶牛會經歷過度的脂質動員和胰島素抵抗。這種現象與腸道失調有關，但對腸道菌群在LDA異常代謝過程中發揮的作用知之甚少。

2022年10月，四川農業大學動物醫學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。本研究通過聯合腸道微生物16S rDNA測序和非靶向代謝組學技術，利用多組學數據分析了LDA奶牛腸道微生物及其代謝物與表型之間的相關性，闡明腸道微生物可能通過調節氨基酸組成參與脂肪分解和胰島素抵抗的調控。中科新生命為本研究提供了16s測序和代謝組學的技術支持。
 

 

 研究材料

LDA奶牛（n=10）和健康奶牛（n=10）；血液和糞便樣本

 

 技術路線

 

 研究結果

研究者先通過對健康奶牛和LDA奶牛糞便的16S rDNA測序分析鑒定其腸道微生物多樣性的變化情況。結果表明腸道菌群豐富度因LDA事件而增加，同時LDA組與健康組的糞便微生物群落明顯分離，群落異質性結構顯著。

 

圖1 健康奶牛和LDA奶牛糞便微生物群差異

 

2. LDA對奶牛糞便代謝的影響

研究者對健康奶牛和LDA奶牛糞便進行非靶代謝組分析。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。這些代謝產物分為脂類(37.50%)、核苷和核苷酸(14.58%)、有機酸(10.42%)、有機雜環化合物(20.83%)和苯類(8.33%)。

此外，糞便中鑒定出的20種差異代謝物來自宿主和腸道菌群之間的共同代謝過程。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系

為了確定與LDA相關的代謝產物和腸道微生物群變化之間的相關性，研究者進行了Spearman相關性分析。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的相關性。研究者進一步將前期工作中所獲得血漿代謝物數據與糞便代謝物數據整合分析，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發生期間，奶牛體內微生物產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相關屬和代謝物的關聯

 

4. 組學數據和臨床參數之間的關聯

研究者檢測發現LDA組和健康組之間的臨床標志物存在顯著差異，包括血清中NEFA、BHBA、葡萄糖、胰島素、膽固醇、丙氨酸轉氨酶、總膽紅素、游離鈣、氯和鉀水平等。通過Spearman相關性分析研究腸道菌群、代謝物和臨床標志物之間的關系，研究者觀察到NEFA、BHBA和RQUICKI是與LDA事件相關的關鍵變量，進一步通過多元邏輯回歸與ROC分析發現4-吡哆酸、水楊酸和胞苷可作為LDA特異性生物標志物。
 

圖4 代謝物及腸道微生物群與宿主間的關系

 

5. LDA奶牛血漿氨基酸的改變

研究者通過靶向代謝組學對奶牛血漿氨基酸進行了分析。結果顯示，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。相關性分析顯示，循環總氨基酸水平的降低與微生物豐度的增加呈極顯著負相關，與糞便和血漿中關鍵代謝物4-吡哆酸、胞苷和水楊酸的豐度則呈顯著正相關。

 

圖5 LDA奶牛循環氨基酸的變化

 

6. LDA的代謝途徑和網絡

研究者在糞便樣品中鑒定出3697個KEGG同源物，其中203種在LDA和健康奶牛之間存在豐度差異。通過相關性分析，研究者發現亮氨酸和異亮氨酸的相對豐度與NEFA和BHBA的濃度有很強的相關性，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發生下調。通過構建代謝物-代謝物和代謝物-基因相互作用網絡后進一步發現，腸道微生物產生的酶編碼基因介導了這些生酮關系。

 

圖6 LDA奶牛代謝途徑及網絡

 

 小編小結

本研究利用多組學數據綜合分析了LDA對奶牛腸道菌群、代謝產物和宿主表型的影響。研究結果清楚地表明，LDA奶牛的腸道菌群失調狀態與氨基酸缺乏癥有關。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。此外，研究者還發現了與LDA相關的關鍵代謝產物。本研究為LDA發病機制研究提供了新的思路，也為LDA的預防和治療奠定了理論基礎。

 

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