渤海黑牛与荷斯坦奶牛瘤胃微生物群落组成及功能比较研究

董沛雨，闫陈雨湄，杨占岗，张淑二，张西锋*

（1.青岛农业大学动物医学院，山东青岛 266109；2.山东无棣华兴渤海黑牛种业股份有限公司，山东滨州 25190；3.山东省畜牧总站，山东济南 250022）

荷斯坦奶牛主要栖息于广袤的草地和湖泊，生活于气候温和、雨量充沛的地势较湿的地方，在中国主要分布于黑龙江、内蒙古、河北、新疆、山东等北方地区，对饲料的质量和种类要求较高，需要提供营养均衡、适口性好的饲料，以满足其生长发育和产奶的需求，繁殖力较低，极少产双胎[1]。

渤海黑牛是一种具有独特特点和优势的牛品种，其经济价值也非常高。渤海黑牛具有耐粗饲、适应性强、产肉和役用能力较好等品种优势，这些优势使得渤海黑牛能够在各种环境下生存和繁殖，为农业生产提供稳定且高质量的役用和肉用资源。渤海黑牛的肉质细嫩，呈大理石状，营养丰富，深受消费者喜爱[2]。因此，在市场上具有较高的竞争力，能够带来较高的经济效益。

瘤胃微生物是牛体内的重要组成部分，在牛的瘤胃中，存在着大量的微生物，包括有益菌和有害菌，这些微生物与牛的健康和养殖效益密切相关[3]。瘤胃微生物对牛的营养吸收和消化有着重要作用。牛的瘤胃中的微生物帮助分解纤维素、半纤维素、木质素等粗纤维，为牛提供营养[4]。同时，这些微生物还参与分解牛代谢过程中产生的毒素，保持牛机体健康。瘤胃微生物群落的平衡与牛的免疫力密切相关，当瘤胃微生物群落失衡时，可能会导致腹泻、感染等问题，影响牛的健康和生长[5]。本研究通过16S rDNA 测序的生物信息学分析渤海黑牛与荷斯坦奶牛瘤胃微生物组成的异同，挖掘渤海黑牛瘤胃菌群的典型特征。

1 数据与方法

1.1 数据来源

本研究中使用的数据集来自于国家生物技术信息中心（NCBI），BioProject：PRJNA489133。

1.2 16S rDNA 生物信息学分析

2 结果

2.1 瘤胃菌群的群落组成

在门水平上，渤海黑牛的优势菌为Bacteroidota 和Firmicutes，荷斯坦奶牛的优势菌为Bacteroidota，Firmicutes，Proteobacteria（图1A）。在科水平上，渤海黑牛的Oscillospiraceae，Rikenellaceae，Ruminococcaceae，Christensenellaceae更加丰富，而荷斯坦奶牛具有高丰富度的Succinivibrionaceae（图1B）。在属水平上，渤海黑牛的 Christensenellaceae_R_7_group，NK4A214_group，Rikenellaceae_RC9_gut_group，Ruminococcus 更加丰富，值得注意的是渤海黑牛中未检测到Succinivibrionaceae_UCG_001（图1C）。Rarefaction curve 分析表明渤海黑牛物种的丰富程度更高（图1D）。

图1 渤海黑牛和荷斯坦奶牛瘤胃微生物群的群落组成

2.2 渤海黑牛和荷斯坦奶牛瘤胃菌群α 多样性和β 多样性

Chao1，Observed 和ACE 指数表明渤海黑牛瘤胃群落物种更丰富（图2A，D，E），Shannon和Simpson 指数表明渤海黑牛群落多样性更高（图2B，C），基于Bray-Curtis 距离的主坐标分析（PCoA）显示，渤海黑牛和荷斯坦奶牛细菌群落的β 多样性存在差异（图2F）。

图2 渤海黑牛和荷斯坦奶牛菌群α 多样和β 指数

2.3 瘤胃菌群相关性

Spearman 等级相关性（P ＜0.05，R＞0.6）分析渤海黑牛和荷斯坦奶牛科水平上瘤胃微生物之间的相互作用关系，笔者发现Succinivibrionaceae，Spirochaetaceae，Veillonellaceae，Gastranaerophilales 在荷斯坦奶牛瘤胃中起重要调控作用，渤海黑牛有着更复杂的瘤胃微生物调控网络，发现 Methanobacteriaceae，Christensenellaceae，Oscillospiraceae，Erysipelatoclostridiaceae，Marinilabiliaceae，Anaerolineaceae 均是重要的调控瘤胃环境稳定的微生物（图3A，B）。

图3 渤海黑牛和荷斯坦奶牛瘤胃微生物网络的交互关系

2.4 瘤胃标志微生物

机器学习方法识别重要特征或潜在生物标志物，线性判别分析效应大小（LEfSe）和随机森林分析展示了渤海黑牛和荷斯坦奶牛属水平上前15 的标志微生物（图4A，B）。使用聚类热图将共同识别的标志性物种展示丰度表达。发现SP3_e08，Papillibacter，Christensenellaceae_R_7_group，Ruminococcus 是渤海黑牛瘤胃标志微生物（图4C）。

图4 渤海黑牛和荷斯坦奶牛瘤胃关键差异标志微生物及分布

2.5 瘤胃菌群的功能预测

使用PICRUSt 进一步对16S 测序数据进行挖掘，预测菌群基因可能携带的功能，KO 数据库对菌群的基因功能注释结果，再使用STAMP 对菌群基因功能进行差异分析（图5）。渤海黑牛瘤胃微生物可能有着更高的碳水化合物代谢（Carbohydrate metabolism），氨基酸代谢（Amino acid metabolism），能量代谢（Energy metabolism）水平。荷斯坦奶牛瘤胃微生物在核苷酸代谢（Nucleotide metabolism），脂质代谢（Lipid metabolism），聚糖生物合成和代谢（Glycan biosynthesis and metabolism），辅因子和维生素的代谢（Metabolism of cofactors and vitamins）水平更高。

图5 渤海黑牛和荷斯坦奶牛瘤胃微生物群的功能预测和差异代谢通路

3 讨论

渤海黑牛具有耐粗饲的优点，能够适应不同种类的饲料，对于粗饲料的消化吸收能力较强，而荷斯坦奶牛对于饲料的质量和种类要求较高，需要提供营养均衡、适口性好的饲料。渤海黑牛具有适应性强、耐寒、耐热的优点，能够适应不同的气候条件和环境，而荷斯坦奶牛对于环境的要求较高，需要保持圈舍清洁、干燥、通风良好。渤海黑牛的肉质口感好、役用能力较好，而荷斯坦奶牛则以产奶量高而著称，主要用于奶制品生产。

瘤胃微生物的α 多样性和β 多样性对牛的生理功能和健康状况具有重要影响[7]。瘤胃微生物的α 多样性是指瘤胃中物种丰富度和均匀度的变化，α 多样性较高的瘤胃微生物群落能够提高牛对饲料中营养物质的消化率，从而提高其生产性能，丰富度高的瘤胃微生物群落能够更全面地分解饲料中的纤维，产生更多的短链脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸等，这些短链脂肪酸是牛获取能量的主要来源之一。同时，短链脂肪酸还可以调控瘤胃pH 值，维持瘤胃内环境的稳定，有利于牛的健康。瘤胃微生物的β 多样性也称为群落结构多样性，是指不同物种在群落中的相对丰度。β 多样性较高的瘤胃微生物群落则意味着不同物种在群落中占据平衡，这有助于提升群落的适应性和稳定性，因此，维持一定程度的β 多样性对于牛的生理功能和健康状况至关重要。在本研究中渤海黑牛有着更高的α 多样性，且与荷斯坦奶牛相比β 多样性有着显著差异，所以渤海黑牛有着更健康的瘤胃状态，丰富的微生物群落能够抑制有害菌的生长。

在科水平上，Oscillospiraceae 和 Christensenellaceae 在渤海黑牛中具有高丰富度，并且在瘤胃微生物调节网络中也占据核心地位。同时，Succinivibrionaceae 在荷斯坦奶牛中占据重要比例。Oscillospiraceae 是瘤胃微生物群落的重要组成部分，参与了瘤胃中的发酵过程，将植物纤维分解为更小的碎片，并产生挥发性脂肪酸等有机物质，为牛提供能量。此外，Oscillospiraceae还具有调节瘤胃微生物群落的作用，与其他微生物相互作用，共同维持瘤胃微生物群落的平衡和稳定[8]。Christensenellaceae 在瘤胃中的作用主要是参与分解纤维素等粗纤维，为牛提供营养[9]。瘤胃是反刍动物的重要消化器官，其中的微生物群落帮助动物分解纤维素等难以消化的物质。Succinivibrionaceae 中的一些成员可以产生琥珀酸，这是一种重要的中间代谢产物，可以参与碳水化合物的代谢过程[10]。此外，Succinivibrionaceae 的一些菌种具有益生作用，可以促进瘤胃健康，减少瘤胃疾病的发生。使用机器学习算法分析物种的重要性时，我们发现Papillibacter 和Ruminococcus 是渤海黑牛的标志微生物属。Papillibacter 能够促进瘤胃微生物的发酵，增加挥发性脂肪酸的产生，调节乙酸和丙酸的比例，促进纤维素的消化和降解，并调节瘤胃pH 值。Ruminococcus 对反刍动物有多种益处，包括提供更多的能量来源、调节瘤胃环境、促进微生物生长和发酵、平衡能量代谢等[11]。总的来说，这些微生物在反刍动物的能量代谢、生长性能和健康状况方面具有重要意义。

通过对瘤胃微生物功能预测分析，笔者认为渤海黑牛的瘤胃微生物可能具有更高的碳水化合物代谢、氨基酸代谢和能量代谢水平，这可能使其具有更高的能量代谢效率和更好的蛋白质合成能力，有助于渤海黑牛在生长速度、饲料转化率和肌肉发育方面发挥优势。而荷斯坦奶牛的瘤胃微生物在核苷酸代谢、脂质代谢、聚糖生物合成和代谢以及辅因子和维生素的代谢方面具有更高的水平。这些代谢过程可能与荷斯坦奶牛的乳脂合成、免疫应答和繁殖性能有关。因此，荷斯坦奶牛可能在乳脂含量、免疫力和繁殖性能方面具有优势。

不同饲料对牛瘤胃微生物组成和多样性的影响主要体现在饲料类型、营养成分和纤维含量等方面[12]。粗饲料如干草、秸秆等富含纤维素，而精饲料如玉米、豆粕等则含有较高的糖类和蛋白质，这些饲料成分的不同会对瘤胃微生物的种类和数量产生影响。例如，纤维素分解菌在以粗饲料为主的牛瘤胃中较为丰富，而糖类发酵菌在以精饲料为主的牛瘤胃中较为活跃。环境因素如温度、湿度和季节等也会影响瘤胃微生物的多样性。例如，在高温环境下，动物需要通过增加饮水和排泄来散热，这可能会导致瘤胃pH 值的改变，进而影响瘤胃微生物的多样性。湿度和季节的变化也可能会影响瘤胃微生物的定植和生长，从而影响动物健康和生产性能。综上所述，饲料种类、饲养环境、管理方式等因素也可能对牛瘤胃内的微生物群落结构产生影响。因此，渤海黑牛瘤胃内没有Succinivibrionaceae_UCG-001 可能是由多种因素综合作用的结果。通过深入研究不同饲料和环境因素对牛瘤胃微生物的影响，可以为优化饲养策略、提高动物生产性能和健康状况提供科学依据。

4 结论

瘤胃微生物在反刍动物的营养吸收、生长性能和健康状况方面具有重要作用，因此对瘤胃微生物的研究对于提高动物的养殖效益和人类健康具有重要意义。本研究通过比较渤海黑牛和荷斯坦奶牛的瘤胃微生物组成，揭示了两种牛的瘤胃微生物群落在科水平上的差异和各自的优势，这些发现有助于更好地理解不同品种牛的生理特点和优势，为牛的育种和饲养提供参考。