本研究中心的博士生谢斐在《mSystems》期刊上发表了题为“Metagenomic Sequencing Reveals that High-Grain Feeding Alters the Composition and Metabolism of Cecal Microbiota and Induces Cecal Mucosal Injury in Sheep”的研究论文，谢斐为第一作者，毛胜勇教授为通讯作者。研究得到了江苏省农业科技创新基金（CX(19)1006）和江苏省六大人才高峰项目（NY-050）的资助。
反刍动物能够利用富含纤维的植物生产人类需要的肉和奶等高品质食物，其主要原因与反刍动物独特的复胃结构（瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃）和其中的复杂的微生物菌群（细菌、古菌、真菌、原虫和病毒）结构有关，这些微生物在反刍动物利用植物纤维物质过程中发挥着重要的作用。研究发现，瘤胃微生物能够发酵包括糖、淀粉、纤维素、半纤维素和果胶等生成CO2、甲烷、H2和挥发性脂肪酸；同理，越来越多的证据表明，反刍动物后肠及其共生的微生物群落对动物健康和高效生产也有重要作用。与单胃动物比较，人们对反刍动物后肠微生物的共生关系的认识尚不全面。盲肠是反刍动物后肠的主要发酵部位之一，其能够发酵约17%的可消化纤维素，为反刍动物提供占比约12%的挥发性脂肪酸。与瘤胃相比，盲肠的可发酵底物主要是难以被前胃和小肠消化和吸收的聚合物如木质素和结晶淀粉，以及一些宿主分泌的黏蛋白。由于盲肠缺乏原生动物和唾液的缓冲作用，且不具有与瘤胃相似的上皮结构，因而其在特定条件下难以维持腔内pH，易造成后肠酸中毒。
饲喂高谷物日粮能够提高动物的产奶量和生长性能，但大量易发酵碳水化合物会导致瘤胃pH降低，瘤胃上皮通透性增加，同时改变挥发性脂肪酸组成和微生物发酵过程，最终导致亚急性瘤胃酸中毒（SARA）。SARA是反刍动物生产中的一种严重代谢紊乱疾病。研究报道，在SARA期间，瘤胃环境包括微生物数量和代谢产物发生巨大变化，最终对动物的生产性能产生负面影响。当日粮中精料比例过高时（即过量的可发酵碳水化合物流入后肠），可能会造成后肠酸中毒，即SARA期间瘤胃中发生的变化也同样可能在后肠中发生。然而，在高谷物日粮饲喂过程中，反刍动物盲肠中微生物群落的组成和功能的变化及其与宿主的相互作用尚不清楚。本研究以绵羊为模型，探究了高谷物日粮对反刍动物后肠发酵以及微生物组成和代谢功能的持续性影响。
试验选取体重相近且健康的六月龄湖羊20头，随机分成两个组，对照组饲喂干草，处理组饲喂高谷物日粮（60%的精料）。预饲期和试验期均为28天，对照组于28天屠宰，实验组于7天、14天和28天分别屠宰。采集盲肠内容物，提取微生物基因组，进行16S rRNA和宏基因组测序，采集盲肠黏膜，用于16s rRNA测序，采集盲肠上皮组织进行部分基因的定量以及形态学分析。
图一：盲肠微生物结构与日粮变化间的关系。（A和B）PCoA和Chao 1多样性分析显示了饲喂高谷物日粮前后盲肠内容物和黏膜细菌群落微生物多样性的变化。（C）微生物多样性指数与pH和VFA浓度（乙酸和丁酸）之间的相关性曲线。线性回归系数（***，P < 0.001）。（D）盲肠内容物和黏膜样品中细菌门水平相对丰度变化。（E）高谷物日粮饲喂前后厚壁菌门的优势科（Ruminococcaceae和Lachnospiraceae）组成的变化。字母表示四组显著差异。
图二：盲肠微生物碳氮代谢改变。（A）微生物发酵碳水化合物产生VFA和甲烷的代谢途径。（B）尿素代谢和氨基酸合成途径。在这些途径中，不同基因编码的酶在四组中显著差异，红色（在高谷物日粮动物中增加）和蓝色（在高谷物日粮动物中减少）。路径上没有差异的模块被白色圆圈隐藏。分布条形图展示基因的丰度（TPM）。
结论：在本文中，我们通过研究20头分别饲喂干草和高谷物日粮至7、14和28天的绵羊，描述了盲肠微生物组和宿主上皮基因表达变化之间的联系。这些结果表明，高谷物日粮的饲喂改变了盲肠微生物发酵模式，主要体现在pH值的降低以及乙酸和丁酸浓度的增加。进一步研究发现，微生物组的变化主要以乙酸产生菌（如Blautia spp.和Akkermansia spp.）和丁酸产生菌（如Anaerostipes spp.和Roseburia spp.）为主。此外，饲喂高谷物日粮后盲肠微生物组的核心菌群得以维持，但特定菌群在物种和基因组水平上表现出具有时间依赖性的适应性变化。关联分析表明，高谷物日粮的饲喂导致的盲肠微生物菌群的紊乱与催化丙酮酸转化为乙酰辅酶A的两个关键酶和将尿素水解为氨的脲酶的变化紧密相关。此外，我们还发现盲肠黏膜微生物菌群的紊乱与盲肠上皮炎症反应密切相关。综上所述，本文的结果为进一步理解反刍动物后肠微生物组与宿主的相互作用提供了新的参考。
文章来源：Xie, F., Xu, L., Wang, Y., & Mao, S. (2021). Metagenomic Sequencing Reveals that High-Grain Feeding Alters the Composition and Metabolism of Cecal Microbiota and Induces Cecal Mucosal Injury in Sheep. Msystems, 6(5), e00915-21.
