科研 | Science advance：瘤胃核心微生物群的一个可遗传的子集决定了奶牛的生产效率和排放
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为了解析反刍动物作为宿主对瘤胃菌群的影响程度，并确定决定生产效率和甲烷排放的主要瘤胃菌群，本研究在四个欧洲国家（英国、意大利、瑞典和芬兰）针对1000头奶牛进行了研究，鉴定了512种核心瘤胃微生物组，这些微生物在系统发育关系上相近且在丰度上存在相对保守的层次结构。同时本研究鉴定出39个可遗传的核心微生物子集，在微生物之间的共线性网络中处于中心位置。研究结果表明通过核心微生物组成，尤其是可遗传的核心微生物子集，可以预测宿主表型，为可持续和环境友好型农业发展提供参考。
论文ID
原名：A heritable subset of the core rumen microbiome dictates dairy cow productivity and emissions
译名：瘤胃核心菌群的一个可遗传子集决定了奶牛的生产效率和排放
期刊：SCIENCE ADVANCES
IF：12.804
发表时间：2019年7月
通信作者：R. John Wallace & Itzhak Mizrahi
通信作者单位：英国阿伯丁大学和本·古里安大学
实验设计
本研究对象为1016头动物，其中816头荷斯坦奶牛分别来自两个英国农场（文中记为UK1、UK2）和三个意大利农场（IT1、IT2、TI3），200头北欧红奶牛分别来自于瑞典和芬兰的农场（FI1、SE1）。荷斯坦奶牛喂食玉米青贮饲料，而北欧红奶牛喂食营养相一致的青贮饲料。利用SNPs对奶牛进行了分型，并同时统计他们的产奶量及其成分，采食量以及消化率，血浆成分，甲烷和二氧化碳排放量，通过ss rRNA基因分析瘤胃微生物组成。通过分布频率鉴定核心微生物，通过可遗传分析鉴定可遗传的核心微生物子集，通过岭回归和随机森林构建基于微生物组成的宿主表型预测模型。
结果
本研究首先揭示了微生物（细菌、原生生物、真菌、古菌）的种类和丰度，分析了微生物与宿主表型之间的关系，使我们更好地理解微生物与瘤胃代谢、牛奶产量以及血浆代谢特征之间的联系。首先关于微生物与宿主表型之间的关系，该研究进行了假设：（1）在该大容量的样本中，存在多少，有哪些微生物是共有的？（2）如果存在共有微生物，我们需要鉴定其中的核心微生物。（3）核心的和非核心的微生物如何影响表型以及产量？
本研究通过物种注释结果发现了512个OTU（454个原核、12个原生生物、46个真菌）存在于各自农场的至少50%动物样本中（图1A）。这些OTU包括11个目的原核微生物，1个真菌目和2个原生生物目，与之前揭示的核心微生物群落相似。这些核心微生物普遍存在于在荷斯坦奶牛和北欧红奶牛瘤胃中，这个结果非常有价值，因为荷斯坦奶牛在发达国家最受欢迎且高产牛奶，北欧红奶牛是在北欧纬度地区使用的较小品种，这些结果再次证明这些核心微生物在反刍动物中普遍存在。进一步的，这些核心微生物显著的富集在拟杆菌目、螺旋菌目以及WCHB1-41目（图1B）。核心微生物在种类上只有总微生物种类的不到0.25%，但是占据较高的相对丰度（30-60%）（图1C）。所有微生物与核心微生物β多样性存在一种显著的相关性，表明核心成员与微生物群落有着密切的联系（图1D）。这些宿主在地理、品种和饮食上存在差异，但是核心微生物具有存在相对保守的层次结构，各物种丰富度的顺序在不同个体间几乎保持一致（图1E）。基于ss rRNA基因的系统发育距离分析表明核心微生物之间的进化关系要比与非核心微生物近（图1F），表明核心微生物之间可能存在相似的功能特征。虽然瘤胃中包含几百个物种，但是核心物种一般都很少。
图1 瘤胃核心微生物组。A 核心微生物在单个动物中的代表性；B 核心微生物物种分类组成，（i）454个原核核心微生物的系统发育关系，蓝色代表拟杆菌目，褐红色代表梭菌目，灰色代表可遗传核心微生物子集；C 核心微生物在不同农场中所占的相对丰度；D 通过差异矩阵（Bray-Curtis）表征核心微生物与非核心微生物的相关性；E 不同农场中核心微生物一致的层次结构；F 从瘤胃中随机选择的1000个非核心微生物(橙色)与核心微生物(蓝色)的平均成对系统发育距离。
通过典型相关分析（CCA）发现核心微生物与宿主基因型之间存在着显著的相关关系（图2A）。紧接着，本研究对每个品种进行核心微生物的可遗传分析（由于不同的遗传背景排除了UK2），鉴定出39个可以遗传的核心OTU，其中还包含丰度较低的物种。这39个可遗传的核心微生物不仅来自拟杆菌目和梭菌目，而且还包含其他五个细菌门和两个真菌属（Neocallimastix）。这些可遗传的核心OTU表现出明显的遗传力（0.2-0.6，错误发生率(FDR), P < 0.05），与之前小样本容量相比，数量上增加了两倍。另外，基于遗传相似性矩阵（GRM），除一种微生物外，其余所有微生物的遗传力置信区间下限均大于0.1。在北欧红奶牛群体中，只发现三种属于普雷沃氏菌科的细菌微生物属于可遗传的核心微生物。同时我们发现瘤胃中的可遗传核心微生物OTU要比人类高十倍，表明瘤胃功能更依靠微生物。
图2 基于宿主遗传学解释作为微生物相互作用网络中心的可遗传微生物的核心微生物组组成。A 典型相关分析核心微生物与宿主基因型之间的关系；B 基于遗传相关矩阵(GRM)的遗传力分析表明39种微生物与动物基因型显著相关；C 可遗传微生物与非遗传微生物在共现性网络中的平均互作关系数量。
我们对每个农场样本中的微生物进行共线性分析，结果证明可遗传的物种之间的关联性要比非遗传微生物的要高（图2C）。我们进一步研究了核心微生物与表型结果之间的共现网络，结果显示所呈现的关联关系非常复杂（图3A）。与瘤胃代谢和宿主表型相关的微生物涵盖细菌、真菌和原生生物。大部分的核心微生物与瘤胃乙酸和丙酸的浓度相关，较少的微生物与牛奶产量和甲烷排放量相关（相互关系数量分别为204，254，23，7）（图3B），其中与甲烷排放量相关的微生物是Succinovibrionaceae。与整个瘤胃微生物组相比，核心微生物组中的原核成员富含与宿主特征相关的微生物（图3C），证明核心微生物在宿主功能和微生物代谢中起到非常重要和关键的作用。我们基于核心微生物成员来预测瘤胃代谢特征和宿主表型（本研究采用两种算法：岭回归和随机森林，分别使用线性回归和基于决策树的方法），这使我们能够研究预测值与实际值之间的一致性程度(r2)（图3D），结果显示核心微生物群对于食物成分和瘤胃代谢物的高度解释性，在一些农场丙酸盐接近r2 = 0.9。同时在一些农场，对甲烷排放的解释率达到0.4，对于血浆代谢和牛奶成分同样存在一定的解释率，虽然解释率较低（图3D）。另外，我们的实验结果证明基于可遗传的核心微生物的预测模型要比基于宿主基因型和其他核心微生物的预测解释度高。
图3 瘤胃核心微生物组组成与宿主性状有关，并能显著预测寄主性状。A 微生物与宿主性状之间的关联分析；B 大多数特征相关微生物与丙酸和乙酸有关；C 使用Fisher精确检验发现核心微生物中富含与宿主特征相关微生物（相比与非核心微生物）；D 核心微生物组对不同宿主表型的解释度。DML：干物质摄入量；ECM：energy-corrected牛奶；NDF：中性洗涤纤维；DM：干重；BHB：β-羟基丁酸。
讨论
本研究表明，少数由宿主决定的、可遗传的微生物能较好的解释实验变量和宿主表型的变化。基于此，可提出一种基于微生物组的育种/遗传方案，以提高生产效率和减少反刍动物的排放。基于遗传决定因素，可遗传的微生物能够通过选择性的育种程序来优化它们的丰度。另一种方式或许更直接，可以通过改变早期的菌群定植，影响宿主未来的微生物组分和活性。以精确益生菌的方式接种与饲料效率或甲烷排放相关的关键核心物种，可通过补给可遗传的微生物组以优化瘤胃功能。
我们的研究集中在两个奶牛品种上，但结果可能适用于其他反刍动物品种。考虑到日粮在生产中的高度重要性以及瘤胃菌群的影响，应该寻求更合理的喂养方式。在此背景下，与遗传特征及生产指标相关的微生物应能提高生产效率，促使反刍家畜产业更加环保。
结论
本研究以两个品种的奶牛为研究对象，通过1016头奶牛的大样本统计发现了512种核心微生物，主要归属于拟杆菌目、螺旋菌目以及WCHB1-41目，这些核心微生物虽然种类相对于这个瘤胃微生物组来说较少，但是所占丰度较高。本研究鉴定出39个可遗传的核心OTU，包括拟杆菌目、梭菌目、其他五个细菌门、两个真菌属，且在微生物共现性网络中处于中心位置。本研究发现了核心微生物与瘤胃乙酸和丙酸的代谢、牛奶产量和甲烷排放量等表型相关。本研究通过两种计算机算法实现了基于核心微生物预测宿主的多种表型如丙酸、甲烷排放量等，其中基于可遗传的核心微生物的预测结果比其他微生物的解释度高。
评论
本研究在欧洲收集了超高1000头奶牛样本，筛选出512种核心微生物和39种可遗传的核心微生物子集。通过计算机算法实现了对宿主表型的预测，为提高反刍家禽的牛年产量以及降低甲烷排放量提供了以微生物群落为主导的解决策略。
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