产后奶牛皱胃左移位(Left displaced abomasum , LDA)对畜牧业造成了巨大的经济损失。患有LDA的奶牛会经历过度的脂质动员和胰岛素抵抗。这种现象与肠道失调有关，但对肠道菌群在LDA异常代谢过程中发挥的作用知之甚少。
2022年10月，四川农业大学动物医学院曹随忠教授与左之才教授课题组在Microbiology Spectrum（IF 9.043）杂志上共同发表题为“Altered Fecal Microbiome and Correlations of the Metabolome with Plasma Metabolites in Dairy Cows with Left Displaced Abomasum”的研究文章。本研究通过联合肠道微生物16S rDNA测序和非靶向代谢组学技术，利用多组学数据分析了LDA奶牛肠道微生物及其代谢物与表型之间的相关性，阐明肠道微生物可能通过调节氨基酸组成参与脂肪分解和胰岛素抵抗的调控。中科新生命为本研究提供了16s测序和代谢组学的技术支持。
研究材料
LDA奶牛（n=10）和健康奶牛（n=10）；血液和粪便样本
技术路线
研究结果
研究者先通过对健康奶牛和LDA奶牛粪便的16S rDNA测序分析鉴定其肠道微生物多样性的变化情况。结果表明肠道菌群丰富度因LDA事件而增加，同时LDA组与健康组的粪便微生物群落明显分离，群落异质性结构显著。
图1 健康奶牛和LDA奶牛粪便微生物群差异
2. LDA对奶牛粪便代谢的影响
研究者对健康奶牛和LDA奶牛粪便进行非靶代谢组分析。在健康组和LDA组之间，共有48种代谢物存在差异，其中20种增加，28种降低。这些代谢产物分为脂类(37.50%)、核苷和核苷酸(14.58%)、有机酸(10.42%)、有机杂环化合物(20.83%)和苯类(8.33%)。
此外，粪便中鉴定出的20种差异代谢物来自宿主和肠道菌群之间的共同代谢过程。KEGG代谢通路分析显示，微生物群之间和与宿主共代谢之间享有两条共同通路：嘌呤代谢和卟啉-叶绿素代谢通路。
图2 健康奶牛和LDA奶牛粪便代谢物差异
3. LDA中代谢物与粪便微生物群的关系
为了确定与LDA相关的代谢产物和肠道微生物群变化之间的相关性，研究者进行了Spearman相关性分析。Akkermansia、Oscillospira和Peptococcaceae rc4-4的丰度与粪便中鉴定出的大部分代谢物具有很强的相关性。研究者进一步将前期工作中所获得血浆代谢物数据与粪便代谢物数据整合分析，在粪便和血浆样本中筛选了8种共同的代谢物。结果显示：与健康奶牛相比，LDA组共代谢的胞苷和4-吡哆酸水平下降。LDA发生期间，奶牛体内微生物产生的水杨酸水平显著降低。LDA组粪便中亚油酸和硬脂酰肉碱含量低于健康组。LDA组血浆亚油酸和硬脂酰肉碱水平显著升高。
图3 LDA相关属和代谢物的关联
4. 组学数据和临床参数之间的关联
研究者检测发现LDA组和健康组之间的临床标志物存在显著差异，包括血清中NEFA、BHBA、葡萄糖、胰岛素、胆固醇、丙氨酸转氨酶、总胆红素、游离钙、氯和钾水平等。通过Spearman相关性分析研究肠道菌群、代谢物和临床标志物之间的关系，研究者观察到NEFA、BHBA和RQUICKI是与LDA事件相关的关键变量，进一步通过多元逻辑回归与ROC分析发现4-吡哆酸、水杨酸和胞苷可作为LDA特异性生物标志物。
图4 代谢物及肠道微生物群与宿主间的关系
5. LDA奶牛血浆氨基酸的改变
研究者通过靶向代谢组学对奶牛血浆氨基酸进行了分析。结果显示，与健康组相比，LDA组血浆总氨基酸水平显著降低；同时LDA组BCAA(包括亮氨酸和异亮氨酸)的丰度显著增加，酪氨酸、色氨酸和组氨酸的丰度显著降低。相关性分析显示，循环总氨基酸水平的降低与微生物丰度的增加呈极显著负相关，与粪便和血浆中关键代谢物4-吡哆酸、胞苷和水杨酸的丰度则呈显著正相关。
图5 LDA奶牛循环氨基酸的变化
6. LDA的代谢途径和网络
研究者在粪便样品中鉴定出3697个KEGG同源物，其中203种在LDA和健康奶牛之间存在丰度差异。通过相关性分析，研究者发现亮氨酸和异亮氨酸的相对丰度与NEFA和BHBA的浓度有很强的相关性，表明LDA事件中生酮氨基酸代谢增加，糖酵解/糖异生和柠檬酸循环发生下调。通过构建代谢物-代谢物和代谢物-基因相互作用网络后进一步发现，肠道微生物产生的酶编码基因介导了这些生酮关系。
图6 LDA奶牛代谢途径及网络
小编小结
本研究利用多组学数据综合分析了LDA对奶牛肠道菌群、代谢产物和宿主表型的影响。研究结果清楚地表明，LDA奶牛的肠道菌群失调状态与氨基酸缺乏症有关。在LDA的背景下，肠道微生物组成的变化与酮生成和葡萄糖代谢密切相关。此外，研究者还发现了与LDA相关的关键代谢产物。本研究为LDA发病机制研究提供了新的思路，也为LDA的预防和治疗奠定了理论基础。
中科优品推荐
中科新生命16S+代谢完整打包产品可以提供多种关联分析结果，多角度、多层次深入的挖掘肠道菌群和代谢物之间的关联性，筛选引起代谢变化的关键菌群。