近日，西北農林科技大學動物科技學院姚軍虎教授團隊研究論文“An integrated microbiome- and metabolome-genome-wide association study reveals the role of heritable ruminal microbial carbohydrate metabolism in lactation performance in Holstein dairy cows”在線發表于國際學術期刊《Microbiome》。本研究將瘤胃微生物群的組成、功能和代謝變化與宿主SNP變異相結合，揭示了奶牛如何主動塑造和選擇瘤胃微生物群來調節泌乳性能。
牛奶是一種國民高品質生活不可或缺的優質動物食品，提升產奶效率以及牛奶的產量和品質是奶牛飼養業中的關鍵技術需求。同時，增加奶牛的產奶效率也將減少養牛業的甲烷排放。此背景下，宿主遺傳學和瘤胃微生物作為影響泌乳性能這一復雜性狀的重要因素受到了廣泛的研究。然而，受宿主遺傳學影響且高度遺傳的瘤胃微生物群組成、功能和代謝特征的系統研究仍很缺乏，同時，這些高度遺傳的瘤胃微生物亞群對奶牛泌乳性能的影響尚不清楚。這不僅限制了奶牛瘤胃微生物的營養調控研究及應用，同時也阻礙了奶牛生產性能的選育進程。
圖1 瘤胃高遺傳力微生物群代謝與功能特征
為此，研究團隊共收集了相同飼養管理條件下304頭荷斯坦奶牛的血液，瘤胃液樣本，分別進行瘤胃微生物宏基因組，瘤胃代謝組和宿主全基因組重測序，并測定和收集了對應的生產性能數據（包括產奶量、乳脂、乳糖、乳蛋白以及瘤胃揮發性脂肪酸）。利用microbiome-GWAS，metabolome-GWAS以及MWAS的技術手段整合以上數據，結果發現：（1）奶牛瘤胃微生物群落中的高遺傳力子集，其丙酸生成酶基因豐富而乙酸生成酶基因較少，進而降低瘤胃乙丙比并提高能量校正乳產量；（2）奶牛血液中SLC30A9基因（Zn2+轉運載體基因）的SNP變異參與調控瘤胃液中的普雷沃氏菌屬分泌低聚糖降解酶；血液5s_rRNA基因的SNP變異參與調控假丁酸弧菌屬的亞油酸代謝，進而影響泌乳性能。
圖2 奶牛泌乳性能和瘤胃微生物組成、功能以及代謝共定位SNP位點
這些發現通過瘤胃微生物群作為介導將奶牛營養與遺傳建立起聯系，為改善奶牛能量利用率提供了理論依據和可選方案。
學院博士研究生張晨光為論文第一作者，學院姚軍虎教授、武圣儒副教授和貝爾法斯特女王大學生物科學學院全球糧食安全研究所Sharon A. Huws教授（英國）為共同通訊作者。
本研究得到了國家自然科學基金（32272829）的資助。