近日，西北农林科技大学动物科技学院姚军虎教授团队研究论文“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”在线发表于国际学术期刊《Microbiome》。本研究将瘤胃微生物群的组成、功能和代谢变化与宿主SNP变异相结合，揭示了奶牛如何主动塑造和选择瘤胃微生物群来调节泌乳性能。
牛奶是一种国民高品质生活不可或缺的优质动物食品，提升产奶效率以及牛奶的产量和品质是奶牛饲养业中的关键技术需求。同时，增加奶牛的产奶效率也将减少养牛业的甲烷排放。此背景下，宿主遗传学和瘤胃微生物作为影响泌乳性能这一复杂性状的重要因素受到了广泛的研究。然而，受宿主遗传学影响且高度遗传的瘤胃微生物群组成、功能和代谢特征的系统研究仍很缺乏，同时，这些高度遗传的瘤胃微生物亚群对奶牛泌乳性能的影响尚不清楚。这不仅限制了奶牛瘤胃微生物的营养调控研究及应用，同时也阻碍了奶牛生产性能的选育进程。
图1 瘤胃高遗传力微生物群代谢与功能特征
为此，研究团队共收集了相同饲养管理条件下304头荷斯坦奶牛的血液，瘤胃液样本，分别进行瘤胃微生物宏基因组，瘤胃代谢组和宿主全基因组重测序，并测定和收集了对应的生产性能数据（包括产奶量、乳脂、乳糖、乳蛋白以及瘤胃挥发性脂肪酸）。利用microbiome-GWAS，metabolome-GWAS以及MWAS的技术手段整合以上数据，结果发现：（1）奶牛瘤胃微生物群落中的高遗传力子集，其丙酸生成酶基因丰富而乙酸生成酶基因较少，进而降低瘤胃乙丙比并提高能量校正乳产量；（2）奶牛血液中SLC30A9基因（Zn2+转运载体基因）的SNP变异参与调控瘤胃液中的普雷沃氏菌属分泌低聚糖降解酶；血液5s_rRNA基因的SNP变异参与调控假丁酸弧菌属的亚油酸代谢，进而影响泌乳性能。
图2 奶牛泌乳性能和瘤胃微生物组成、功能以及代谢共定位SNP位点
这些发现通过瘤胃微生物群作为介导将奶牛营养与遗传建立起联系，为改善奶牛能量利用率提供了理论依据和可选方案。
学院博士研究生张晨光为论文第一作者，学院姚军虎教授、武圣儒副教授和贝尔法斯特女王大学生物科学学院全球粮食安全研究所Sharon A. Huws教授（英国）为共同通讯作者。
本研究得到了国家自然科学基金（32272829）的资助。