导语 Origingene
围产期（分娩前后3周）是奶牛养殖的关键阶段，也是奶牛容易患各种疾病的时期。氧化应激（OS）是产后奶牛最常出现的病理过程，并导致奶牛易患多种产后疾病，如酮病、脂肪肝和乳腺炎。因此，减轻产后OS对维持奶牛健康和泌乳性能具有重要意义。OS与功能失调的肠道微生物组密切相关。然而，肠道微生物群对全身OS的影响程度和潜在机制仍不清楚。近期，《Microbiome》发表了一篇题为“The hindgut microbiome contributes to host oxidative stress in postpartum dairy cows by affecting glutathione synthesis process”的文章探究了肠道微生物群对全身OS影响的机制。
文章信息 Origingene
文献标题：The hindgut microbiome contributes to host oxidative stress in postpartum dairy cows by affecting glutathione synthesis process
发表期刊：Microbiome
影响因子：15.5 (Q1)
发表时间：2023.04.22
研究思路 Origingene
研究结果Origingene
1. 粪便微生物群与产后氧化应激之间的联系
选择63头产后7天的健康中国荷斯坦奶牛采集血液和51头采集粪便样本（图1A）。产后奶牛血浆氧化应激指数OSI值为0.0008~2.3，平均值为0.66（图1B）。16S测序在门的水平上共鉴定出9个门，优势菌门为厚壁菌门（37.7% ± 5.23%）、拟杆菌门（15.6% ± 3.14%）和螺旋体门（1.73 ± 2.52%）。优势细菌属为未分类的瘤胃球菌科（17.2 ± 3.33%）、未分类的拟杆菌门（10.9 ± 2.50%）、厚壁菌门（9.60 ± 1.74%）、双歧杆菌属（1.90 ± 3.39%）和密螺旋体属（1.70 ± 2.52%）（图1C）。通过LMM分析，43.1%的OSI变异可以用属水平的肠道微生物组成来解释。
图1产后奶牛氧化应激及粪便微生物组成概况
为了进一步研究肠道微生物群对宿主产后系统性疾病的直接影响，选取HOS和LOS的奶牛进行比较，HOS奶牛的OSI值显著高于LOS奶牛（P < 0.01），而两组奶牛的血浆参数除GSH-px外无显著性差异。此外，通过口服管饲法将来自HOS和LOS奶牛的粪便微生物群移植到经抗生素处理的小鼠体内，成功地构建了FHOS（移植HOS奶牛粪便微生物的小鼠）和FLOS（移植LOS奶牛粪便微生物的小鼠）两组小鼠模型（图1D）。结果显示，FHOS组TOS浓度显著高于CON组（P=0.01），且有高于FLOS组的趋势（P=0.06，图1E）。FLOS组与FHOS组之间TAOC值无显著差异，但FLOS组与FHOS组TAOC值显著高于CON组（P < 0.01）。值得注意的是，FHOS组的OSI显著高于CON（P=0.02）和FLOS（P<0.01）组。同时测定血浆谷胱甘肽浓度。GSH浓度在FHOS组最低，且与FLOS组有显著差异（P = 0.03）。FHOS组SOD浓度高于CON和FLOS组（P<0.01）；而FHOS组CAT含量极显著降低（P<0.01）。此外，FHOS组小鼠的MDA浓度最高，且FHOS组显著高于FLOS组（P = 0.047）（图E）。
2. HOS和LOS奶牛之间不同的微生物组成
两组粪便微生物组的Chao1和Shannon指数无显著差异（图2A）。然而，基于Bray-Curtis的主坐标分析显示，在属水平上，两组之间的微生物组成差异明显（图2B）。LOS奶牛和HOS奶牛的细菌类群组成在门和属水平上相似，但在主要门和属的相对丰度上存在差异（图2C, D）。HOS奶牛和LOS奶牛主要具有两个共生网络，分布在8个门（Firmicutes、Bacteroidetes、Proteobacteria、Actinobacteria、Tenericutes、Verrucomicrobia、Spirochaetes和candiatus_saccharibacteria）中（图2E）。
图2根据16S rRNA基因测序数据，高氧(HOS)和低氧化应激(LOS)奶牛粪便微生物组的差异
肠道粪便宏基因组由90.0%的细菌、0.679%的古细菌、0.367%的病毒、0.0236%的真核生物和8.9304%的未分类细菌组成。共鉴定出1596种：891种细菌，120种古细菌，231种病毒，178种真核生物和176种未分类的物种。除Prevotellamassilia属、Cellulosilyticum属和Alloprevotella属外，HOS奶牛的上述分类群丰度均显著降低（图3A）。LEfSe分析发现，两组之间有17个和19个细菌属和菌种存在显著差异（P < 0.05, LDA > 2）（图3A和B）。相关分析结果显示，这些属、种大多与血浆OSI呈显著负相关（图3C）。
图3基于宏基因组测序数据的高(HOS)和低氧化应激(LOS)奶牛肠道微生物群在物种水平上的差异
3.宏基因组和代谢组功能分析显示，HOS奶牛肠道GSH合成较低
为了探讨HOS奶牛和LOS奶牛粪便微生物群的功能差异，利用宏基因组数据进行了KEGG富集分析。共鉴定了133种通路，其中具有显著差异的KEGG通路示于图4A中，大多数差异通路与氮代谢，特别是氨基酸代谢有关。氮代谢（P = 0.05）、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢（P = 0.07）、精氨酸和脯氨酸代谢（P < 0.01）、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢（P < 0.03）以及半胱氨酸和蛋氨酸代谢（P = 0.04）均降低（图4A）。对HOS和LOS奶牛进行了粪便代谢组学分析。偏最小二乘判别分析的结果显示HOS和LOS奶牛之间的代谢组存在不同簇（图4B）。总共检测并定量了粪便中的1182种化合物，并鉴定了58种差异代谢物，具体而言，在HOS组中，39种代谢物的丰度显著低于LOS组，而19种代谢物的丰度显著高于LOS组（图4C）。此外，鉴定了代谢物的来源，并发现23种代谢物来自宿主，85种代谢物来自微生物群，198种代谢物来自宿主-微生物群共代谢，以及876种代谢物来自其他，包括药物（128），食物（348），环境（9）和未知（391）（图4D）。根据属于宿主、细菌和两者的不同类别的代谢物进行代谢途径富集分析。共鉴定出55条通路，其中43条来自共代谢，11条来自微生物群，1条来自宿主（图4E）。结果表明，D-丙氨酸代谢（P = 0.009）、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢（P = 0.0189）途径，富集在微生物群或共代谢，且在HOS和LOS奶牛之间存在显著差异。
图4高氧化应激(HOS)和低氧化应激(LOS)奶牛粪便微生物群KEGG功能差异
与前文结果一致，相关性分析表明，不同属和种之间的显著差异与这些途径密切相关（图5A）。尤其是对于D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢、半胱氨酸和甲硫氨酸代谢以及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢，所有这些途径都参与GSH合成（图5B）。此外，参与上述KEGG途径的主要酶和KO条目在HOS和LOS奶牛之间也显著不同（图5B）。通过整合两组之间的变化，包括微生物代谢物丰度和相关代谢途径的变化，结果表明，HOS奶牛肠道中粪便微生物GSH合成低于LOS奶牛。
图5显著差异微生物、微生物功能和代谢物的整合分析
研究总结Origingene
该研究结果表明，粪便微生物群与奶牛产后OS密切相关，因为OS奶牛中微生物组成、功能和代谢物均与正常奶牛不同。关键的微生物分类群包括瘤胃球菌科细菌，如Negativibacillus、Marasmitruncus和Butyricicoccus。由粪便微生物群诱导的低GSH在围产期奶牛中较高的产后OS中发挥重要作用，并且可以归因于微生物氨基酸代谢模式的改变（例如，谷氨酰胺、谷氨酸、甘氨酸和半胱氨酸代谢）。根据本实验的研究结果，有针对性的对粪便微生物群和GSH合成相关的氨基酸代谢进行调控，有望为缓解产后OS和改善围产期奶牛的福利和健康提供独特的见解。
参考文献
Gu F, Zhu S, Hou J, Tang Y, Liu JX, Xu Q, Sun HZ. The hindgut microbiome contributes to host oxidative stress in postpartum dairy cows by affecting glutathione synthesis process. Microbiome. 2023 Apr 22;11(1):87. doi: 10.1186/s40168-023-01535-9. PMID: 37087457; PMCID: PMC10122372.
