小牛后肠中的核心微生物双歧杆菌通过调节微生物功能和宿主代谢来改善幼年宿主的生长表型

反刍动物，尤其是奶牛，是世界各地广泛饲养的重要牲畜，因为它们产出的牛奶品质高、蛋白质含量高。最近的证据表明，幼年反刍动物的生长性能和健康直接受肠道微生物群的调节，这对它们成年后的生产力有重大影响。这强调了犊牛相关微生物在奶制品生产系统中的重要性。肠道微生物群对营养物质的利用效率很高，特别是能够分解宿主无法消化的植物物质，如纤维素和半纤维素。这一过程会产生挥发性脂肪酸 (VFA) 和微生物蛋白，这些物质可以被宿主重新吸收。此外，肠道微生物群与宿主生理学密切相关，包括肠道上皮发育、乳腺炎、代谢稳态和免疫。因此，彻底研究小牛肠道微生物群有利于制定更合理的饮食制度和改进现有的饲养策略，以进一步提高奶牛的产量。

先前的研究已经探索了不同反刍动物表型与肠道微生物群之间的关系。犊牛通常根据对一个或多个指标的主观评价进行分组，例如生长率、甲烷产量、产奶量和血清指标（例如β-羟基丁酸（BHBA）和总抗氧化能力（T-AOC））。虽然肠道微生物群与反刍动物表型之间的关系已经被研究，但必须注意的是，随着更多因素的加入，准确分组变得越来越具有挑战性。在这种情况下，用于分组的主观判断可能会引入偏差，这可能会对研究结果的可靠性和普遍性产生负面影响。目前，无监督聚类分析是最合适的方法。虽然一些研究表明不同聚类群体中的奶牛之间存在生理差异，但这些群体中犊牛的表型与其肠道微生物组之间的关系仍不清楚。不同表型群体的犊牛肠道微生物群是否存在显著差异？肠道核心微生物能否驱动表型分化？在此过程中哪些微生物代谢功能会受到影响？

利用宏基因组在物种水平上进一步注释细菌，并确定不同表型簇犊牛肠道微生物组中的主要功能途径。与 16s rRNA 基因测序结果一致，物种水平的 PCoA 图显示两个簇之间存在显著距离（P=0.002，R=0.732）。与簇 1 相比，簇 2 中的几种 Bifdo 细菌成员明显更丰富，包括 Bifdo bacterium pseudocatenulatum、Bifdobacterium longum 和 unclassifed_g_Bifdobacterium（P<0.05）。相反，Lachnospiraceae 细菌、Oscillospiraceae 细菌、Clostridia 细菌、Olsenella sp. 和 Ruminococcus sp.在簇1中显示出更高的丰度（P<0.05）。本研究使用Ten, Hungate1000 collection（一个从多种反刍动物肠道中分离和培养的细菌和古细菌物种数据库）进一步深化了我们对菌株水平上微生物分类群鉴定的理解。如图4B所示，B. longum AGR2137、B. adolescentis DSM 20087、B. breve RP2、B. merycicum DSM 6492和B. ruminantium DSM 6489是簇中的优势菌株，有利于淀粉利用和乙酸盐和乳酸的产生。此外，Blautia成员，包括B. sp. SF-50 和 B. wexlerae AGR2146，以及链球菌成员，包括 S. equinus AR3、S. gallolyticus LMG 15572、VTM1R29、VTM2R47、VTM3R24 和 VTM3R42 在簇 2 中含量丰富，能够利用淀粉和蛋白质并产生乳酸。值得注意的是，我们观察到一种产甲烷菌株（Methanobrevibacter wolinii SH）在簇 1 中含量丰富。

宏基因组功能分析表明，簇1和簇2之间存在明显的特征。在KEGG2水平上，我们观察到两个簇之间在氨基酸、能量、维生素和辅助因子相关的代谢功能方面存在显著差异（P<0.05）。在代谢功能方面，LEfSe的结果表明，丙酮酸代谢、甲烷代谢、丁酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、甘油脂代谢和亚油酸代谢的KEGG途径在簇1的犊牛中表现出更高的丰度。对于簇2，氨基酸代谢途径活跃，包括半胱氨酸和蛋氨酸代谢，缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成，苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成，谷胱甘肽代谢以及精氨酸和脯氨酸代谢。此外，淀粉和蔗糖代谢、半乳糖代谢、丙酸代谢途径在簇2中也有类似的主导趋势。我们进一步追踪了8种主要代谢功能的微生物宿主。在簇1中，颤螺菌科细菌、毛螺菌科细菌、梭菌属细菌和拟杆菌目细菌是代谢功能的主要微生物宿主。而在簇2中，长双歧杆菌、假链双歧杆菌、Sharpea azabuensis和未分类的双歧杆菌为优势种，凸显了其在代谢功能中的重要作用。

本研究利用聚类分析，根据 29 个表型指标将犊牛分为两个聚类，即聚类 1 和聚类 2。与聚类 1 相比，聚类 2 中的犊牛表现出更好的生长性能，包括更高的体重 (BW)、平均日增重 (ADG) 和干物质摄入量 (DMI)，以及更好的血清指标，其中总超氧化物歧化酶 (T-SOD)、白细胞介素 6 (IL-6) 和胰岛素样生长因子-1 (IGF-1) 含量较高。采用多组学技术检测不同表型聚类中犊牛的微生物特征。两聚类的肠道微生物组之间存在明显差异，包括微生物多样性和组成。并证实了生长性能、血液代谢物和微生物组之间的密切关系。在聚类 2 中，双歧杆菌成员是微生物代谢功能的主要贡献者，并且丰度更高。此外，涉及碳水化合物降解、糖酵解、丙酸和蛋白质生物合成的途径活跃，而甲烷生成受到抑制。此外，cluster2中后肠抗性基因组的多样性和丰富度低于cluster1。双歧杆菌菌株的分离培养和小鼠实验表明，cluster2中小牛粪中的B. longum 1109能促进幼年宿主的生长，增强其血液免疫和抗氧化能力，促进后肠发育。

参考文献：

Zhuang, Y.; Gao, D.; Jiang, W.; Xu, Y.; Liu, G.; Hou, G.; Chen, T.; Li, S.; Zhang, S.; Liu, S.; Wang, J.; Xiao, J.; Li, M.; Wang, W.; Li, S.; Cao, Z., Core microbe Bifidobacterium in the hindgut of calves improves the growth phenotype of young hosts by regulating microbial functions and host metabolism. Microbiome 2025, 13 (1).