赫里福德肉牛瘤胃微生物组对饲料效率和甲烷排放特性的预测能力及其中介效应

　　宿主基因组与瘤胃微生物组对肉牛残余饲料摄入（RFI）、干物质摄入（DMI）、体重（BW）和甲烷产量（MY）的影响机制及预测模型研究。通过结构方程模型分析发现，基因组模型（G）对RFI的遗传控制（0.22）和微生物组模型（M）对MY的微生物可塑性（0.16）贡献较低，而结合基因组与微生物组信息（GM）能显著提升体重预测能力（Pearson相关系数从0.48增至0.52）。中介效应分析表明，部分微生物（如UBA2804属）通过遗传控制（平均0.07）和直接效应（λ=0.21±0.04）影响宿主性状，其中高遗传控制微生物（h2m≥0.10）占比达20%-32%，提示微生物组可能成为营养干预和分子育种的新靶点。

　　
### 安格斯牛饲料效率与甲烷排放的基因组及微生物组分析解读

#### 研究背景与目标
饲料效率（以残差饲料摄入量RFI衡量）和甲烷排放（MY）是牛肉生产中亟待优化的可持续性指标。传统方法通过现场测量评估这些性状，但存在成本高、耗时长的问题。近年来，基因组学和微生物组学为性状预测和选育提供了新工具。本研究旨在：1）估算RFI、DMI、BW和MY的遗传力及微生物可塑性；2）比较仅基因组模型、仅微生物模型及两者联合模型的预测能力；3）评估微生物组的中介效应。

#### 研究设计
**样本与数据**：研究纳入537头安格斯牛，包含345头育成公牛和192头育成公牛，均完成四次饲料效率试验。数据涵盖RFI（饲料效率）、DMI（干物质摄入量）、BW（体重）和MY（甲烷排放）等指标，基因组数据为10万SNP芯片，微生物组数据通过酶切简化代表测序（ER-RRS）获取，涵盖1,536个扩增子序列变异（ASV）。

**实验方法**：
1. **遗传力计算**：使用基因组模型（G）评估经典遗传力（h2），微生物组模型（M）评估微生物可塑性（m2），联合模型（GM）计算直接遗传力（h2_d）和微生物可塑性（m2）。
2. **预测能力评估**：采用10折交叉验证，计算Pearson相关系数（CORR）和均方误差预测值（MSEP）。
3. **中介效应分析**：通过递归结构方程模型（SEM），评估微生物组在遗传效应与表型间的中介作用，重点关注微生物丰度与性状的相关性。

#### 关键发现
1. **遗传与微生物组贡献度**：
- **遗传力（h2）**：RFI（0.18）、DMI（0.36）、BW（0.36）、MY（0.33）。
- **微生物可塑性（m2）**：RFI（0.16）、DMI（0.22）、BW（0.32）、MY（0.16）。
- **直接遗传力（h2_d）**：在联合模型中，所有性状的直接遗传力均低于单独基因组模型，表明微生物组可能部分中介了遗传效应。

2. **模型预测性能**：
- **BW预测**：联合模型（GM）的CORR（0.52）显著高于单独基因组模型（0.48），MSEP降低12.4%。
- **其他性状**：RFI、DMI和MY的CORR在GM模型中仅小幅提升（0.14-0.15 vs. 0.15-0.16），MSEP无明显变化。
- **模型选择**：联合模型（GM）的Deviance信息准则（DIC）最低，表明其更优拟合。

3. **微生物组的中介效应**：
- **显著ASV**：共识别365个显著影响RFI、339个影响DMI、485个影响BW的ASV，主要集中于 Succinivibrionaceae、Lachnospiraceae等菌科。
- **遗传协方差**：约20%的ASV显示与宿主遗传相关的协方差（σ_a,PM），其中126个（占BW显著ASV的26%）存在与表型相反的协方差，可能通过拮抗机制抵消遗传效应。

#### 结果解释
1. **BW预测提升的机制**：
- 微生物组（如UBA2804属）与宿主遗传共同作用，可能通过调节能量代谢途径影响体重增长。例如，产丁酸菌（Succinivibrionaceae）丰度增加可促进纤维分解，提高能量利用率。

2. **RFI预测下降的可能原因**：
- 微生物组与宿主遗传存在拮抗效应：部分ASV（如Group 4）虽遗传力较高（>0.10），但其与RFI的因果效应（λ）与遗传协方差（σ_a,PM）符号相反，导致总遗传力下降（从0.22降至0.18）。
- 环境干扰：试验中未控制饲养环境与微生物组的共变，可能影响结果准确性。

3. **微生物组作为生物标志物**：
- 32%的BW相关ASV具有中等至高遗传力（>0.10），且与宿主遗传协方差方向一致，提示可能通过遗传途径稳定传递。
- 20%的ASV遗传力低于0.10，但仍对表型有显著影响（如RFI中1个ASV与Limivicinus属相关），可作为营养干预的靶向微生物。

#### 理论意义与实践价值
1. **理论突破**：
- 首次在安格斯牛中验证微生物组的中介效应，证实约30%的遗传变异通过微生物组影响表型。
- 揭示微生物组与宿主基因的拮抗关系（Group 4占比达26%），为宿主-微生物互作研究提供新视角。

2. **应用方向**：
- **选育策略**：筛选具有高遗传力（h2>0.10）且与宿主遗传协方差同向的ASV（Group 3），可能通过选育宿主遗传背景间接优化微生物组成。
- **精准营养**：针对Group 4 ASV（如反刍动物中特定甲烷菌丰度），开发靶向饲料添加剂（如抑制产甲烷菌的纤维酶抑制剂）。
- **模型优化**：引入工具变量（IV）缓解环境共变问题，提升模型预测稳定性。

#### 局限与未来方向
1. **局限性**：
- 样本量限制（n=537）可能导致假阳性（如RFI中84个ASV被错误分类为显著）。
- 未考虑宿主表观遗传或微生物互作网络的影响，模型假设环境共变仅存在于宿主基因与微生物组间。

2. **未来研究**：
- **纵向研究**：追踪同一牛群从出生到育肥的微生物组动态，结合基因组数据建立全生命周期模型。
- **多组学整合**：纳入转录组（评估宿主肠道基因表达）和代谢组（量化发酵产物）数据，完善微生物组功能解析。
- **计算模型优化**：开发基于工具变量的递归SEM，解决环境共变未知的假设限制。

#### 结论
本研究证实微生物组在安格斯牛的饲料效率与甲烷排放中起关键中介作用，尤其对体重增长预测的提升具有实践意义。尽管RFI和MY的预测增益有限，但识别出部分高遗传力且稳定显著的ASV（如Group 3中UBA2804属），为后续开发微生物组生物标志物或选育靶点提供了理论基础。未来需结合更大样本和更精细组学数据，推动从基础研究到产业应用的转化。