瘤胃微生物功能景观解析揭示Prevotella bryantii通过烟酸代谢调控山羊乳脂合成的机制

　　本研究针对反刍动物乳脂合成调控机制不明的瓶颈问题，通过构建山羊瘤胃微生物基因目录(GRMGC)和5514个宏基因组组装基因组(MAGs)，结合多组学分析发现Prevotella bryantii B14通过合成烟酸(nicotinate)经血液转化为烟酰胺(NAM)，激活乳腺GPR109A-mTORC1信号通路上调SREBP/PPAR-γ转录因子及其下游脂合成基因(ACCα/FASN/SCD1)，首次揭示了瘤胃-血液-乳腺轴的微生物代谢调控乳脂合成新机制，为通过微生物靶向干预提升乳业生产效能提供了创新策略。

　　

随着全球乳制品需求持续增长，畜牧业面临提高生产效率和实现低碳输出的双重挑战。乳脂含量作为衡量乳品质和经济价值的关键指标，其合成调控机制一直是研究重点。山羊因其高乳脂生物利用度和通过微生物介导对外源营养干预更明显的响应特性，成为研究乳脂合成机制的理想模型。然而，目前对遗传、营养和环境因素如何调控乳产量和乳脂百分比的研究仍不充分，特别是"瘤胃-血液-乳腺"轴的核心功能节点和具体代谢调控机制尚不明确。

在此背景下，Lei等人在《Genome Biology》发表了最新研究成果。为系统解析瘤胃微生物功能景观与乳脂合成的因果关系，研究人员首先构建了目前最全面的山羊瘤胃微生物参考基因目录(GRMGC)，包含来自160个多品种瘤胃样本的7387万条非冗余基因和5514个宏基因组组装基因组(MAGs)。通过整合177只萨能奶山羊的泌乳数据，发现Prevotella菌作为驱动乳产量和乳脂百分比同时提升的关键类群。

研究采用多组学整合分析技术，包括宏基因组测序(160个瘤胃样本)、非靶向代谢组学(LC-MS/MS)、微生物绝对定量(qPCR)、体外人工瘤胃发酵系统以及乳腺上皮细胞(MAC-T)基因沉默(siRNA)和信号通路抑制实验，结合生物信息学分析(MetaWRAP、CheckM、dRep等工具)和统计学验证。

研究结果主要体现在以下几个方面：

Construction of the goat rumen microbial reference gene catalog

通过深度宏基因组测序和组装，成功构建了覆盖8个山羊品种的瘤胃微生物基因目录，包含73,875,589个非冗余基因。稀有曲线分析表明GRMGC在80个样本左右达到饱和，比对分析显示其对独立山羊和绵羊数据集具有90%以上的覆盖度，证实了该目录的全面性和代表性。

Taxonomy and functional landscape of the goat rumen microbiome

taxonomic注释显示94.96%的基因为细菌来源，其中Bacteroidota(47.87%)和Firmicutes(37.64%)为优势门水平。功能注释发现核心KEGG通路(95.53%)和CAZy家族(75.98%)在90%以上样本中存在的比例显著高于核心物种比例(16.99%)，表明瘤胃微生物组存在显著的功能冗余性。

Phenotypic characteristics and taxonomic differences in HH and LL dairy goats

选择高乳产量高乳脂(HH)和低乳产量低乳脂(LL)表型极端群体发现，HH组具有显著更高的总挥发性脂肪酸(VFAs)、乙酸、丙酸和丁酸浓度(P<0.05)，且微生物组成显著分离(PERMANOVA R²=0.232)。Prevotella在HH组中显著富集，且与乳产量和乳脂百分比呈正相关(|R|>0.5)。

Differential microbial functional and metabolic profiles in HH and LL dairy goats

功能差异分析显示HH组显著富集丙酸代谢(ko00640)、氮代谢(ko00910)和烟酸/烟酰胺代谢(ko00760)通路。代谢组学验证了烟酸、泛醇和硫胺素在HH组瘤胃中的浓度显著升高(P<0.05)。

Active hydrogen and methane metabolism in the rumen contribute to decreased lactation performance in LL dairy goats

通过氢酶数据库(hydDB)分析发现LL组瘤胃微生物编码的产氢发酵氢酶和产氢 bifurcating氢酶数量显著高于HH组(1.63-2.53倍)，且甲烷代谢关键酶基因在LL组中显著上调，表明能量分配效率低下是LL群体泌乳性能差的重要原因。

Prevotella is the potent independent synthesizer of thiamine, pantothenol, and nicotinate in the rumen

进一步分析发现Prevotella是瘤胃中烟酸、泛醇和硫胺素合成的核心菌属，其中P. bryantii B14和P. ruminicola等菌株具备完整合成三种维生素的能力。

P.bryantii B14 synthesizes nicotinate to activate mTORC1 via a GPR109A-dependent manner in the mammary gland

体外实验证实P. bryantii B14能够以天冬氨酸为前体合成烟酸，显著降低甲烷产量(P<0.05)。体内试验显示灌服P. bryantii B14(1×10¹¹ CFU/L)可缓解泌乳后期产奶量下降，提升乳脂百分比(P<0.05)。机制研究表明烟酰胺(NAM)通过GPR109A受体激活mTORC1信号通路，上调SREBP、PPAR-γ等转录因子及ACCα、FASN、SCD1等脂合成基因表达。GPR109A基因沉默和mTORC1抑制实验证实了该通路的必要性。

研究结论与讨论部分强调，该研究首次提供了瘤胃微生物代谢通过"瘤胃-血液-乳腺"轴调控乳脂合成的直接证据，揭示了P. bryantii B14合成烟酸经转化为NAM后激活乳腺GPR109A-mTORC1信号通路的新机制。值得注意的是，生理浓度NAM对mTORC1的激活作用与药理浓度下的抑制效应截然不同，这一发现为精准调控提供了重要理论依据。研究还指出Prevotella菌丰度可作为辅助选择性状纳入育种程序，为通过微生物靶向干预提升畜牧业生产性能提供了创新性策略。尽管研究在晚期泌乳模型和细胞系验证方面存在局限，但构建的功能微生物群落(FMC)框架为后续研究奠定了基础，有望推动微生物组技术在精准畜牧业中的创新应用。