《Veterinary Microbiology》：Metagenomic and metatranscriptomic analyses reveal microbial dysbiosis and bacteria-virus interactions in the lungs of Australian feedlot cattle with bovine respiratory disease
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本研究针对牛呼吸道疾病(BRD)多病原体病因学及肺部微生物群落结构认知不足的问题，通过整合RNA测序与全长16S rRNA基因测序技术，深入解析了BRD与非BRD肉牛肺组织样本的微生物组与病毒组特征。研究揭示了BRD肺部存在以病原体为中心的、低多样性的细菌群落，以及噬菌体富集的病毒组变化，并首次识别出BRD相关的关键细菌与病毒互作网络。这些发现为开发基于微生物组的诊断方法和制定多病原体防控策略提供了重要的科学依据。
在现代化育肥牛养殖业中，一种被称为牛呼吸道疾病(BRD)的综合征一直是挥之不去的巨大阴影。这种疾病不仅是导致牛只发病和死亡的首要原因，更因其病因的复杂性和多样性，使得传统防控策略的效果常常不尽如人意。长久以来，科学家们主要关注少数几种已知的细菌和病毒病原体，例如曼氏杆菌（Mannheimia haemolytica）、多杀性巴氏杆菌（Pasteurella multocida）和牛病毒性腹泻病毒(BVDV)，然而，仅仅检测到这些病原体并不总能准确预测疾病的发生。这背后隐藏着一个关键的科学谜团：牛只的肺部这个曾经的“无菌”区域，其内部复杂的微生物“社会”究竟是如何运作的？当BRD发生时，这个“社会”的结构是土崩瓦解，还是被少数“坏分子”强势接管？细菌和病毒这些不同“界”的微生物之间，是否存在隐秘的合谋或对抗关系？要解开这些谜题，就需要一幅能够全景式描绘肺部微生物生态的“地图”。
这正是由Gebremeskel Mamu Werid、Farhid Hemmatzadeh、Tony Batterham、Darren Miller、Robert Edwards、Darren J. Trott和Kiro Petrovski组成的研究团队所致力完成的工作。他们的研究论文《宏基因组学和宏转录组学分析揭示澳大利亚育肥牛呼吸道疾病肺部微生物菌群失调和细菌-病毒相互作用》发表于《Veterinary Microbiology》。为了绘制这幅精细的“地图”，研究人员采用了一种整合性的多组学策略。他们从澳大利亚一个商业育肥场，在BRD高发期（2024年3月至2025年5月）收集了32份牛只死后的肺组织样本，其中包括23份来自有BRD临床症状的牛只，9份来自无BRD临床症状的对照牛只。所有BRD牛只均接受过至少一次抗生素治疗。研究的关键技术方法包括：对肺组织样本进行总RNA提取和微生物DNA分离；利用Illumina NovaSeq平台进行RNA测序(RNA-seq)，并通过生物信息学方法去除宿主序列，对非宿主序列进行从头组装以分析病毒组；同时，利用PacBio Revio系统进行全长16S rRNA基因测序，以高分辨率分析细菌群落结构。
研究结果揭示了BRD肺部微生物世界的深刻变化。
3.3. Mollicutes和Pasteurellaceae是BRD牛肺组织样本中占主导地位的细菌类群
通过全长16S rRNA基因谱分析发现，BRD牛的肺部细菌群落发生了显著偏移。支原体相关科（Metamycoplasmataceae和Mycoplasmataceae）以及巴氏杆菌科（Pasteurellaceae）在BRD样本中的平均相对丰度合计高达65.3%，而在非BRD样本中仅为11.3%。相反，非BRD牛的肺部则富含乳杆菌科（Lactobacillaceae）和双歧杆菌科（Bifidobacteriaceae）等共生相关菌科。在物种水平上，BRD牛肺部以牛支原体（Mycoplasmopsis bovis）、精氨酸支原体（Metamycoplasma arginini）和多杀性巴氏杆菌（Pasteurella multocida）为主，其中多杀性巴氏杆菌在BRD样本中显著富集。
3.4. 牛肺病毒组以噬菌体为主；Pestivirus bovis是唯一在BRD牛肺样本中富集的牛特异性致病病毒
宏转录组分析显示，两组样本的病毒组均以噬菌体家族为主导，其中Peduoviridae家族占比最高。然而，在物种水平上进行差异丰度分析发现，唯一在BRD样本中显著富集的牛相关病毒是牛瘟病毒（Pestivirus bovis）。其他显著差异的物种多为噬菌体或非牛源病毒。通过对常见BRD病毒进行靶向筛查发现，牛瘟病毒在样本中检出率极高（95.65%的BRD样本和88.89%的非BRD样本），而牛疱疹病毒1型(BoHV-1)仅在部分BRD样本中检出。
3.5. BRD牛肺组织样本中细菌多样性降低，而两组病毒多样性相似
阿尔法（Alpha）多样性分析表明，与微生物菌群失调的观点一致，BRD样本中的细菌多样性和均匀度均低于非BRD样本。然而，病毒组的α多样性指标在两组间没有显著差异。贝塔（Beta）多样性分析（基于Bray-Curtis相异性）的主坐标分析(PCoA)显示，细菌群落在组间存在显著差异，而病毒群落则没有。
3.6. 细菌-病毒相关性模式揭示了疾病相关的共丰度变化
通过对18个细菌物种和30个病毒物种进行成对斯皮尔曼（Spearman）相关性分析，研究人员发现了疾病状态下微生物互作网络的重构。例如，在BRD样本中，多杀性巴氏杆菌与病毒Ludhianavirus LAh10呈现强正相关，而牛支原体与牛瘟病毒也显示出正相关。相反，在非BRD样本中，则观察到以共生菌为中心的相关性模式，如卷曲乳杆菌（Lactobacillus crispatus）与特定大肠杆菌噬菌体的强关联。
3.7. 病原体共现网络显示BRD牛肺组织样本中存在核心微生物枢纽和结构化互作
通过构建基于数据和基于假设的共现网络，研究揭示了BRD肺部微生物群落的结构化特征。两种网络分析方法一致地将溶血性曼氏杆菌（Histophilus somni）、牛支原体和多杀性巴氏杆菌识别为高度连接的网络枢纽，表明这些病原体在群落结构中具有核心影响力。
3.8. 靶向牛呼吸道病原体的噬菌体数量在BRD牛肺组织样本中显著高于非BRD牛
尽管预测的噬菌体宿主总丰富度在两组间无差异，但针对BRD病原体（如牛支原体、多杀性巴氏杆菌、化脓性真杆菌（Trueperella pyogenes））的噬菌体在BRD样本中无论是丰度还是检出率都显著更高。
3.9. BRD牛样本的特征是细菌载量与转录活性之间的耦合更紧密
对于牛支原体、多杀性巴氏杆菌和化脓性真杆菌等关键病原体，其基于16S rRNA基因的基因组丰度与基于RNA测序的转录活性之间呈现出中等到强的正相关性，且这种相关性在BRD样本中比在非BRD样本中更强。这表明在疾病状态下，这些病原体不仅数量增多，其代谢活动也更为活跃。
归纳研究与讨论部分，本项研究首次对育肥牛下呼吸道进行了整合宏基因组-宏转录组学表征，为理解BRD的微生物生态学提供了全新视角。研究发现，BRD并非简单的单一病原体感染，而是表现为一次深刻的微生物生态失调事件：肺部细菌群落从多样化的共生菌主导状态，转变为以牛支原体、溶血性曼氏杆菌和多杀性巴氏杆菌等病原体为中心的低多样性状态。同时，研究揭示了一个普遍存在的、以噬菌体为主导的肺部病毒组，其中牛瘟病毒在BRD样本中显著富集，凸显了其在澳大利亚BRD背景下的潜在重要性。
更重要的是，相关性分析和网络建模揭示了疾病状态下细菌-病毒互作网络的特异性重构。BRD相关病原体与特定病毒（包括噬菌体和真核病毒）形成了更强的关联，同时靶向这些病原体的噬菌体丰度增加，这暗示噬菌体可能通过“捕食者-猎物”反馈机制参与调节细菌群落的动态。研究识别出的核心病原体枢纽，为开发针对微生物群落而非单一病原体的诊断工具和干预策略指明了方向。例如，针对牛瘟病毒的更广泛监测与控制，以及针对关键细菌枢纽（如牛支原体、多杀性巴氏杆菌）的靶向干预，有望成为未来综合性BRD管理方案的组成部分。这项研究将BRD的理解从传统的病原体中心范式，推向了一个更全面、更生态的微生物群落失调模型，为减少抗生素使用、降低动物损失和经济影响提供了创新的科学基础。
