《Journal of Animal Science and Biotechnology》：Comparative metagenomic and metatranscriptomic analyses reveal the role of the gayal rumen and hindgut microbiome in high-efficiency lignocellulose degradation
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本研究通过整合宏基因组与宏转录组学分析，比较了在相同高纤维竹饲条件下大额牛与黄牛的胃肠道微生物组，揭示了大额牛瘤胃和后肠中独特的、代谢活跃的微生物群落，其通过协同上调关键木质素修饰酶（如AA6、AA2、AA3），高效解构木质纤维素屏障，从而显著提升纤维消化率与挥发性脂肪酸产量。该研究为理解宿主-微生物共适应及开发提高粗饲料利用率的微生物/酶资源提供了新见解。
本研究通过整合宏基因组与宏转录组学技术，系统比较了在相同高木质纤维素（竹基）日粮下，大额牛（Bos frontalis）与黄牛（Bos taurus）的胃肠道（瘤胃、盲肠、结肠）微生物组在组成、结构和功能上的差异，揭示了大额牛高效利用纤维的微生物机制。
生长性能、消化率与发酵参数
实验在相同高纤维竹饲（80%竹子）条件下进行。结果显示，在干物质采食量无显著差异的情况下，大额牛的日增重显著更高。在消化率方面，大额牛的中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、酸性洗涤木质素、粗蛋白和有机物的表观消化率均显著高于黄牛。发酵参数分析表明，大额牛瘤胃、盲肠和结肠中的总挥发性脂肪酸浓度均显著升高，其中瘤胃的乙酸和丁酸，结肠的丙酸和丁酸也显著增加。酶活测定进一步证实，大额牛瘤胃、盲肠和结肠中的纤维素酶、木聚糖酶等关键碳水化合物降解酶活性普遍显著高于黄牛。
微生物群落结构与多样性
基于物种水平的宏基因组谱主坐标分析显示，大额牛与黄牛的瘤胃、盲肠和结肠微生物群落结构均存在显著差异，并呈现明显的宿主物种聚类模式。在瘤胃中，细菌和真菌群落的差异尤为显著；在盲肠和结肠，细菌和古菌群落也表现出显著差异。α多样性分析发现，大额牛瘤胃的细菌和真菌多样性、以及盲肠和结肠的古菌和病毒多样性均显著高于黄牛。
微生物分类学组成
在门水平上，大额牛瘤胃中富含与纤维降解相关的协同菌门和丝状杆菌门等；盲肠和结肠中，纤维杆菌门等也在大额牛中显著富集。在属水平上，大额牛瘤胃中富含Cryptobacteroides等属，而黄牛则富集了RUG740、UBA3792等属。
微生物代谢功能
宏转录组功能谱分析表明，大额牛与黄牛的瘤胃和盲肠微生物组在代谢功能上存在显著分化。京都基因与基因组百科全书通路富集分析显示，大额牛瘤胃微生物组在碳水化合物代谢、膜转运、其他氨基酸代谢等通路上显著富集；盲肠微生物组则在氨基酸代谢、辅因子和维生素代谢、脂质代谢等通路上更为活跃。
碳水化合物活性酶的差异表达
研究在三个胃肠道部位共鉴定了数百万个碳水化合物活性酶基因，涉及糖苷水解酶、碳水化合物结合模块、辅助活性等多种类型。主坐标分析显示，大额牛与黄牛在瘤胃和盲肠的CAZyme基因表达谱上存在显著差异。具体而言，在瘤胃中，大额牛特异性高表达木质素修饰酶AA6和纤维素降解酶GH6；在盲肠中，大额牛则显著高表达木质素修饰酶AA2和AA3，以及半纤维素降解酶GH115。
编码关键木质素修饰酶的核心微生物鉴定
为明确关键酶的功能来源，研究进一步分析了编码高表达木质素修饰酶的微生物。在瘤胃中，AA6酶主要由Prevotella、Cryptobacteroides、Limimorpha等属编码，其中大额牛瘤胃中Prevotellasp017412705、Prevotellasp017960525等多个物种的AA6基因表达量显著高于黄牛。在盲肠中，AA2和AA3酶分别主要由Escherichia/Terrisporobacter和UBA2862/Ventricola等属编码，其中大额牛盲肠中Ventricolasp017397695的AA3表达显著上调。
讨论与意义
大额牛在相同采食量下表现出更优的生长性能和纤维消化率，这归因于其胃肠道微生物组长期适应高海拔、贫营养、高纤维环境而形成的协同进化。瘤胃作为主要发酵场所，其微生物多样性更高，并富集了如协同菌门、纤维杆菌门和特定Prevotella物种等纤维降解类群。关键的发现在于，大额牛通过上调一系列辅助活性酶（特别是AA6、AA2、AA3）来修饰木质素结构。AA6酶（1,4-苯醌还原酶）可通过醌介导的反应，促进木质素-碳水化合物复合物的解离，从而暴露出纤维素和半纤维素，为后续的水解酶（如纤维素酶、木聚糖酶）创造作用位点。这种基于AA酶的、类似于芬顿反应的机制，是一种在厌氧条件下高效处理顽固木质纤维素的策略。以Prevotella为核心，联合Cryptobacteroides、Limimorpha等多种微生物，构成了一个功能互补的降解联盟。这一高效的微生物代谢网络不仅局限于瘤胃，还延续至盲肠和结肠，通过持续产生高水平的挥发性脂肪酸（尤其是乙酸），最大化地从纤维日粮中捕获能量。
结论
综上所述，本研究从微生物群落结构、代谢功能和关键酶基因表达多个层面，揭示了大额牛胃肠道微生物组通过富集特异性纤维降解类群、并协调上调以AA6为核心的木质素修饰酶系统，从而高效解构木质纤维素、提升宿主能量获取的分子机制。这些发现深化了对反刍动物适应高纤维膳食的宿主-微生物共适应机制的理解，并将大额牛微生物组定位为一个宝贵的生物资源库。其揭示的AA酶主导的木质纤维素解构途径，为开发旨在提高粗饲料利用率的微生物制剂、酶添加剂等精准营养干预策略提供了全新的科学依据和潜在的生物技术靶点，对推动可持续畜牧业和生物质能源产业发展具有重要启示。
