通过工程化细菌群落提高奶牛瘤胃中纤维的降解效率

《Microbiome》：Enhancing the fiber degradation efficiency in dairy cattle rumen through engineered bacterial communities

整合宏基因组学与合成微生物群落（SynCom）工程，研究揭示高纤维利用效率与瘤胃微生物活性及关键酶协同作用相关，SynCom 3使中性洗涤纤维降解率提升20.39%-20.56%，并伴随酸性洗涤纤维提升11.47%。

　　

摘要

背景

瘤胃是一个厌氧发酵室，其中栖息着具有纤维素分解和蛋白质分解能力的微生物，这些微生物有助于饲料的利用。能够分解纤维的细菌能够提高纤维素饲料的生产效率。组学技术的应用极大地加深了我们对瘤胃微生物组的理解。然而，确定瘤胃中微生物的组成和功能模式并不意味着已经全面了解了瘤胃微生物资源及其作用机制。本研究旨在将高通量16S rRNA数据与培养组学、纤维素分解活性、营养学以及合成微生物群（SynCom）工程的信息相结合，以评估瘤胃微生物活性与牛纤维利用效率之间的关系，最终目标是为反刍动物产业开发出更有效的干预策略。

结果

使用不同的碳源进行富集培养后，瘤胃微生物群的组成和结构发生了显著变化，尤其是与碳水化合物代谢相关的微生物群得到了增强。通过培养组学方法，从78个物种中分离出了896株菌株（包括8个新物种），分离率约为瘤胃细菌群的10.1%。其中，35株菌株在培养基上表现出更强的纤维素分解能力，另有25株菌株还具有分解半纤维素的能力。根据瘤胃中高纤维素分解性能的微生物群比例，制备了相应的合成微生物群（SynCom）。SynCom 3平均使中性洗涤纤维（NDFD）的降解率提高了20.39%。此外，体外和体内评估均表明，优化SynCom 3中的菌株剂量后，体外NDFD的降解率提高了20.56%，体内NDFD的降解率提高了7.81%，酸性洗涤纤维（ADF）的降解率也提高了11.47%。基因组分析显示，SynCom 3通过关键碳水化合物活性酶的协同作用有效地促进了纤维的分解。

结论

本研究通过将组学技术和SynCom工程整合到微生物群-细菌-酶-基因的框架中，加强了瘤胃微生物组的研究，揭示了酶协同作用在碳水化合物代谢中的重要性。这些发现为利用低丰度微生物和构建功能性菌群提供了理论基础，这对于提高反刍动物的饲料利用率和生物质转化率至关重要。未来的研究应进一步探讨瘤胃中纤维分解菌株的转录组特征及其代谢相互作用机制。

视频摘要

背景

瘤胃是一个厌氧发酵室，其中栖息着具有纤维素分解和蛋白质分解能力的微生物，这些微生物有助于饲料的利用。能够分解纤维的细菌能够提高纤维素饲料的生产效率。组学技术的应用极大地加深了我们对瘤胃微生物组的理解。然而，确定瘤胃中微生物的组成和功能模式并不意味着已经全面了解了瘤胃微生物资源及其作用机制。本研究旨在将高通量16S rRNA数据与培养组学、纤维素分解活性、营养学以及合成微生物群（SynCom）工程的信息相结合，以评估瘤胃微生物活性与牛纤维利用效率之间的关系，最终目标是为反刍动物产业开发出更有效的干预策略。

结果

使用不同的碳源进行富集培养后，瘤胃微生物群的组成和结构发生了显著变化，尤其是与碳水化合物代谢相关的微生物群得到了增强。通过培养组学方法，从78个物种中分离出了896株菌株（包括8个新物种），分离率约为瘤胃细菌群的10.1%。其中，35株菌株在培养基上表现出更强的纤维素分解能力，另有25株菌株还具有分解半纤维素的能力。根据瘤胃中高纤维素分解性能的微生物群比例，制备了相应的合成微生物群（SynCom）。SynCom 3平均使中性洗涤纤维（NDFD）的降解率提高了20.39%。此外，体外和体内评估均表明，优化SynCom 3中的菌株剂量后，体外NDFD的降解率提高了20.56%，体内NDFD的降解率提高了7.81%，酸性洗涤纤维（ADF）的降解率也提高了11.47%。基因组分析显示，SynCom 3通过关键碳水化合物活性酶的协同作用有效地促进了纤维的分解。

结论

本研究通过将组学技术和SynCom工程整合到微生物群-细菌-酶-基因的框架中，加强了瘤胃微生物组的研究，揭示了酶协同作用在碳水化合物代谢中的重要性。这些发现为利用低丰度微生物和构建功能性菌群提供了理论基础，这对于提高反刍动物的饲料利用率和生物质转化率至关重要。未来的研究应进一步探讨瘤胃中纤维分解菌株的转录组特征及其代谢相互作用机制。

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