牦牛瘤胃微生物组通过调控中心碳代谢和酮体合成促进高原适应的多组学机制解析

本综述系统揭示了高原适应物种牦牛与低地荷斯坦奶牛在瘤胃微生物组和宿主能量代谢方面的差异。通过多组学技术（宏基因组、宏转录组、单核RNA测序）及瘤胃液移植实验，发现牦牛瘤胃微生物组富集中心碳代谢途径（如糖酵解/糖异生、磷酸戊糖途径），而上皮细胞则增强酮体合成（HMGCS2、BDH1等）和脂肪酸β-氧化功能，从而在缺氧环境下优化能量供给。移植牦牛瘤胃液可短期提升荷斯坦奶牛产奶量，证实微生物组对宿主高原适应的调控作用。研究为反刍动物高原适应性机制提供了新的微生物-宿主共进化视角。

摘要

缺氧与低温是高原动物生存的主要限制因素。本研究以高原适应物种牦牛和低地荷斯坦奶牛为模型，通过多组学技术探究瘤胃微生物组在高原适应中的作用。两组动物自出生起均饲养于海拔约4000米地区，并在采样前44天统一饲喂相同日粮以排除营养和海拔的短期影响。

瘤胃微生物组结构与功能差异

宏基因组分析显示，牦牛瘤胃微生物组中中心碳代谢途径（如糖酵解/糖异生、丙酮酸代谢、磷酸戊糖途径）显著富集，而荷斯坦奶牛则富集淀粉、蔗糖等复杂碳水化合物降解途径。瘤胃上皮细胞单核RNA测序表明，牦牛上皮细胞的酮体合成（如ACAT1、HMGCS2、HMGCL、BDH1基因高表达）和脂肪酸β-氧化通路活性显著高于荷斯坦奶牛。宏转录组数据进一步验证了牦牛微生物组在碳代谢和能量代谢通路上的优势。

瘤胃液移植验证功能

将牦牛瘤胃液移植至荷斯坦奶牛后，受体奶牛产奶量、乳蛋白和乳糖产量在移植后7天显著提升。移植后6小时至28天，微生物碳代谢活性呈渐进性下降，但早期中心碳代谢通路（如糖酵解、TCA循环）短暂增强，表明牦牛微生物组可 transiently 提升宿主能量代谢效率。

微生物与宿主互作机制

牦牛瘤胃微生物组通过富集甲烷代谢（M00356、M00567）和乙酸生成途径（M00579），协同宿主上皮细胞的酮体合成能力，共同应对高原缺氧环境下的能量需求。相反，荷斯坦奶牛的微生物组更依赖复杂碳水化合物降解途径（如淀粉代谢、半乳糖代谢），其上皮细胞高表达短链脂肪酸转运蛋白（如SLC16A1），支持高能量周转策略。

结论

牦牛通过瘤胃微生物组与宿主上皮细胞的协同进化，形成了以中心碳代谢和酮体合成主导的高效能量利用模式，这是其高原适应的关键机制。该研究为利用微生物组干预提升反刍动物环境适应性提供了新策略。