以饲料为基础的瘤胃微生物组-代谢组轴影响着藏羊的肉质：揭示碳苷酶（CAZymes）和植物源生物活性代谢物的调控潜力

高原藏羊瘤胃微生物组-代谢组轴对肉品质的影响及调控机制研究。通过系统评估肉品质及营养，整合瘤胃宏基因组与代谢组数据并运用结构方程模型（SEM）解析关键途径。结果显示混合饲料（燕麦+豆类）显著提升烹饪 yield、嫩度及蛋白沉积，燕麦+油菜组合增加风味相关单不饱和脂肪酸，同时重塑微生物群落及 CAZymes 功能网络，驱动胆汁酸、脂代谢及氨基酸代谢协同响应，为高原精准营养提供理论依据。

魏孔涛|张春平|周泽|张雪|刘欣|余阳|张正舍|曹全|董全民

青海大学动物科学与兽医医学院，西宁810016，中国

摘要

目前对于高原藏羊肉质变化背后的瘤胃微生物组-代谢组机制仍了解不足。此外，关于不同饲草制度对肉质影响的全面证据也尚未获得。在本研究中，48只8个月大的藏羊被分为两组：一组采用传统放牧方式，另一组则采用五种典型的室内饲草制度，包括燕麦、蚕豆、油菜籽、燕麦+蚕豆（1:1）和燕麦+油菜籽（1:1）。我们系统地评估了肉质和营养价值，整合了瘤胃宏基因组和代谢组数据，并运用结构方程模型（SEM）来揭示关键调控途径。结果表明，混合饲草饮食，尤其是燕麦和蚕豆的组合，显著提高了烹饪产量、嫩度以及蛋白质和脂肪的沉积。相反，燕麦和油菜籽的组合显著增加了与风味相关的单不饱和脂肪酸（如油酸）的含量。尽管如此，放牧组和燕麦+蚕豆组的营养价值更优。不同的饲草制度深刻改变了瘤胃微生物生态系统的组成、多样性和酶功能，从而形成了特定的细菌-酶-代谢途径配置。这种重组驱动了关键途径中的跨组学协同反应，包括胆汁酸和脂质代谢以及芳香氨基酸和谷胱甘肽的合成。多组学整合显示，每种饲草制度都建立了独特的微生物-代谢物-功能基因相互作用网络，在此网络中，特定饲草中的酶促进了植物细胞壁衍生物（如酚酸、短链脂肪酸和生物活性氮代谢物）的释放。SEM分析表明，饲草制度可能通过从微生物群落和酶到下游宏量营养素、生物活性代谢物和肉味前体的生物轴来调节肉质。总体而言，我们的发现强调了特定饲草制度如何重塑瘤胃微生物组-代谢组轴以调节肉质，为青藏高原的精准营养策略提供了理论基础。

引言

藏羊（Ovis aries）是原产于青藏高原的高海拔本土品种，是中国重要的遗传和畜牧业资源（Su等人，2022年）。通过全年传统放牧，这些动物适应了极端的寒冷和缺氧环境，对区域生态系统至关重要（Wu等人，2023年）。藏羊肉因其温和的风味和嫩度而受到重视，这归功于其中高质量的蛋白质和多不饱和脂肪酸（PUFAs），满足了现代消费者对优质、有益健康的动物产品的需求（Jiao等人，2020年；Zhang等人，2022年）。然而，传统的广泛放牧导致了草地退化。为了恢复生态平衡，中国实施了放牧限制，需要转向集约化或半集约化的室内饲养系统（Peng等人，2015年）。虽然这种转变减轻了牧场压力，但圈养往往限制了动物的活动并抑制了抗氧化活性，可能影响肉质（Rossi等人，2013年；Su等人，2022年）。此外，依赖加工浓缩饲料来加速生长引入了与抗生素和激素相关的风险，引发了对抗微生物耐药性和食品安全的担忧（Allen等人，2015年；Valentini等人，2020年）。因此，迫切需要寻找既能维持生长性能又不牺牲肉质的天然饲料替代品（Kwiecień等人，2021年；Xu等人，2022年）。高质量的栽培饲草提供了一个有前景的解决方案；然而，不同饲草种类在青藏高原的具体适用性及其对藏羊生产的综合影响尚未完全阐明。

在青藏高原，燕麦（Avena sativa）、蚕豆（Vicia faba）和油菜籽（Brassica napus）是主要的栽培饲草资源，每种都有其独特的营养优势。燕麦因其高适口性和消化率而受到广泛重视，在寒冷地区是高质量纤维和能量的主要来源（Suttie & Reynolds，2004年）。蚕豆和油菜籽富含粗蛋白和矿物质，蚕豆还通过固氮作用有助于提高土壤肥力（Cui，2024年；Luo等人，2023年；Multari等人，2015年）。虽然油菜籽是良好的蛋白质和钙补充来源，但单独饲喂时其适口性可能成为限制因素（Cui，2024年）。鉴于它们互补的营养特性，我们假设将富含碳水化合物的草类（燕麦）与富含蛋白质的豆类（蚕豆）或十字花科植物（油菜籽）结合可能会产生积极的协同效应。这样的组合可能比单一饲草饮食更有效地优化饮食中的能量与蛋白质平衡，从而提高瘤胃发酵效率并系统地改善肉质。这种潜在的调控机制在藏羊中尚未得到充分研究（Wang等人，2018年）。

饲草的化学组成和消化率是决定瘤胃微生物结构和功能的主要因素（Guo等人，2022年）。不同植物种类之间的粗蛋白、纤维和生物活性化合物的差异显著改变了这一微生物生态系统（Du等人，2021年）。瘤胃微生物将这些底物降解为挥发性脂肪酸（VFAs）、氨基酸和其他代谢物，这些物质不仅提供能量，还通过“肠道-肌肉轴”调节肌肉发育、脂质沉积和风味形成（Ma等人，2023年；Matthews等人，2019年）。具体而言，饮食驱动的瘤胃代谢组变化可以通过系统循环重塑肌肉脂肪酸谱型和氨基酸平衡（Gui等人，2021年；Shi等人，2022年）。然而，不同饲草种类与这些结果之间的具体机制仍需进一步研究。因此，有必要探讨在青藏高原缺氧和寒冷压力共同作用下，不同饲草类型如何协调瘤胃微生物群-代谢物相互作用。因此，必须阐明藏羊独特的生理适应性和肉质源于特定饲草制度与其高海拔栖息地之间的这种协同作用。

宏基因组和代谢组学的最新进展为揭示饲草、瘤胃微生物群和肉质之间的调控机制提供了系统框架。宏基因组学揭示了瘤胃微生物组的潜在功能，而代谢组学则通过分析生理反应，将营养输入与表型输出联系起来（Calderón & Lämmerhofer，2022年）。因此，这些技术已被广泛用于表征代谢多样性和关键调控途径（Ma等人，2024年）。综合多组学分析有效地阐明了牛肉和羊肉质量的分子基础（Ma等人，2023年；Zhang, Han等人，2022年；Zhang, Jiao等人，2025年）。然而，系统研究不同饲草类型及其组合对瘤胃宏基因组结构、代谢物谱型及其对藏羊肉质影响的文献仍然较少，尤其是在寒冷季节条件下。

基于此背景，本研究在青藏高原的寒冷季节研究了藏羊，比较了传统放牧与使用高质量饲草（燕麦、蚕豆、油菜籽及其组合）的室内饲养制度。通过整合瘤胃宏基因组和代谢组数据以及全面的肉质指标（包括食用品质、近似成分、氨基酸、脂肪酸和维生素），我们旨在阐明控制肉质形成的分子机制。我们假设：（1）不同的饲草制度，特别是提供平衡能量和蛋白质的组合饮食，将显著重塑瘤胃微生物群和功能基因景观；（2）瘤胃代谢组中的变化，包括特定的生物活性脂质或氨基酸前体，将作为调节肉质属性的关键中介。因此，本研究旨在识别驱动这些相互作用的核心微生物类群和代谢途径，并建立连接饲草、微生物群、代谢物和肉质的可解释关联网络。这些发现为可持续生产高质量藏羊肉提供了理论见解和实践策略。

伦理声明

所有动物实验均获得了青海动物科学与兽医科学院实验室动物伦理与福利委员会的批准（批准编号：2025-QHMKY-012）。

研究地点

饲草栽培试验在青海大学高原农牧业综合实验基地进行，位于青海省共和县（北纬36°17′，东经101°55′；海拔3300米）。该地区具有典型的高原大陆性气候。

饲草制度对肉质和营养成分的影响

不同的饲草制度显著改变了肉的物理和化学特性（图1）。YD组显示出最高的烹饪产量（P < 0.05；图1A）。相反，CD组显示出最低的烹饪损失和最高的初始pH值（P < 0.05；图1B-C）。CD组和YD组的剪切力显著低于其他处理组（图1D）。在营养成分方面，YD组的粗蛋白和粗脂肪含量最高（P < 0.05；图1I-J）。

讨论

优化反刍动物的性能和产品质量需要精确确定饲草的营养价值，因为高质量、富含蛋白质的饲草对于维持生长和健康至关重要（Terler等人，2022年）。我们的研究表明，基于蚕豆的饮食（CD和YD）显著提高了肌肉粗蛋白沉积和嫩度，突显了豆科饲草在改善肉质方面的关键作用。这些表型变化可能不仅

结论与未来展望

本研究表明，优化的室内混合饲草制度显著改善了藏羊肉的物理和营养特性，优于传统放牧方式。具体而言，燕麦和蚕豆的组合被证明是提高食用品质和营养沉积的最佳策略，表现为最高的烹饪产量、嫩度和蛋白质含量。燕麦和油菜籽的组合显著丰富了与风味相关的单不饱和脂肪酸

CRediT作者贡献声明

魏孔涛：撰写——初稿、研究、数据分析。张春平：研究、数据分析。周泽：方法学、研究。张雪：验证、研究。刘欣：验证、研究。余阳：撰写——审稿与编辑。张正舍：撰写——审稿与编辑、方法学、概念化。董全民：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金支持

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2021YFD1300504）的一个子项目的支持。