瘤胃转录组-微生物组-代谢组互作对放牧藏绵羊冷季营养胁迫的影响

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青藏高原具有高寒、低氧、强紫外线、营养物质供给严重失衡的特殊环境因子,而藏绵羊在青藏高原恶劣环境下不仅能够维持机体基础代谢和种群繁衍,还为当地牧民提供毛、皮、肉和燃料等生活资料,这与它们特殊的高原适应性有关。而限制藏绵羊高原适应性的主要因素为寒冷和营养胁迫。因此,本研究基于藏绵羊瘤胃发酵功能、瘤胃液酶活性以及瘤胃上皮组织营养吸收和屏障相关基因表达等基础数据,结合瘤胃微生物组、代谢组和转录组多角度去综合探索藏绵羊对青藏高原冷季营养胁迫的响应,为揭示藏绵羊的高原适应性机制提供基础数据。本研究主要结果如下:1.对不同时期(2、4、6、8、10和12月)放牧藏绵羊瘤胃发酵参数和瘤胃酶活性分析发现,瘤胃总VFAs含量在10月显著高于其他时期(P<0.05);NH3-N含量在6月和8月较高;CL(Cellulase)活性在2月最高,显著高于8月和10月(P<0.05);ACX(Acidic Xylanase)活性在4月和6月有升高的趋势。2.对不同时期放牧藏绵羊瘤胃上皮组织相关基因表达特征分析发现,瘤胃上皮SGLT1(Sodium glucose linked transporter-1)表达量在8月显著高于4月和12月(P<0.05);CLAUDIN4(Claudin-4)和ZO1(Zonula occludens-1)表达量在4月显著高于8月和12月(P<0.05),且8月显著高于12月(P<0.05)。3.对不同时期放牧藏绵羊瘤胃菌群16S r RNA测序发现,不同时期瘤胃拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)为优势门,其中厚壁菌门丰度在6月份显著高于2月和12月(P<0.05);普雷沃氏菌_1(Prevotella_1)和理研菌科_RC9_gut_group(Rikenellaceae_RC9_gut_group)为优势属,其中普雷沃氏菌_1丰度在6月最高,12月最低;理研菌科_RC9_gut_group丰度在8月最低,在12月显著升高。微生物功能富集分析表明,差异微生物主要富集在碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢通路。4.对冷(12月)、暖(8月)季藏绵羊瘤胃上皮组织转录组测序发现,冷、暖季特异性表达基因分别为640个和353个;相对于暖季,冷季上调差异基因有229个,其中TCHH、LOC114118453、GSTM3、DECR1和LOC101106610表达量最高,冷季下调差异基因有276个,其中KLK8表达量最低,其次是MUC13、CLCA4、SI和TMC5。基因功能富集分析发现,冷、暖季瘤胃上皮组织差异基因主要富集在脂质代谢、糖异生和机体免疫相关的通路中,从而提高冷季藏绵羊瘤胃免疫力。5.对冷(12月)、暖(8月)季藏绵羊瘤胃微生物代谢物进行LC-MS检测发现,阳性模型和阴性模型分别鉴定到1,649个和1,599个差异代谢物。冷季差异代谢物主要富集在花生四烯酸代谢、亚麻酸代谢以及氨基酸代谢相关通路中,从而在细胞代谢、生理调节和免疫反应中发挥重要作用。6.对冷(12月)、暖(8月)季藏绵羊瘤胃上皮转录组-微生物菌群及其代谢物相关性分析发现,冷、暖季瘤胃微生物与瘤胃上皮差异m RNA之间存在相关性,其中,Rikenellaceae-RC9-gut-group、Prevotallaceae-UCG-003、Butyrivibrio-2、Ruminococcaceae-NK4A214-group等与宿主基因表达之间显著相关(P<0.05);冷、暖季瘤胃上皮差异m RNA与瘤胃菌群代谢物存在一定相关性,且共同作用于细胞色素P450对异生素的代谢(KO00980)通路中。综上所述,本研究基于多组学视角分析了藏绵羊冷、暖季瘤胃内环境协同变化特征。全年不同时期的瘤胃发酵参数及菌群变化与饲草营养存在一定关联性,瘤胃上皮组织的差异基因及菌群代谢物参与了藏绵羊冷季营养胁迫的适应,这些适应性变化揭示了瘤胃发酵-宿主-微生物之间的关联性,瘤胃微生物及其代谢物与其瘤胃上皮组织差异m RNA间互作影响了藏绵羊的冷季适应,从而揭示了藏绵羊在冷季的特殊适应性,为今后放牧藏绵羊寒冷适应性研究提供了一定基础。
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