高低泌乳力母猪肠道菌群及其代谢特征研究

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:inasy
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在养猪生产中,素有“得母猪者得天下”之说,做好母猪的的科学饲养管理是提高猪场经济效益的重要基础,而提高母猪泌乳力又是养好母猪的重点,母猪泌乳力是其繁殖性能的最直观体现,直接影响着猪场的PSY(每头母猪每年所能提供的断奶仔猪头数)。母猪泌乳力低下现象在养猪生产中普遍存在,且影响因素繁杂,现有的研究多集中在饲养管理和日粮等方面。已有的研究揭示了肠道菌群代谢与母乳之间的潜在关联,但对于其之间关系的深入研究较少导致肠道菌群影响母猪泌乳力的潜在机制尚不清晰。为此,本研究结合养猪生产实际将0-7日龄窝增重作为母猪泌乳力的评判标准,基于16S r RNA扩增子测序探究高低泌乳力母猪妊娠后期肠道菌群结构和组成,对鉴定到的菌属和生产数据使用4种不同的机器学习方法进行母猪泌乳力的分类预测,之后使用宏基因组测序进一步探究高低泌乳力母猪妊娠后期肠道菌群种水平上的改变及其功能特征,并结合非靶向代谢组学解析高低泌乳力母猪的差异代谢模式,揭示妊娠后期母猪肠道菌群影响泌乳力的潜在机制。主要研究结果如下:(1)通过对高低泌乳力组母猪的表型信息差异比较发现:两组母猪胎次、妊娠108天背膘、总产仔数、健仔数、弱仔数和健仔率无明显差异(P>0.05),高泌乳力组的初生窝重显著高于低泌乳力组(P<0.01),哺乳7日龄时,两组的7日龄活仔数和7日龄窝重呈现极显著差异(P<0.001)。(2)基于16S rRNA测序的肠道菌群特征分析结果表明:高泌乳力组母猪肠道菌群Alpha多样性指数(Shannon、Simpson和Chao1指数)均显著高于低泌乳力组;基于Bray-Curtis距离的PCo A分析和Anosim分析(R>0,P<0.05)表明两组母猪妊娠后期肠道菌群结构存在明显差异;组间共鉴定到24个差异菌属,其中普雷沃氏菌属、双歧杆菌属和琥珀酸弧菌属等16个属在高泌乳力组显著富集,气球菌属、链球菌属和密螺旋体属等8个属在低泌乳力组显著富集;Bugbase表型预测结果表明高泌乳力组革兰氏阳性菌丰度显著高于低泌乳力组(P<0.05),物种组成分析发现,低泌乳力组拥有更高丰度的小古菌门和泉古菌门。(3)基于鉴定到的差异菌属和母猪生产数据使用4种不同的机器学习算法对母猪泌乳力进行分类预测。结果表明:基于差异菌属构建的分类模型中,SVM和KNN分类准确性最高,均为0.77;基于生产数据构建的分类模型中,LOG分类准确性高达0.93;综合差异菌属和生产数据构建的分类模型中,LOG的分类预测准确性最高,为0.92。此外,基于模型AUC值比较发现综合差异菌属和生产数据的整体预测性能大都优于单一数据集。(4)每组随机挑选代表性样品进行宏基因组分析。组间共鉴定到27个差异种,其中富集到高泌乳力组16个,其中包括普雷沃氏菌的7个物种、拟杆菌属的2个物种;富集到低泌乳力组11个,其中包括双歧杆菌属的2个物种、链球菌的4个物种及乳酸杆菌的2个物种。KEGG功能注释结果发现高泌乳力组富集的KO大都与碳水化合物代谢、氨基酸及能量代谢等相关。差异代谢通路分析表明脂多糖的生物合成、天冬氨酸和谷氨酸代谢和核苷酸切除修复等通路在高泌乳力组显著富集,而群体感应、嘌呤代谢和甘油脂代谢等通路在低泌乳力组显著富集。(5)通过非靶向代谢组学对两组的菌群差异代谢模式进行比较分析,在正离子模式下鉴定到383个差异代谢物(上调167个,下调216个),负离子模式下鉴定到126个差异代谢物(上调96个,下调30个)。正离子模式下差异代谢物富集分析结果表明差异代谢物主要富集在苯丙烷类生物合成途径、烟酸和烟酰胺代谢及异黄酮生物合成等生物学途径,负离子模式下差异代谢物在嘧啶代谢通路显著富集。(6)通过计算菌群对不同代谢物的CMP来构建代谢模型,进行微生物特征和代谢物特征的关联。共鉴定到10个显著的代谢物,包括L-天冬氨酸、L-蛋氨酸、蔗糖、泛酸和海藻糖等。代谢物贡献物种中,3个属于链球菌属、3个属于普雷沃菌属、5个属于乳杆菌属、5个属于拟杆菌属,部分代谢物贡献微生物与差异菌属筛选结果相一致。(7)对差异菌种、差异代谢物和差异代谢通路进行共现网络分析,结果表明差异代谢物之间,差异菌属之间存在广泛而强烈的共生关系,差异代谢物和差异菌种之间只表现出轻度的关联。综上所述,本研究基于多组学系统阐释了高低泌乳力母猪妊娠后期肠道菌群和代谢特征,鉴定到与母猪泌乳力相关的潜在生物标志物,为揭示肠道菌群影响母猪泌乳力的潜在机制提供了有价值的分子基础。同时为妊娠后期靶向调控母猪肠道菌群,改善母猪泌乳性能,最大化母猪的繁殖潜力,提供了重要参考。
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