前言

2021年11月，在Frontiers in nutrition期刊發(fā)表的題為 “Dietary Amylose/Amylopectin Ratio Modulates Cecal Microbiota and Metabolites in Weaned Goats ”的研究成果，通過16s RNA和LC-MS/MS非靶代謝組學的研究方法，研究不同比例直鏈淀粉/支鏈淀粉喂養(yǎng)的山羊盲腸微生物變化特征，描繪了山羊盲腸的代謝圖譜。

中文標題：膳食直鏈淀粉/支鏈淀粉比例調節(jié)斷奶山羊的盲腸微生物群和代謝物

研究對象：山羊盲腸

發(fā)表期刊：Frontiers in nutrition

影響因子：6.576

發(fā)表時間：2021年11月23日

運用生物技術：16s RNA和LC-MS/MS非靶代謝組學

研究背景

反芻動物具有更好的降解大量淀粉的潛力，有幾個因素決定了淀粉在瘤胃中的消化速率和程度，如結晶度，直鏈淀粉/支鏈淀粉的比例等。直鏈淀粉和支鏈淀粉是淀粉的主要成分，可以決定淀粉的營養(yǎng)和生化性質。喂養(yǎng)高瘤胃可降解淀粉會增加奶山羊后腸炎癥的風險，白細胞介素-1β和分泌性免疫球蛋白A（SIgA）表達的增加，并積累短鏈脂肪酸（SCFAs）和造成微生物功能紊亂。為反芻動物開發(fā)有效的飼養(yǎng)方法需要在現(xiàn)代喂養(yǎng)系統(tǒng)中保持最佳的瘤胃和后腸發(fā)酵。

為了解決這個問題，在飲食中加入最佳比例的直鏈淀粉/支鏈淀粉可能是有效的解決方法。為了優(yōu)化飲食配方，研究者們需要了解不同比例的直鏈淀粉/支鏈淀粉引起的后腸發(fā)酵曲線和代謝物上的變化。因此，本文作者使用不同比例的直鏈淀粉/支鏈淀粉的玉米來喂養(yǎng)黑山羊，全面評估不同比例對后腸微生物組和代謝組的影響。

研究思路

研究結果

?盲腸消化道中的微生物 SCFAs（短鏈脂肪酸）和粘膜中的細胞因子濃度

與T1組相比，T2組的乙酸鹽和丙酸鹽增加，T3中的丙酸鹽增加。而T2中的戊酸鹽濃度高于T1組和T3組（圖 1）。但是，當直鏈淀粉/支鏈淀粉比值增加時，丁酸鹽、異丁酸鹽和異戊酸鹽的濃度不受影響。

圖1 |直鏈淀粉/支鏈淀粉比值對盲腸SCFAs濃度（μmol/g）的影響

與T1和T3組相比，T2組的IL-6和TNF-α減少，而IL-10增加（圖2）。IL-2和IFN-β濃度在3組間的差異不明顯。

圖2 | 直鏈淀粉/支鏈淀粉比值對盲腸細胞因子濃度（pg/mg蛋白）的影響

粘膜相關微生物組

對盲腸粘膜樣本進行檢測。使用Chao1和Shannon指數(shù)評估粘膜16sRNA測序相關微生物譜的α多樣性，3個組細菌群落在豐富度和多樣性上沒有顯著差異（圖3 A）。PCoA結果顯示，T2組和T3組都是從T1組中形成的單獨聚類，而且T2組和T3組聚集在一起（圖4 A）。圖5A展示的是在門水平上，粘膜相關微生物的相對豐度。鑒定出 10 個優(yōu)勢細菌門，平均相對豐度≥1%，其中厚壁菌門、擬桿菌門和螺旋體門是最主要的門，平均共占群落的85%以上。

三組間比較發(fā)現(xiàn)，T2組和T3組螺旋體菌的相對豐度顯著高于T1組，T2組的變形桿菌相對豐度低于T1組，T3組疣微菌門的相對豐度低于T1和T2組（圖5 C-E）。LDA與LEfSe分析發(fā)現(xiàn)，與另外兩組相比，Akkermansia在T2中富集；Lachnospiraceae_NK4A136_group和馬氏菌等在T3組中富集；微單孢子蟲科和Clostridium_sensu_stricto等在T1組中富集（圖6 A）。

圖3 | 直鏈淀粉/支鏈淀粉比值對盲腸粘膜和消化道α多樣性指數(shù)的影響

圖4?|直鏈淀粉/支鏈淀粉比值對盲腸粘膜β多樣性影響

圖5 | 盲腸粘膜和消化道中門水平細菌的相對豐度

圖6 | 線性判別分析（LDA）效應大小（LEfSe）分析

消化相關微生物組

對盲腸消化樣品進行檢測。類似的，三組間Chao1、Shannon指數(shù)無顯著差異（圖3 B）。PCoA顯示T2組和T3組聚集在一起（圖4 B）。圖5B顯示了消化相關細菌門的前10個門的豐度，其中厚壁菌門、擬桿菌門和疣微菌門是優(yōu)勢門，共占種群的95%以上。三組間比較發(fā)現(xiàn)，T2組和T3組的厚壁菌門的相對豐度高于T1組。相反的，T2組和T3組的疣微菌門和軟壁菌門的相對豐度少于T1組（圖5 F-H）。LDA與LEfSe分析發(fā)現(xiàn)，與另外兩組相比，Lachnospiraceae_ND3007_group等在T1組中富集；厚壁菌門的乳酸桿菌和糞桿菌在T2組中富集；鐵線菌門的Candidatus_Saccharimonas在T3組中富集（圖6 B）。

盲腸微生物組與SCFAs的相關性分析

將SCFAs和前10個細菌屬用于Pearson的相關性分析。結果發(fā)現(xiàn)黏膜相關的Akkermansia的相對豐度與戊酸鹽、異戊酸鹽、丙酸鹽和異丁酸鹽呈正相關關系。消化相關Ruminococcaceae_UCG-005的相對豐度與丙酸鹽、乙酸異丁酸酯、丁酸鹽和戊酸呈正相關關系，同時，消化相關的Christensenellaceae_R 7_group的相對豐度與乙酸鹽和丁酸鹽呈正相關關系。（圖7）

圖7 | SCFAs與粘膜（A）和消化（B）中前10名主要菌的相關性網(wǎng)絡分析

盲腸組織的非靶向代謝組譜

對樣本進行LC-MS非靶向代謝組學分析，偏最小二乘判別分析（PLS-DA）模型表明，三個組能明顯區(qū)分開（圖8 A）。KEGG分析表明，34個KEGG途徑受到直鏈淀粉/支鏈淀粉比例的影響。三個組兩兩（T1與T2，T1與T3以及T2與T3）比較分析，分別鑒定出了30，26和22個差異代謝物（圖8 B-D）。由DAM構建的HCA熱圖揭示了不同直鏈淀粉/支鏈淀粉比例組代謝物譜的差異（圖9 B-D）。

圖8 | 偏最小二乘判別分析 （PLS-DA）和火山圖

圖9 | 差異代謝物KEGG分析和聚類熱圖

研究結論

微生物組和代謝組學結果表明，高比例的直鏈淀粉/支鏈淀粉比例能夠調節(jié)消化和粘膜相關的盲腸微生物群落和代謝特征。三種比例中，喂養(yǎng)含有50%高直鏈淀粉的飲食具有更好的結果，因為其共生細菌（如Akkermansia，Lactobacillus和Faecalibacterium）的富集，戊酸鹽的增加以及促炎細胞因子的減少。代謝組學結果顯示盲腸組織的代謝特征發(fā)生了改變，包括脂質肉堿和α-生育酚等代謝物的上調和下調。這些發(fā)現(xiàn)為直鏈淀粉/支鏈淀粉的比例是如何通過調節(jié)微生物發(fā)酵，導致共生微生物群和代謝物的增殖，從而改善斷奶山羊的盲腸環(huán)境提供了新的見解。

小鹿推薦

本篇文章，檢測了喂食不同直鏈淀粉/支鏈淀粉比例的山羊的盲腸中SCFAs和炎癥因子的變化，并使用16s RNA測序檢測了不同組山羊的盲腸粘膜和消化物中微生物的變化，找到了變化的優(yōu)勢菌群以及菌群和SCFAs的相關性。再使用LC-MS/MS非靶代謝組學研究了不同組山羊盲腸組織的代謝物變化。通過多組學結合的方式，揭示了不同比例的直鏈淀粉/支鏈淀粉對山羊盲腸環(huán)境的影響。

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