“ 2025年3月 BMC Plant Biology杂志发表了一篇题为“Dietary selection of distinct gastrointestinal microorganisms drives fiber utilization dynamics in goats ”的宏基因组分析文章。”

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研究背景

整个生物界的生物资源是有限的, 反刍动物(如羊)能够利用人类无法利用的生物质,如植物细胞壁纤维转化为高质量的动物产品,因此,了解消化道中影响纤维素降解效率的微生物过程很有意义 

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分析结果

01. 实验设计

喂养方式:2组，快速发酵纤维 (FF,10只) 和慢速发酵纤维 (SF,12只) 。FF 日粮中含有 60% 的花生藤（体外培养 72 小时后瘤胃消化率为 76%）作为粗饲料SF 日粮中含有 60% 的高粱秸秆（体外培养 72 小时后瘤胃消化率为 54%）作为粗饲料 ,人道屠宰后对每一只羊的瘤胃,回肠,盲肠3个部位的肠道内容物取样

02.生理数据和代谢物分布的结果

研究深入分析两组样本的平均日增重,发现FF饲料组的平均日增重显著高于SF饲料组,表明FF饲料更有利于山羊的生长。而且消化率结果显示FF饲料能显著提高干物质（DM）、总能（GE）和淀粉的消化率而SF饲料则能显著提高中性洗涤纤维（NDF）消化率,同时锻炼脂肪酸分布结果显示瘤胃和回肠黄总FF饲料组的乙酸降低，丁酸升高. SF饲料组乙酸升高，与纤维降解菌的活性一致。盲肠中FF饲料组乙酸升高，丁酸降低, SF饲料组丁酸较高，与纤维降解菌的进一步代谢相关。

03. 全长扩增子分析结果

采用全长扩增子分析技术，对 饲喂 FF 或 SF 日粮的山羊的不同胃肠道进行了总体（DNA 水平）和代谢活性（RNA 水平）微生物的分析, 多样性结果显示, 膳食纤维类型仅影响盲肠中活性细菌群落的Alpha多样性, 且在DNA和RNA水平上，瘤胃以外的消化道区域的细菌多样性受到饲料纤维类型的显著影响, 同时不同纤维类型在消化道各区域选择性地富集特定微生物类群，影响底物偏好和降解能力。

04.宏基因组代谢功能分析

多样性分析结果显示, FF 组的瘤胃和盲肠中非冗余基因因的丰富度指数增加, 膳食纤维类型使每个胃肠道区域的代谢功能都不相同。 CAZyme功能丰度差异说明, SF 组瘤胃中纤维素/半纤维素分解酶丰度更高, FF组瘤胃和盲肠中果胶酶的丰度更高。 而SCFA相关酶则显示, SF 组富集了更多参与乙酰辅酶 A/乳酸到乙酸生成（AAP/LAP）和琥珀酸到丙酸生成（SPP）的基因,但是其盲肠中有很多编码丁酸合成的酶（ABP）。 这说明FF 组促进了果胶的降解，而 SF 组则促进瘤胃和盲肠中纤维素和半纤维素的降解。 同时SF 饮食增强了纤维降解，在瘤胃中产生更多乙酸盐，而未发酵的纤维则在盲肠则产生更多的丁酸盐。

05.瘤胃微生物ATP生成功能分析

多样性分析显示两种处理（FF和SF）的ATP生成相关功能的α多样性无显著差异, 但饲料纤维类型显著影响瘤胃中微生物介导的能量代谢。SLP相关的基因中, SF饲料显著增加瘤胃中的糖酵解相关基因和乙酸生成相关基因的丰度,降低琥珀酸生成相关基因, 而ATP合酶相关基因中, SF饲料显著增加瘤胃中的F型和部分VA型的关键基因,降低V型的关键基因。功能关联则说明SLP和F型ATPases的丰度与NDF（中性洗涤纤维）消化率和瘤胃中乙酸生成呈正相关，表明SF饲料通过增强这些酶的表达促进纤维利用和能量生成。

06.钴胺素生物合成功能分析

鉴定出68个KEGG同源基因（KOs），涉及微生物介导的钴胺素生物合成, 其中多样性分析显示回肠中FF饲料组的钴胺素生物合成基因的丰富度（Richness）和Shannon指数高于SF饲料组。钴胺素生物合成潜力则是SF组瘤胃中显著富集 前卟啉-2合成途径, 有氧途径, 厌氧途径, 后腺苷钴胺素-P途径等。功能关联的相关性分析显示，钴胺素生物合成与乙酸生成密切相关。这暗示了SF饲料可能通过增强特定微生物活性，提高钴胺素生物合成的潜力

07.MAGs丰度差异微生物

不同分组的重要MAGs丰度差异很大,其中瘤胃中SF组纤维降解,乙酸生成,钴胺素生成相关细菌丰度更高, FF组果胶降解,丁酸生成相关细菌丰度更高。盲肠中SF组纤维降解,丁酸生成, 相关细菌丰度更高, FF组果胶降解,乙酸生成相关细菌丰度更高。整体而言, FF 饮食选择性地富集了潜在的果胶降解菌以促进动物生长，而 SF 饮食刺激了纤维分解细菌,提高了纤维利用率。

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总结

研究结果表明，膳食纤维在山羊胃肠道（GIT）中的微生物利用动态受纤维类型（纤维含量和多糖化学特性）及胃肠道部位的调控。慢速发酵纤维（如纤维素和半纤维素）在瘤胃和盲肠中促进纤维降解菌的生长，可能通过微生物维生素B12的生物合成过程介导。快速发酵纤维（如果胶）则优先支持果胶降解菌及其代谢途径，从而促进动物生长。短链脂肪酸（SCFA）模式和代谢途径揭示了瘤胃和后肠微生物在降解不同纤维多糖时的独特能量获取策略。未来研究应从整个胃肠道视角深入探索微生物作用，并通过单细胞微生物测序和富集分析进一步阐明真核微生物群在纤维消化中的关键作用。