基于代谢组学解析粗饲料质量影响奶牛泌乳性能的机制研究

The shortage of high quality forage has become a bottleneck in the dairy industry in China. Reasonable and efficient utilization of the abundant cereal straw and stover sources will provide an important way to alleviate this problem. Forage quality exerts great effects on the health and productive performamce of dairy cows. Clarification of the mechanism involved is helpful to develop the strategies for efficient use of low-quality forages. Conventional methods for study of the forage impact on dairy cattle can only describe apparent problems and do some speculative analysis, but they are difficult to reveal physiological and metabolic mechanisms related to cows' lactation. In the proposed study, the metabolomics approach based on GC-TOF/MS will be employed to analyze the metabolite profile in rumen fluid, milk, serum and urine in lactating dairy cows offered with different quality of forages. We will screen significantly different metabolites and key metabolism pathway, which can provide deep insight and better understanding of cows' metabolic physiology. Meanwhile, we will measure and quantify the ruminal microbiomes and enzyme activities related with different metabolism to characterize the correlation with metabolomics, and determine the association between key metabolites and milk production traits. The final goal of this proposal is to understand the metabolic mechanism involved in effects of forage quality on lactation performance, which will further enhance our ability to reasonably utilize different quality of forages by lactating dairy cows.

优质粗饲料短缺已经成为制约我国奶业发展的瓶颈，合理高效利用我国丰富的秸秆资源成为解决这一问题的重要突破口。不同质量的粗饲料对奶牛的健康和泌乳性能有重要影响，只有从根本上解析其影响机理，才能有针对性地提出科学合理利用劣质粗饲料的技术途径。传统营养学手段研究粗饲料对奶牛的影响仅能做表观描述和假设分析，无法从深层次解析粗饲料质量影响奶牛泌乳的生理与代谢机制。本项目拟采用基于GC-TOF/MS的代谢组学方法研究奶牛不同体液（瘤胃液、乳汁、血清和尿液等）的代谢图谱，寻找差异化合物，解析关键代谢通路，从而深入挖掘奶牛的代谢生理和代谢途径；同时，系统分析优劣粗饲料对奶牛差异代谢相关微生物酶活及微生态的影响，寻找与瘤胃代谢组的关联，解析不同体液中代谢物与主要产奶性状的关系。本项目的最终目标是阐明粗饲料质量影响奶牛泌乳性能的代谢机制，为合理利用粗饲料提供科学指导。

利用农作物副产物饲喂奶牛生产优质牛奶是农业可持续发展的有效举措，但是大多数作物副产品（如玉米秸）与高质量和高成本的苜蓿干草相比，营养价值较低，通常会降低牛奶产量和质量。众多研究使用化学分析方法等来评估高低质量粗饲料在营养成分、消化吸收、代谢利用、微生物发酵以及对奶牛产奶量影响方面的差异。然而，现有报道因为缺乏对秸秆饲料条件下牛奶产生过程的整体调控机制的全面了解，从而限制了秸秆的有效利用。代谢组学等高通量组学技术能够捕获某一层面全部或大部分的分子表型（如基因、蛋白、代谢物等），是理解复杂生物过程的有力工具，并能确定可能导致表型差异的最重要因素。本项目通过基于代谢组学等系统生物学方法，深入解析了不同质量粗饲料影响奶牛泌乳性能的生理和代谢机制。在明确饲喂玉米秸对奶牛泌乳性能及表观代谢参数影响的基础上，运用代谢组学、宏基因组学、转录组学等技术分别从四种体液的代谢组、瘤胃微生物代谢的分子机制、肝脏和乳腺关键代谢功能差异进行系统探究，首次揭示了高低粗饲料质量下奶牛4种体液（瘤胃液、血清、奶液和尿液）的代谢图谱及造成产奶量差异的代谢表征物和关键代谢通路，发现秸秆饲料中的非纤维性碳水化合物不足显著改变了Treponema属种水平微生物及碳水化合物相关代谢，进而主要通过琥珀酸通路降低了奶牛瘤胃中丙酸的生成。丙酸供应减少直接造成了肝脏中糖异生通路的下调，从而降低了葡萄糖的合成；同时肝脏中氨基酸代谢通路也发生了显著变化，其中甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢通路变化最为明显，造成秸秆组奶牛肝脏中氮素朝向低效率的马尿酸而不是高效能的胍基乙酸转化。血液中14种氨基酸浓度下降及乳腺中氨基酸摄取、氨基酸代谢和蛋白质折叠、合成、分泌功能的下调造成了秸秆组奶牛乳蛋白合成不足。本项目系统揭示了饲喂玉米秸秆奶牛乳产量相关的生理和代谢机制，为更好利用人类不可食用作物副产品生产优质牛奶提供了重要的基础知识和实践应用启示。