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奶牛乳房炎是牧场常见疾病,对奶业生产造成巨大损失,而奶牛的瘤胃和肠道微生物对宿主的稳态和健康起着重要作用。本研究通过微生物组和代谢组学等方法,探究了不同乳腺健康状况下奶牛生理代谢和胃肠道微生物变化机制,并筛选了奶牛乳房炎相关的微生物指征物。首先以奶牛乳腺健康常用指征物牛奶体细胞数（SCC）出发,发现不同SCC奶牛瘤胃微生物存在差异;在此基础上,探究了健康、隐性乳房炎和临床乳房炎奶牛的生理状况和胃肠道微生物差异;然后分析乳房炎治愈前后奶牛的胃肠道微生物变化,并通过代谢组学探究了乳房炎治愈前后奶牛瘤胃、后肠、血液和牛奶中代谢变化;最后通过随机森林模型筛选了奶牛乳房炎的潜在瘤胃和后肠细菌指征物,为利用胃肠道微生物判别奶牛乳腺健康提供了科学依据。1.不同SCC奶牛生理代谢及瘤胃微生物状态本部分的目的是探究不同乳中SCC奶牛的生理代谢及瘤胃微生物状态。从某奶牛场选择334头正常泌乳奶牛的DHI数据,按照这些奶牛的SCC由低到高分为 SCC1（≤200,000 个/mL）、SCC2（200,001-500,000 个/mL）、SCC3（500,001-1,000,000个/mL）和SCC4（>1,000,000个/mL）四个组别,记录奶产量,采集牛奶、血液和瘤胃液,分析乳成分、血液生理生化参数和瘤胃发酵参数,并测序分析瘤胃微生物区系。同时选择体细胞数最高（HSCC）和最低（LSCC）的奶牛各20头,进行上述比较分析。SCC4组的奶产量极显著低于其他三组（P<0.01）,而乳蛋白和乳脂率极显著高于其他三组（P<0.01）,在LSCC和HSCC中也得到类似结果。分析血液生化指标发现,总抗氧化能力和总胆固醇含量组间差异极显著（P<0.01）,总蛋白和葡萄糖含量组间差异显著（P<0.05）,而其他指标无组间差异。奶牛瘤胃中乙酸丙酸比存在显著的组间差异（P<0.05）,而瘤胃pH值、VFA含量和氨态氮含量组间差异不显著。HSCC组奶牛的瘤胃丙酸和戊酸含量显著低于LSCC组奶牛（P<0.05）,而乙酸丙酸比显著高于LSCC组（P<0.05）。奶牛瘤胃细菌的β多样性和主要瘤胃细菌没有显著的组间差异,但在门水平上SR1和A ctinobacteria,属水平上 unclassifiedfClostridiales 和 Butyrivibrio 的相对丰度有显著组间差异,表明奶牛瘤胃微生物与乳中SCC存在关联。2.奶牛乳房炎状态下生理及胃肠道微生物变化本部分选择罹患乳房炎奶牛与健康奶牛,其中健康奶牛19头（HE,SCC≤500×103个细胞/mL,无临床病征）,亚临床乳房炎奶牛20头（SCM,SCC>500×103细胞/mL,无可见症状）和临床乳房炎奶牛10头（CM,呈现乳房炎症状）。记录所有奶牛的奶产量,采集牛奶、血液、瘤胃和粪便（后肠）样品,通过分析奶牛乳成分、血液生理生化参数、瘤胃和后肠微生物等方面的差异,探究奶牛乳房炎与胃肠道微生物的关系。三组奶牛之间奶产量、乳成分和SCC存在极显著差异（P<0.01）,总抗氧化能力、尿素氮等指标存在显著差异（P<0.05）。罹患乳房炎的奶牛（SCM和CM）其瘤胃总VFA浓度显著低于健康奶牛（P<0.05）,且乙酸、丙酸、丁酸和异戊酸含量三组间存在极显著差异（P<0.05）。16S rRNA基因扩增子测序结果显示,乳房炎奶牛瘤胃和后肠细菌群落的丰富度和均匀度均高于健康奶牛。罹患乳房炎奶牛瘤胃细菌的6个门和后肠细菌的4个门其相对丰度比健康奶牛要高,而健康奶牛后肠中4个门的相对丰度高于罹患乳房炎奶牛。与罹患乳房炎奶牛相比,健康奶牛瘤胃中42个属的相对丰度显著较低,而22个属的相对丰度显著较高（P<0.05）。在后肠中,罹患乳房炎奶牛有41个属的相对丰度较低,而健康奶牛有24个属的相对丰度较高（P<0.05）。上述结果表明,在不同乳房健康状况下奶牛瘤胃、后肠微生物都存在差异,主要表现为优势菌群相对丰度低,而多个低丰度菌群相对丰度高。3.奶牛乳房炎治愈前后胃肠道微生物及其代谢变化本部分采集乳房炎治愈前后奶牛,分析胃肠道微生物的变化情况,进一步探究奶牛乳腺健康与胃肠道微生物的关系。跟踪5头亚临床乳房炎组（SCM）,4头来自乳房炎组（CM）的奶牛共9头,采集其治愈（RE）前后奶样、瘤胃样和血样进行分析。与治愈前相比,RE奶牛的SCC极显著下降（P<0.05）,乳糖含量显著升高（P<0.05）,其他指标上无显著变化（P>0.05）。RE奶牛血液中天冬氨酸转氨酶,β-羟丁酸和总胆固醇含量显著降低（P<0.05）,而总胆红素和肌酐含量显著升高（P<0.05）;治愈后奶牛瘤胃发酵参数无显著变化（P>0.05）。瘤胃中有4个属于Firmicutes门的菌属相对丰度在治愈前后发生显著变化（P<0.05）;而在后肠中,治愈前后奶牛有2个门（Firmicutes和Actinobacteria）和1 1个属（其中10个来自于Firmicutes）的细菌相对丰度发生变化,通过后肠代谢组学与微生物组学结果关联分析,揭示了它们与奶牛乳房炎的潜在联系。与瘤胃相比,奶牛后肠中的微生物和代谢物可能与乳房炎治愈过程更加密切。对瘤胃液、粪便（后肠）、血液和牛奶进行代谢组分析,分别鉴定得到165,256,234和143个代谢物,其中差异代谢物分别有6,27,11和7个（P<0.05,VIP>1）。PCA分析发现,奶牛治愈前后的代谢模式在瘤胃液、血清和牛奶中没有明显分开,而后肠中则显示明显的分离,提示后肠代谢在乳房炎治愈过程中变化最大。4.奶牛胃肠道微生物预测高SCC奶牛乳腺健康状态本部分的目的是探究可指征奶牛乳腺健康的潜在胃肠道细菌。分析第二部分试验奶牛的结果发现,20头亚临床乳房炎奶牛的瘤胃和后肠微生物呈现不同偏向,部分偏向健康（SCMH）,而部分偏向临床乳房炎（SCMC）,表明尽管这些奶牛都处于高SCC状态,但其胃肠道微生物有差异,可能存在某些能够指征乳腺健康状态的微生物。因此,将20头奶牛分为高体细胞数健康（SCMH,9头）与高体细胞数乳房炎（SCMC,11头）两组,分别构建随机森林模型,筛选可指征高SCC奶牛乳腺健康的潜在瘤胃和后肠微生物。两组奶牛的胎次、泌乳天数和体细胞数没有显著差异（P>0.05）。与SCMC奶牛相比,SCMH奶牛的奶产量、乳糖和牛奶尿素氮含量均显著较高（P<0.05）;瘤胃乙酸含量极显著较低（P<0.01）,而丁酸、异戊酸和戊酸含量上显著较高（P<0.05）;血液天冬氨酸转氨酶、葡萄糖和总胆固醇等指标与组间差异显著（P<0.05）。SCMH组奶牛的瘤胃和后肠微生物Shannon指数均极显著低于SCMC组（P<0.01）,在瘤胃和后肠微生物β多样性上均与SCMC组有明显分离。利用随机森林模型筛选出了一些瘤胃和后肠上可指征高SCC奶牛乳腺健康的潜在微生物:瘤胃菌属中Erysipelotrichaceae UCG 004和[Eubacterium]xylanophilum group对模型的重要性最高（MDA值>3）最高,而后肠菌属中Family Ⅷ AD3011 group 最为重要（MDA>3）;Bacteroides和 unculturedfF082是重要性位于第二和第三的菌属（MDA值>2.5）。这些菌属可作为潜在的指征物,对高SCC奶牛的乳腺健康状态进行指征。综上所述,奶牛胃肠道微生物与乳腺健康存在关联,其中后肠微生物与奶牛乳房炎的治愈过程存在更密切的关系。奶牛胃肠道特定菌属作为乳房炎潜在标记物,可用于协同牛奶SCC对乳腺健康状况进行指征。