Effects of concentrate supplementation on fecal microbiota, serum metabolomics, and proteomics in grazing Yili horses

기술 요약: 방목 중인 이리(Yili) 말의 분변 미생물군집, 혈청 대사체 및 단백질체에 대한 농축 사료 보충의 효과

문제 제기
중국의 이중 목적 품종인 이리 말은 자연 방목에 의존하며, 이는 계절적 변동과 강수량 변화에 따라 초지의 질과 영양 가용성이 저해될 수 있다. 천연 초지는 조사료를 제공하지만, 초기 포유기 암말의 구체적인 에너지 및 단백질 요구량을 충족시키지 못할 수 있으며, 이는 잠재적으로 암말의 건강 관리와 암말 유 자원 개발을 제한할 수 있다. 농축 사료 보충은 이러한 영양적 격차를 해결하기 위한 알려진 전략이지만, 이러한 보충이 방목형 말의 후장 발효, 미생물 군집 구조, 그리고 숙주의 전신 대사(대사체 및 단백질체) 사이의 복잡한 상호작용에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 통합적인 연구는 부족한 실정이다.

연구 방법
본 연구는 16마리의 초기 포유기 이리 암말(3~4세, 약 391.5kg)을 대상으로 통제된 100일 실험(10일간의 적응기, 90일간의 시험기)을 수행하였으며, 대상은 두 그룹으로 무작위 배정되었다:

• 방목 그룹 (G): 자연 초지에서 방목됨.
• 방목 + 보충 그룹 (GS): 자연 방목과 더불어 조제된 농축 사료 보충제(옥수수 52%, 대두박 20%, 밀기울 12%, 보리 10%, 미네랄/비타민 포함)를 일일 2kg 섭취함.

데이터 수집 및 분석:

• 시료: 분변 시료(발효 파라미터, pH 및 16S rRNA 시퀀싱용)와 혈액 시료(생화학적 지표, 대사체 및 단백질체 분석용)를 90일째에 수집하였다.
• 분변 분석: 가스크로마토그래피를 통해 휘발성 지방산(VFA)을 측정하고, PacBio full-length 16S rRNA 시퀀싱을 사용하여 미생물 다양성을 평가하였다.
• 혈청 분석:
  • 생화학: 자동 분석기를 사용하여 포도당, 지질, 간 효소 및 빌리루빈을 측정하였다.
  • 대사체학: 미량의 차이를 식별하기 위해 비표적 UPLC-MS/MS (ESI+ 및 ESI-)를 사용하였다.
  • 단백질체학: DIA 기반 LC-MS/MS (Orbitrap Astral)를 사용하여 혈청 단백질을 정량화하였다.
• 통계: 생화학 데이터에는 독립 t-검정을, 대사체학에는 OPLS-DA를, 미생물군집에는 LEfSe를 적용하였으며, 미생물군집, 발효, 대사체 및 단백질을 연결하기 위해 상관관계 분석(Spearman)을 수행하였다.

주요 결과

• 분변 발효 및 미생물군집:

  • GS 그룹은 G 그룹에 비해 분변 프로피온산(propionate) 및 부티르산(butyrate) 농도가 유의하게 높았고, 분변 pH와 아세테이트-프로피온산 비율(acetate-to-propionate ratio)은 낮았다.
  • 미생물 다양성(Simpson 지수)은 GS 그룹에서 더 높게 나타났다.
  • 속(Genus) 수준의 변화: GS 그룹은 Treponema와 Oliverpabstia의 상대적 풍부도가 유의하게 높았던 반면, G 그룹은 Lachnoclostridium, Roseburia, Anaerosacchariphilus, Coprococcus의 풍부도가 더 높았다.
  • 상관관계 분석 결과, Treponema는 부티르산과 양의 상관관계를 갖고 pH와는 음의 상관관계를 보였으며, 섬유 분해 속(genera)인 Lachnoclostridium, Rosebuia는 보충 그룹에서 발효 생성물과 음의 상관관계를 보였다.

• 혈청 생화학:

  • 농축 사료 보충은 혈청 포도당(GLU)을 유의하게 증가시켰다.
  • 총 빌리루빈(TBIL), 총 콜레스테롤(TC), 고밀도 콜레스테롤(HDL-C)을 유의하게 감소시켰다.
  • 요소, ALT, AST 또는 중성지방과 같은 다른 지표에서는 유의한 차이가 발견되지 않았다.

• 혈청 대사체학:

  • 487개의 차별적 대사체가 식별되었다 (GS에서 상향 조절 78개, 하향 조절 409개).
  • KEGG 농축 분석 결과 트라이카르복실산(TCA) 회로, 뉴클레오타이드 대사, 담즙 분비, 비타민 B6 대사 및 피루브산 대사와 관련된 경로가 강조되었다.
  • GS 그룹에서 증가한 특정 물질로는 에스트론-3-황산염(estrone-3-sulfate), 푸마르산(fumaric acid), 요산(uric acid), 구연산(citric acid)이 있었으며, 감소한 물질로는 시스-아코니테이트(cis-aconitate), 이노신(inosine), 구아닌(guanine)이 있었다.

• 혈청 단백질체학:

  • 31개의 차별적 발현 단백질(DEP)이 식별되었다 (GS에서 상향 조절 20개, 하향 조절 11개).
  • 상향 조절: Peroxiredoxin-5 (PRDX5), lactoylglutathione lyase (GLO1), transketolase, ATP1A1 및 여러 면역 관련 단백질(예: 면역글로불린 경쇄 파편, 알파-1-안티트립신).
  • 하향 조절: 인지질 전이 단백질, annexin, 칼리크레인 관련 펩티다제 11 및 특정 면역글로불린 파편.
  • 기능적 농축 분석은 피루브산 대사 및 오탄당 인산 경로를 중심으로 대사 과정, 자극에 대한 세포 반응 및 면역 체계 프로세스를 가리켰다.

주요 기여
본 연구는 다중 오믹스 관점에서 농축 사료 보충이 방목 중인 이리 말의 생리적 상태를 어떻게 변화시키는지 설명한다. 분변 미생물군집, 발효 파라미터, 혈청 대사체 및 단백질체를 통합함으로써, 본 연구는 식이 전분 섭취와 숙주 대사 적응 사이의 기계적 연결 고리를 규명한다. 연구는 사료 보충이 후장 발효를 프로피온산 및 부티르산 생성 쪽으로 전환시키고, 포도당 가용성과 항산화 능력을 높이는 동시에 지질 및 담즙산 대사를 조절한다는 것을 보여준다.

의의 및 주장
저자들은 적절한 농축 사료 보충(일일 2kg)이 방목 중인 이리 말의 분변 발효 패턴과 미생물 구성을 효과적으로 변화시킨다고 결론짓는다. 본 연구는 이러한 식이 변화가 혈청 포도당 및 지질 대사, 담즙산 대사, 항산당 반응 및 에너지 대사와 관련된 경로를 조절한다는 점을 주장한다. 특히, 항산화 단백질(PRDX5, GLO1)과 오탄당 인산 경로에 관여하는 효소의 상향 조절은 대사 완충 및 해독 능력이 향-상되었음을 시사한다.

본 논문은 이러한 발견이 방목 중인 이리 말, 특히 포유기 동안의 영양 및 대사 상태를 개선할 수 있는 농축 사료 보충의 이론적 근거를 제공한다고 상정한다. 본 연구의 목적은 초지의 생태적 안정성을 유지하면서 말의 건강을 최적화할 수 있는 정밀 영양 관리 및 급여 전략을 위한 이론적 토대를 제공하는 데 있다. 저자들은 Treponema의 풍부도가 증가했다는 점(때로 염증과 연관되는 속)을 명시하며, 조직학적 변화를 측정하지 않았으므로 이 잠재적 위험에 대해서는 주의 깊게 언급하였다.