科研 | ISME：具有遗传变异谱的牛模型中宿主对早期肠道菌群的遗传效应
编译：小鹿同学，编辑：小菌菌、江舜尧。
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多种协同因素影响哺乳动物肠道菌群的发育和组成，但宿主遗传学的影响仍不清楚。为了阐明宿主遗传学在肠道菌群中的作用，研究者以犊牛为研究对象，通过16S rRNA基因测序、微生物群落分析、实时荧光定量PCR、统计学分析等手段研究发现，3个月大的断奶前犊牛体内肠道菌群受到宿主遗传学的显著影响，且父本影响更为显著。同时，研究者还证明宿主粘蛋白编码基因的单核苷酸多态性对肠道粘膜的健康至关重要，且与品种组成、粘蛋白降解细菌均显著相关。研究者进一步证明了宿主遗传学通过微生物-微生物相互作用间接改变了肠道菌群的组成。
论文ID
原名：Host genetic effects upon the early gut microbiota in a bovine model with graduated spectrum of genetic variation
译名：具有遗传变异谱的牛模型中宿主对早期肠道菌群的遗传效应
期刊：The ISME Journal
IF：9.493
发表时间：2019.10
通讯作者：KwangcheolC. Jeong
通讯作者单位：美国佛罗里达大学新兴病原体研究所和食品与农业科学研究所动物科学系
实验设计
为了探究宿主遗传学对肠道菌群早期形成的影响，研究者采用具有渐变遗传分布范围且受环境影响最小的动物——犊牛为研究对象。首先，研究者利用MAB群体繁育了6个品种系（BGs）犊牛，并通过遗传距离和生理参数来评估这六个品种系；接着，研究者利用16SrRNA测序分析犊牛粪便样本中其早期肠道菌群，从而探究肠道菌群组成与犊牛品种之间的关系；同时，研究者利用多元线性回归模型分别探究了父系品种组成和母系品种组成对犊牛肠道微生物群结构的影响差异；其次，根据SNP基因分型分析技术，研究者分析了与犊牛品种组成相关的粘蛋白编码基因；最后，为了使分析结果更具有普适性，研究者通过共生细菌网络分析法分析了宿主遗传对细菌-细菌互作的影响。
结果
1 动物育种以产生具有不同品种组成的牛群
为了了解宿主遗传学对肠道菌群组成早期形成的影响，研究者使用独特的多品种Angus-Brahman（MAB）群体繁殖了具有不同品种组成的犊牛（图1a）。根据品种组成、年龄和性别，研究者从278只新生犊牛中选择了228只断奶前犊牛。将来自六个品种系（BGs）的24只公牛和来自相同六个BGs的228只母牛进行交配，结果自然产生了228只犊牛（图1b）。所有犊牛都在相同的环境条件下与母牛一起在牧场上饲养。根据犊牛的品种组成，也将犊牛按照从100% Angus到100 Brahman品系分成6个品种系（BGs）（图1c）。补充表S1中列出了断奶前犊牛的信息，包括年龄、性别、品种组成及其父系、母系的品种组成。犊牛的Brahman品系（图1c）及其父系、母系（图1d）的比例从BG1到BG6呈现逐渐增加的趋势，其年龄范围（图1e）和性别（图1f）在6个BGs中也具有相似的分布。
图1.动物育种以产生具有不同品种组成的犊牛。a. 1989年形成的独特多品种Angus–Brahman（MAB）种群在佛罗里达州的牧场上饲养。犊牛根据它们的品种组成将其分成六个品种组（BGs）。BG1到BG6品种组中犊牛的品种范围是100%Angus品系到100%Brahman品系。b.在MAB种群中进行Diallel设计的交配，即六个父系BGs组与六个母系BGs交配。c. 本实验中研究的228只断奶前犊牛中的Brahman品系比例。d. 从BG1到BG6品种组犊牛父系和母系中Brahman品系比例逐渐增加。在六个BGs品种组中年龄（e）和性别（f）的分布并没有显著差异。每一个散点图和条线图中，基于单向方差分析（ANOVA）和随后的Tukey HSD测试（用于多个均值的成对比较）的结果，没有上角标的值存在显著差异（P<0.05）。c~e图中条形表示平均值±SEM。
通过检测牛群的遗传距离和生理参数来评估研究种群遗传组成的逐渐变化（图2）。在PCA图中，PC1和PC2分布代表整个遗传数据中变异的11.86%和2.45%（图2a）。PC1与通过谱系估计的Brahman品系比例具有很强的相关性（R=0.97，P=2.2×10-16），表明谱系估计和单核苷酸多态性（SNP）分型分析评估之间在种群结构上具有很强的一致性。
图2. 育种产生犊牛的基因型和表型。a. 基于SNP基因分型数据的PCA图显示6个BGs品系组中犊牛的遗传距离。点的颜色代表根据谱系估计的犊牛BG分组。b. 断奶前犊牛的体重增加与犊牛的Brahman品系比例呈现负相关。c.犊牛中血浆内葡萄糖的水平倾向于和犊牛的Brahman品系比例呈现正相关。d.血浆中游离脂肪酸（NEFA） 的水平与犊牛的Brahman品系比例呈现正相关。e. 血浆中IgG1水平与与犊牛的Brahman品系比例呈现负相关。b-e中Brahman品系比例根据谱系估计。
对于生理分析，应用了多元线性回归模型，其中以Brahman品系比例、犊牛日龄和性别作为3个自变量，而表型包括体重增加、葡萄糖、游离脂肪酸（NEFA）和IgG1的浓度等作为因变量。本研究中考虑的所有表型均与品系组成显著相关或具有趋向性（图2b~e）。Brahman品系比例较高的犊牛体重减轻（图2b，P=0.0027）、血浆内葡萄糖浓度较高（图2c，P=0.050）且NEFA水平也高（图2d，P=0.022）。这些数据与之前的研究结果一致，之前的研究表明，与Angus品系犊牛相比，Brahman品系犊牛的生长速度较慢，能量消耗较高。此外，研究者观察到Brahman品系比例较高的犊牛血浆内IgG1水平较低（图2e，P=0.0002），表明不同品种犊牛的全身免疫功能存在差异。这可能支持以前观察到的结果，即与Bos taurus品系相比，Bos indicus品系对寄生虫的抵抗力更高，部分原因可能是其在皮肤中具有独特的免疫特征。综上所述，这些数据表明研究者繁育出属于6个BGs的犊牛，它们的品种组成与所测表型一致。
2 肠道菌群组成因犊牛的品种组成而异
为了表征MAB群体犊牛的早期肠道菌群，研究者进行了16S rRNA基因测序。每个粪便样品平均产生了114,771±2917（平均值±SEM）个原始配对末端的原始数据，接着研究者根据13,656到81,888的范围将其聚集成40850±765（平均值±SEM）个OTUs。测序深度统一标准为每个样品得到13,650个数据，从而用于下游分析。
尽管在6个BGs组中通过多样性指数检测的α多样性是相似的（图3a，P>0.05），但通过加权UniFrac距离测定的β多样性可以解释在6个BGs组胃肠道（GI）中细菌出现和丰度之间的差异，且两者之间存在显著差异（图3b，P=0.047）。如PCoA图中所示，PC1和PC2表明在228只犊牛的肠道菌群组成中存在40%的变异（图3b）。遗传距离最远的BG6在PCoA图中显示与BG1具有清晰的分离。然而，与BG6相比，遗传距离较近的BGs、BG2、BG3、BG4和BG5显示与BG1之间的分离较少，表明不同肠道菌群结构受到品种组成逐渐变化的影响。
图3. 六个BGs组中断奶前犊牛体内肠道菌群的α和β多样性。a. 六个BGs组中的Shannon指数。六个BGs组中Shannon指数使用单向方差分析（ANOVA）和随后的Tukey HSD测试（用于多个均值的成对比较）来分析。横线代表平均值±SEM。b. 通过加权UniFrac群落距离得到的PCoA图中，比较了六个BGs组之间肠道菌群的结构。通过相似性分析（ANOSIM）分析了六个BGs组之间加权UniFrac距离的差异。
为了确定受品种组成影响的特定细菌，研究者分析了品种组成与患病率以及细菌相对丰度之间的相关性。在超过50%的样品（至少一个BG）内存在的734个OTUs之中，经过多重比较的校正之后，20.8%的患病率（153个OTUs）表现出与品系组成显著相关（P调整后<0.05）。有78个OTUs在Angus品系比例较高的犊牛中至少在科水平上拥有更高的患病率（图4a），而其他56个OTUs在Brahman品系比例较高的犊牛中患病率较高（图4b）。这些与品系相关的OTUs主要属于Ruminococcaceae和Bacteroidaceae。为了探索品种组成对胃肠道内细菌丰度的影响，研究者利用了具有三个独立变量的多元线性回归模型：Brahman品系比例、犊牛日龄和性别；以及至少80%粪便样品中存在的核心细菌的相对丰度为一个因变量。结果已分类的核心细菌科或属水平上的相对丰度与品种组成呈线性相关，而这些细菌的组成中大约30%微生物群落是确定的。
图4. 六个BGs品系组中断奶前犊牛的肠道菌群组成。a,b 热图代表六个BGs品系组中OTUs的普遍程度。热图中仅包括至少在科水平上的分类且其患病率与Brahman品系比例显示正相关或负相关的OUTs（P调整后<0.05）。c.六个BGs组中核心细菌（228只犊牛中至少在80%犊牛中可以鉴定到的细菌）的相对丰度。条形图中仅包括受品种组成线性影响的细菌（通过多元回归线性模型进行分析）。d.BG1和BG6组之间Faecalibacterium prausnitzii拷贝数的倍数差异。e. BG1和BG6组之间Clostridium perfringens拷贝数的倍数差异。d~e.图中数据为平均值±SEM，具有统计学差异。*P<0.05；**P<0.01
有趣的是，Brahman品系比例更高的断奶前犊牛体内的细菌种类更为丰富，包括Coprococcus，Faecalibacterium，Blautia和Butyrivibrio，它们是消化纤维素和产生丁酸盐的有益菌。同样的，基于未观测状态的重建菌群系统发育研究（PICRUSt）预测到Brahman品系比例更高的断奶前犊牛体内参与碳水化合物代谢的微生物基因更为丰富，特别是参与果糖、甘露糖、半乳糖、淀粉和蔗糖代谢的基因。相反，Angus品系比例较高的犊牛体内预测的细菌具有更强的脂质和氨基酸代谢能力。Campylobacter和Enterobacteriaceae通常是引发犊牛腹泻的致病菌种类，同时粘蛋白降解细菌，如Akkermansia，Rikenellaceae和Clostridium，它们都在Angus品系比例较高的品种系体内有更高的丰度。粘蛋白是肠粘膜屏障的重要组成部分。据报道，粘蛋白降解细菌的增多使粘蛋白作为一种碳源或氮源被降解，从而使肠壁屏障减少，导致宿主对胃肠道病原体的敏感性增加。
为了验证通过16S rRNA基因测序得到的细菌丰度上的差异，研究者在BG1和BG6品系中选择了两种细菌F. prausnitzii和C. perfringens，从而进行qPCR验证。这两种细菌分别代表产生丁酸盐的细菌和机会致病细菌。与16SrRNA基因测序数据结果一致，BG6品系中F. prausnitzii的拷贝数是BG1品系中的8倍（图4d，P=0.006）；而BG6品系中的致病菌C. perfringens仅仅占BG1品系的40%（图4e，P=0.011）。
3 父系组成主要解释了断奶前犊牛品种之间肠道微生物群结构的差异
在整个研究过程中，小牛群都在同一个牧场上饲养。尽管断奶前犊牛可以食用相同的饮食，包括补充饲料，但由于母系品种组成的变化，使母牛提供的牛奶营养成分可能有所不同。因此，为了探究仅受父系品种组成的遗传学影响，研究者根据犊牛的品种组成对犊牛进行了分组，以消除母牛品种组成引起的牛奶营养成分变化等任何可能影响。根据犊牛父系的品系组成将其重新分为四个种牛品系组（S-BGs）（图5a）: S-BG1（由属于BG1的父系繁殖的犊牛），S-BG2&3（由属于BG2和BG3的父系繁殖的犊牛），S-BG4&5（由属于BG4和BG5的父系繁殖的犊牛），S-BG6（由属于BG6的父系繁殖的犊牛）。为了最大程度地减少由母系品种引起的遗传差异，由属于BG1到BG6的母系繁育的犊牛被排除在分析之外，从而使父系后代的母牛品种组成保持平衡。因此，S-BGs中断奶前犊牛的品种组成差异主要是由父系品种组成引起的差异，而S-BGs的母系品种组成比较相似。四个S-BGs组（图5b）之间在相似年龄范围和性别上的α多样性并没有表现出显著差异。但是，PCoA图（图5c）显示，在四个S-BGs之间，其肠道菌群结构显著不同（P=0.039）。多元线性回归模型中犊牛年龄、性别、Brahman父系的比例、Brahman母系的比例为自变量，而核心细菌的相对丰度为因变量，表明已分类核心细菌中大约有30%~45%与Brahman父系的比例呈线性相关（图5d）。此外，与6个犊牛BGs中Brahman品系比例呈线性相关的大多数细菌的相对丰度也与四个S-BGs的犊牛Brahman品系比例相关。这些细菌包括纤维降解细菌（Coprococcus，Blautia，Faecalibacterium和Butyrivibrio）和致病性细菌（Clostridium，Campylobacter和Enterobacteriaceae），以及降解粘蛋白的Verrucomicrobia和Rikenellaceae。研究者还评估了父系品种组成对四种S-BGs中犊牛表型（包括体重增加、葡萄糖、NFEA和IgG1水平）的影响，但结果显示只有IgG1水平倾向于与父系的Brahman品系比例呈负相关。
图5.犊牛父系的品种组成主要解释了六个BGs组中断奶前犊牛肠道菌群的线性变化。a.根据犊牛父系的品种组成，将断奶前犊牛重新分成四个父系-BGs组。b.四个父系-BGs组之间的Shannon指数。c. 通过加权UniFrac群落距离得到的PCoA图中，比较了四个父系-BGs（S-BGs）组之间的肠道菌群组成。d.核心细菌的相对丰度与父系品种组成呈现线性关系。e. 根据犊牛母系的品种组成，将断奶前犊牛重新分成五个母系-BGs（D-BGs）组。f. 五个D-BGs组之间的Shannon指数。g. 通过加权UniFrac群落距离得到的PCoA图中，比较了五个D-BGs组之间的肠道菌群组成。h. 核心细菌的相对丰度与母系品种组成呈现线性关系。b,f图中横线表示平均值±SEM。
接着，研究者根据母系品种组成对犊牛进行重新分组，从而探索母系品种组成对犊牛早期肠道菌群的影响（图5e）。为了平衡母系后代中的公牛品种组成，将属于BG1到BG6组父系种牛繁育的犊牛去除后，并将属于BG5和BG6的犊牛合为一组。因此，五个母牛种系组（D-BGs）中的断奶前犊牛的品种组成差异主要是由于母牛品种组成之间的差异引起的。出人意料的是，与四个S-BGs中肠道菌群的剧烈变化不同，五个D-BGs中的细菌多样性（图5f）和微生物群结构（图5g）之间没有显著差异。基于多元线性回归模型分析，仅五个细菌科/属被鉴定与母牛品种组成呈显著线性相关（图5h）。然而，母牛品种组成与犊牛生长显著相关（P=0.0002），与BG6中母系繁殖的犊牛相比，BG1中母系繁殖的犊牛体重增加更多。但是，在母系品种组成与血浆葡萄糖、NEFA和IgG1浓度之间没有发现显著关联（P>0.10）。综上所述，父系的品种组成对后代早期肠道菌群的结构产生了深远影响，然而母系品种组成对肠道菌群没有明显的影响。
4 粘蛋白编码基因中的SNP基因型、品种组成与粘蛋白降解细菌有关
由于几种粘蛋白降解细菌与品种组成呈线性关系，研究者假设犊牛之间粘蛋白编码基因的基因型变异可能会导致粘蛋白降解细菌的相对丰度差异。在通过基因分型鉴定的位于粘蛋白编码基因中或附近的327个SNP标记中，有173个SNP具有已知的rs ID，且次要等位基因频率高于1%，这些数据用于下游分析。斯皮尔曼等级相关系数表明，位于粘蛋白编码基因内或附近的108个SNP标记的基因型与品种组成之间显著相关（图6a，rs>0.20或 rs < -0.20，P调整后<0.005）。
图6. 位于粘蛋白编码基因中或附近的SNP的基因型、品种组成与降解粘蛋白的细菌的数量有关。a.热图代表了位于粘蛋白编码基因的SNP基因分型随品种组成的线性变化。b.在rs43764633 (MUC12)处有不同基因分型的断奶犊牛中，Clostridium的相对丰度（已经过log10转化）。c~ e.在rs134555951 (MUC13), rs208323556 (MUC20), 和rs208812969(MUC4)处有不同基因分型的断奶犊牛中，Rikenellaceae的相对丰度（已经过log10转化）。每一个散点图中，基于单向方差分析（ANOVA）和随后的Tukey HSD测试（用于多个均值的成对比较）的结果，没有上角标的值存在着显著差异（P<0.05）。
为了进一步探究粘蛋白编码基因内或附近的SNP基因型与粘蛋白降解细菌之间的联系，研究者使用多元线性回归模型，其以152个与品种相关的SNP基因型、Brahman品系比例、犊牛日龄和性别作为四个自变量，以Angus品系比例较高的犊牛体内较丰富的三种粘蛋白降解细菌（Clostridium，Rikenellaceae和Akkermansia）的相对丰度作为因变量。研究者发现有34个粘蛋白编码基因的SNP基因型与粘蛋白降解细菌的相对丰度呈线性相关。在图6b~e中，研究者展示了与细菌最相关的四种SNP基因型，及粘蛋白降解细菌之间相对丰度的差异。这些SNPs位于MUC12 (rs43764633)，MUC13 (rs134555951)，MUC20 (rs208323556)和MUC4 (rs208812969)，它们在牛胃肠道中表达。
5 宿主遗传对微生物-微生物相互作用的影响
为了使分析结果不局限于所选择的宿主-微生物之间的相互作用，研究者使用一种共生网络分析技术对细菌-细菌之间的相互作用进行分析。该分析是针对粪便样本中超过50%的样品存在的57个已分类的核心细菌科或属而进行的。在微生物之间共有550个连接具有显著的斯皮尔曼等级相关性（P调整后<0.05，rs>0.20或 rs <-0.20）（图7）。在Bacillus和Lysinibacillus之间检测到最强的正相关性（rs =0.8043），而在5-7N15和Bacteroides之间则检测到最强的负相关性（rs = -0.802）。尤其是，降解粘蛋白细菌（Clostridium，Rikenellaceae和Akkermansia）和其它细菌之间分别具有21,31和32的相关性，包括与产生丁酸盐的细菌（Blautia，Faecalibacterium和Coprococcus）呈负相关，与机会致病细菌（Campylobacter）呈正相关。
图7. 共生细菌网络显示，断奶前犊牛中的57个细菌科或属（在228头犊牛中至少50%鉴定到）之间有550个重要连接（P调整后<0.05，rs>0.20或 rs < -0.20）。根据斯皮尔曼等级相关系数来检测这些连接。点的大小表示与其他单元之间连接的数目。线的粗细代表相关性的强度。与品种组成相关的种属在红色框中显示。
6 肠道菌群对犊牛的潜在贡献
为了进一步探究肠道菌群对MAB种群的潜在影响，研究者使用多元线性回归模型分析了核心细菌相对丰度与犊牛生长、代谢参数或免疫参数之间的联系。细菌的相对丰度与年龄、Brahman品系比例和性别作为一个解释变量。许多细菌（包括产生丁酸盐的细菌Faecalibacterium和Coprococcus）在Brahman品系比例较高的犊牛体内丰度较高，且它们与犊牛体重增加呈正相关。同时检测到体重增加与Bacteroidaceae，Peptostreptococcaceae，Clostridiaceae，Bacillus和Streptococcus的相对丰度呈负相关，这也可能包括机会性致病的细菌（图8）。此外，研究者还确定厚壁菌门的细菌与血浆中葡萄糖水平存在正相关，而拟杆菌门细菌与血浆中NEFA水平呈现负相关。然而，细菌的相对丰度与血浆中IgG1水平检测到很少且很弱的相关性（图8）。
图8. 热图显示了通过多元线性回归模型分析的核心细菌的相对丰度与犊牛体重增加、血浆中葡萄糖、NEFA和IgG1浓度之间的关联。
讨论
为了了解宿主遗传对肠道菌群结构的影响，研究者繁育了一个非常独特的动物模型，其品种组成呈线性变化，且在相同的环境条件下以相同的饮食饲养它们，以最大程度地减少非遗传学的影响。通过使用这个动物模型，研究者观察到宿主遗传对肠道菌群结构造成的影响。
在1980s年代初，研究者通过培养观察到五对同卵双生之间比异卵双生之间共享更多相似的粪便微生物，同时提出了宿主遗传对肠道菌群的影响。接着，随着下一代测序技术的发展以及更大规模的双胞胎样本研究，证实了宿主遗传在肠道菌群结构中的作用，随后检测出宿主SNP与细菌丰度之间的关联。然而，宿主遗传对肠道菌群的影响强度尚未达到共识，这主要因为研究中所涉及的样本规模不同，也可能是遗传距离差异以及年龄、饮食和生活方式等其他因素导致的。这些因素可能掩盖了先前研究中宿主遗传对肠道微生物的显著作用，导致实验者错误的判定宿主SNP和细菌丰度之间的可重复关联性。
在这项研究中，研究者发现MAB种群犊牛中的核心微生物属受到品种组成的线性影响，并与测得的表型相一致。Brahman品系比例较高的犊牛具有较少的粘蛋白降解细菌和机会致病菌，但产生丁酸盐的细菌更多，因其具有消炎作用，它们通常被认为是有益的共生细菌。出乎意料的是，当研究者根据父系品种组成对犊牛重新分组以最大程度地降低母体的影响（如牛奶成分）时，研究者发现父系遗传对早期肠道菌群结构具有重要影响。然而，当犊牛根据其D-BGs重新分组时，并未观察到相同的效果。犊牛BGs品系和S-BGs中许多细菌相对丰度之间的一致性关联表明，宿主遗传影响（尤其受父系影响很大）3个月大的犊牛体内早期肠道菌群结构的形成。先前的研究已经揭示了父系品种对饲育场中肉牛瘤胃微生物种群的影响，这与瘤胃发酵和甲烷释放有关。本研究报告了父系繁殖对牛后肠微生物群和肉牛生命早期生长性能的强烈影响。但需要进一步的研究来确定这种强烈影响在牛接下来的发育阶段中持续多久，同时本研究中忽略了可能受宿主遗传影响的细菌类群丰度有多低，这可能也具有重要的生物学意义。
母系品种组成对犊牛胃肠道微生物群发育的较小影响是比较令人惊讶的。尽管几种细菌的相对丰度与母系品种组成呈线性关系，但与受父系品种组成影响的细菌数量相比，数量明显减少。但是，值得注意的是，母系的繁育效应可能要更加复杂。尽管研究者重新对犊牛进行了分组，以最大程度地减少宿主遗传因素对母体的影响，但其它母体效应（比如牛奶成分）可能掩盖了潜在的未被发现的遗传效应。此外，与S-BGs中犊牛相比，D-BGs中的犊牛之间的遗传关系可能更为复杂，因为更多的母系进行交配可能会导致D-BGs中犊牛之间的遗传变异性更高。
肠道菌群的主要功能之一是保护肠道内膜免于病原体的定殖。有趣的是，在与品系比例呈线性相关的细菌中，致病菌（C. perfringens和Campylobacter）在Brahman品系比例较高的犊牛体内的丰度更低。由于毒素的产生，C.perfringens和Campylobacter都被认为是犊牛引起肠道疾病的原因。此外，研究者还观察到随着Brahman品系比例的降低，几种降解粘蛋白的细菌相对丰度也降低。据报道，粘蛋白降解细菌的增加与致病菌的定殖呈正相关，这是由粘蛋白的降解引起的，其中粘蛋白是肠上皮屏障的重要组成部分。不出所料，在本研究中检测到粘蛋白降解细菌和致病菌之间存在正相关。研究者进一步观察到位于粘蛋白编码基因内或附近的SNP基因型与品种组成之间呈线性相关，以及粘蛋白降解细菌（Clostridium，Rikenellaceae和Akkermansia）和位于粘蛋白编码基因（MUC4，MUC12，MUC13和MUC20）的SNP标记之间的强相关性，这阐明了MAB种群中粘蛋白降解细菌的变化。包括大肠在内的牛胃肠道中已经检测到四种粘蛋白基因的转录。在人体研究中，膜结合的MUC4保护了结肠的上皮细胞。MUC12和MUC20也参与上皮细胞的保护，且在克罗恩病患者体内，结肠和回肠中的MUC12和MUC20出现明显下调。据报道，MUC13在人肠粘膜表面高表达，而MUC12的多态性与炎症性肠道病有关。因此，牛粘蛋白基因的多态性可能会导致不同品种组成的犊牛宿主防御系统发生变化，并导致肠道菌群根据宿主遗传背景而出现差异。
在这项研究中，研究者主要侧重于了解断奶前阶段犊牛的肠道微生物群的影响，在此阶段瘤胃尚未发育完全，因此，后肠对于犊牛能量的获取至关重要。此外，在这个阶段，动物生长较快，免疫力开始增强，且胃肠道微生物群的多样性比牛晚期阶段的更大。基于这些结果，研究者假设宿主遗传可能会对早期肠道菌群产生更强的影响，从而进一步促进动物的发育。与Angus品系的牛相比，Brahman品系牛具有更强能力去利用蛋白和可溶性碳水化合物含量更低的劣质饲料。相反，Angus品系牛生长更快，且与Brahman品系牛相比，它们肉中的细脂肪纹路更多。研究者发现纤维降解细菌（F.prausnitzii，Blautiaproducta，Oscillospira和Coprococcus）由于其产生丁酸盐，被认为是牛和人体内的有益肠道菌，它们随着Brahman品系比例增加而呈线性增加。值得注意的是，产生丁酸盐的细菌在Brahman品系比例较高的犊牛体内拥有更高的丰度，且其与犊牛体重增加正相关，说明它们利于犊牛早期对能量的收集。本研究的结果也表明，MAB种群代谢状态的变化也反映在犊牛体重增加、血浆中葡萄糖和NEFA的浓度。正如PICRUSt预测（其与宏基因组测序数据高度吻合）的那样，随着Brahman品系比例的增加，参与碳水化合物代谢途径的微生物基因的相对丰度呈线性增加，然而参与氨基酸和脂质代谢途径的微生物基因的相对丰度随着Angus品系比例的增加而增加，表明品系组成影响提供给肠道共生细菌的营养环境。
研究者还发现，血浆中IgG1的水平（循环系统中的主要抗体）随着犊牛和父系种牛的Brahman品系比例的增加而线性降低，说明宿主遗传对系统免疫具有连锁作用。当感染性疾病出现时诱导IgG1自身结合病原体从而保护宿主。因此，Brahman品系比例较高的犊牛可能具有较低的IgG1的水平，因为它们在胃肠道中的病原菌较少。尽管Bos indicus被称为抗病品种，并在热带地区广泛用于动物育种，但由于其皮肤厚实，大多数研究都集中在寄生虫抗性上，很少探究其免疫功能及其与其它传染病之间的关系。BGs中犊牛粘蛋白基因的基因型、血浆中IgG1的表达以及致病菌丰度之间的差异表明，与Bos taurus品种相比，Bos indicus品种可能具有不同的先天免疫和适应性免疫，从而可以更好地抵抗传染病。
除了品种比例，研究者还使用多元线性回归模型评估了年龄和性别对断奶前犊牛肠道微生物群结构的影响。与先前发现的Brahman品系牛进入发育期的时间晚于Angus品系牛这个结果一致，研究者观察到大多数与Brahman品系比例线性相关的细菌与犊牛年龄具有相反的相关性，表明Brahman品系比例较高的犊牛体内肠道微生物的发育也比Angus品系比例较高的犊牛体内的更慢。本研究中小牛的性别没有显著影响肠道菌群的结构，但是其也与几种细菌的相对丰度有关。与血浆中葡萄糖浓度有关的Bacteroidetes和Paraprevotellaceae细菌的相对丰度在小母牛体内更高，表明性别可能通过微生物的变化从而部分影响小牛的生长和代谢状态。这与以前的发现一致，即与性别有关的细菌参与了许多碳水化合物和脂质代谢的途径。
此外，研究者发现了与品种相关的细菌，比如Anaeroplasma，Paludibacter，Bacteroides，5-7N15和Pirellulaceae等与许多其它细菌相互作用，表明这些细菌的相对丰度高度依赖于胃肠道中的其它细菌。另外，在Angus品系相关细菌和Brahman品系相关细菌之间，尤其是产生丁酸盐细菌（Faecalibacterium，Blautia和Oscillospira）和粘蛋白降解细菌（Clostridium，Rikenellaceae和Akkermansia）之间存在多种负相关关系。这些数据与先前的研究一致，后者报道了纤维降解细菌和粘蛋白降解细菌之间的竞争。因此，宿主基因型可能直接影响某些细菌的定殖，并通过细菌与细菌之间的相互作用直接塑造肠道微生物菌群结构。
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