牛奶蛋白质含量是评价乳品质的重要指标,也是我国生鲜奶和乳制品的关键定价标准。乳蛋白的合成受生物学和环境因素影响,前者包括动物遗传、消化机制和代谢分配等,后者包括日粮和饲养管理等。奶牛乳蛋白合成是一个多器官共同协调完成的过程,其中瘤胃是奶牛最重要的消化器官,瘤胃微生物对饲料消化能力起决定性作用,可通过影响奶牛营养素的供应控制乳成分的合成。本研究利用系统生物学技术,选择相同日粮但乳蛋白产量不同的奶牛群体,全面分析乳蛋白产量较高和较低奶牛的瘤胃微生物宏基因组、瘤胃代谢组和血清代谢组,旨在探究影响乳蛋白产量的瘤胃分子与代谢表征物,解析影响乳蛋白产量的瘤胃微生态及其与宿主互作的系统调节机制,为改善奶牛氮利用效率、提升乳蛋白产量和选育优质奶牛提供科学依据。1.瘤胃细菌在奶牛大群体中的组成和个体差异（试验1）选取处于相同饲养管理条件下的大群（334头）泌乳中期奶牛记录奶产量,采集奶样和瘤胃液,测定乳成分和瘤胃发酵参数,并通过瘤胃细菌16S rRNA基因扩增子测序技术测定瘤胃细菌群落组成,旨在探究奶牛个体瘤胃微生物及其发酵参数的内在差异,分析瘤胃微生物组成及其代谢产物与泌乳性能的关联。扩增子测序总共鉴定出391个细菌属（作为“泛瘤胃细菌”）,发现33个属存在于全部334头奶牛的瘤胃中（作为“核心瘤胃细菌”）。核心瘤胃细菌涵盖6个门,包括Firmicutes（21.67±0.18%,23 个属）、Bacteroidetes（20.68±0.49%,4 个属）、Proteobacteria（0.52±0.01%,3 个属）、Spirochaetes（1.35±0.04%,1 个属）、Fibrobacteres（0.86±0.02%,1 个属）和 Tenericutes（0.44±0.01%,1 个属）。泛瘤胃细菌和核心瘤胃细菌均存在较大的个体差异（变异系数14.1%-64.8%）。通过Spearman相关分析网络探究瘤胃细菌、瘤胃挥发性脂肪酸（VFA）和泌乳性能之间的相关关系,发现核心菌属和非核心菌属分别占相关分析网络的53.9%和46.2%。结果表明,即便在相同品种、相同饲养管理条件下,奶牛瘤胃细菌的组成和丰度存在很大的个体差异,组成和丰度各异的核心瘤胃细菌和泛瘤胃细菌可能共同影响奶牛的奶产量和乳成分。2.瘤胃细菌组成和多样性对奶牛乳蛋白产量的影响（试验2）本部分（试验2）聚焦于乳蛋白产量（MPY）,探究差异MPY奶牛的瘤胃细菌组成和多样性,并分析瘤胃细菌与其发酵代谢产物的关联。基于统计功效分析,从334头奶牛中筛选较高MPY（高奶产量×高乳蛋白含量,HH）奶牛20头、较低MPY奶牛（低奶产量×低乳蛋白含量,LL）20头,进行后续分析。高MPY奶牛瘤胃中总VFA、丙酸、丁酸、戊酸和异丁酸的浓度较高（P<0.05）。扩增子测序结果,高MPY奶牛的瘤胃细菌群落Chao1丰富度更低（P<0.05）。低MPY奶牛瘤胃中Clostridium和Succinivibrio的相对丰度较高（P<0.05）,而高MPY奶牛瘤胃中 Unclassified Succinivibrionaceae和Sharpea的相对丰度较高（P<0.05）,且这两个产琥珀酸的菌属均与丙酸和戊酸呈较强正相关,表明其在高MPY奶牛瘤胃中的富集可能通过产生更多丙酸前体物（琥珀酸）为机体提供更多能量。上述结果揭示了差异MPY奶牛的瘤胃细菌多样性以及相对丰度存在显著差异的部分细菌类群,并揭示了这些细菌类群与VFA和MPY之间的关系,表明瘤胃微生物群对奶牛的MPY具有潜在调节作用。3.瘤胃微生物组成和功能影响奶牛乳蛋白产量的分子机制（试验3）本部分（试验3）对差异MPY的奶牛进行瘤胃宏基因组学和瘤胃代谢组学分析,并结合血清代谢组学进行多组学分析,以探究瘤胃微生物组和宿主水平对MPY的调节机制。宏基因组学分析结果,高MPY奶牛瘤胃中普雷沃氏菌种相对丰度更高（P<0.01）,且对瘤胃支链氨基酸生成功能有显著影响;高MPY奶牛瘤胃中的甲烷菌丰度和甲烷代谢功能丰度较低（P<0.01）,表明其甲烷生成较少。代谢组学分析结果,高MPY奶牛瘤胃中氨基酸、羧酸和脂肪酸的相对浓度以及VFA的绝对浓度较高（P<0.05）。将瘤胃宏基因组学和瘤胃代谢组学进行联合分析发现,特定的微生物分类群（主要为普雷沃氏菌种）与瘤胃微生物代谢产物呈正相关（R>0.5,P<0.05）,包括谷胱甘肽、苯丙氨酸、淀粉、蔗糖和半乳糖代谢涉及的氨基酸和碳水化合物。使用线性混合效应模型分别估算瘤胃微生物组成、微生物功能、瘤胃代谢产物和血清代谢产物对宿主MPY表型的贡献发现,瘤胃微生物组成、瘤胃微生物功能、瘤胃代谢组和宿主血清代谢组对MPY的贡献度分别为17.81%、21.56%、29.76%和26.78%。研究结果揭示了相同品种和饲养管理条件下的奶牛存在差异乳蛋白产量的瘤胃微生态作用机制。综上所述,本研究立足于奶牛瘤胃微生态,从系统生物学角度出发,利用微生物16S rRNA测序、宏基因组、代谢组学等现代分子生物学技术,系统解析了瘤胃微生物的物种、功能、代谢和宿主代谢影响宿主乳蛋白产量的作用机制,为改善奶牛代谢、提升乳蛋白产量和选育优质奶牛提供科学依据。