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在奶牛饲养业中,饲料成本占总成本比例最大。随着玉米和豆粕等原料价格的不断上涨,饲料成本越来越成为制约中国奶业发展的重要因素。同时,环境保护标准的提高,也导致规模化牧场节能减排的压力越来越大。改善奶牛的饲料效率不仅可以降低养殖成本,保护生态环境,宏观上还可以缓解饲料用粮的供需矛盾,因此,提升奶牛饲料利用效率对奶牛养殖业的发展具有重要的战略意义。围绕奶牛饲料效率已有众多研究,主要是通过日粮配方、使用添加剂等营养调控途径改善奶牛饲料效率,但对影响饲料效率的奶牛内在因素仍不甚明了。本研究首先分析奶牛饲料效率的个体差异,在此基础上选择高效奶牛与低效奶牛,从瘤胃发酵层面并结合宏基因组学技术探究不同饲料效率奶牛的瘤胃微生物组成和功能差异,并从乳腺氨基酸代谢角度并结合代谢组学技术揭示奶牛乳腺氨基酸代谢的差异,从而解析影响奶牛饲料效率的瘤胃微生物学与乳腺代谢机制。1.奶牛饲料效率与泌乳性能的个体差异（Part 1）选取53头泌乳性能一致并具有较高乳蛋白产量的经产荷斯坦奶牛（泌乳天数=153±20.3 d,奶产量=37.5±5.26 kg/d,乳蛋白率=3.28±0.17%,体重=634±85.8 kg）进行饲养试验,预饲期7 d,正试期50 d。试验期间每天记录干物质采食量（DMI）和产奶量,在第24 d及第49 d采集尾静脉血液用于血液生化参数测定,采集粪样用于测定表观消化率,粪样和尿样用于分析能量代谢和氮代谢。根据回归模型估测预期采食量,用实测采食量减去预期采食量得到剩余采食量（Residual feed intake,RFI）;当实测采食量低于预期采食量即RFI为负值时,表明饲料效率较高,反之亦然。在统计功效99.9%下,选择RFI最低与最高的奶牛各13头,作为高效组和低效组,开展后续分析。结果发现,奶牛群体存在明显的饲料效率个体差异。高效组与低效组奶牛奶产量（P=0.66）无显著差异,但高效组奶牛DMI显著低于低效组（24.4 vs.27.1kg/d,P<0.01）,高效组与低效组奶牛的牛奶饲料比分别为1.42 kg/d与1.25 kg/d（P<0.01）,RFI分别为-1.37 kg/d与1.37 kg/d（P<0.01）。高效组奶牛血液尿素氮有低于低效组牛的趋势（P=0.10）;与低效组奶牛相比,高效组牛干物质消化率（P<0.01）、粗蛋白消化率（P=0.03）、中性洗涤纤维消化率（P=0.02）及酸性洗涤纤维消化率（P=0.03）较高。高效组奶牛消化能（P<0.01）、代谢能（P=0.01）、泌乳净能占总能比率（P<0.01）均极显著高于低效组牛;高效组奶牛的氮（N）摄入量有低于低效组奶牛的趋势（P=0.08）,粪N排放量（P=0.02）以及粪N占总摄入N的比例（P=0.03）较低,牛奶N占总摄入N比例极显著高于低效牛（P=0.02）。可见,高效组奶牛倾向于将较多的能量、氮用于泌乳,而低效牛则有较多的能量与氮从粪中和尿中排放。以上结果提示,奶牛饲料效率的差异与消化率和能量代谢、氮代谢变化有关,因此后续着重围绕与消化代谢相关的重要器官,即瘤胃和乳腺开展深入研究。2.不同饲料效率奶牛乳蛋白前体物与瘤胃微生物差异分析（Part 2）利用Part 1中的高效奶牛与低效奶牛,试验期第49天采集瘤胃液分析发酵参数,结合尿样估测瘤胃微生物蛋白（MCP）产量;同时利用宏基因组学分析,分析瘤胃微生物组成与功能。结果发现,高效牛瘤胃乙酸（P=0.10）、丁酸（P=0.10）和戊酸浓度（P=0.08）有较低的趋势,但是异戊酸浓度（P=0.09）、丙酸摩尔浓度比（P=0.09）有较高趋势,异丁酸（P=0.05）、异戊酸摩尔浓度比（P<0.01）高于低效组,提示较高的产能潜力,而且异戊酸和异丁酸可为合成支链氨基酸提供前体物;MCP生成量和代谢蛋白（MP）产量无显著的组间差异（P>0.10）,但高效奶牛有较高的乳蛋白与MP之比（45.4%vs.40.4%,P=0.02）,表明高效组奶牛可代谢氨基酸合成牛乳氨基酸能力较强。基于宏基因组学,通过瘤胃微生物功能分析以及物种与功能的关联分析,发现与高效牛相比,低效牛瘤胃微生物降解碳水化合物的功能较强,可能产生较多的丙酮酸等中间代谢产物,并且低效组奶牛有较高的产丁酸微生物物种丰度和较高的丁酸代谢丰度,但与此同时该组奶牛产甲烷菌种和甲烷代谢的丰度也较高,表明丙酮酸可能倾向于生成丁酸和甲烷。与低效组奶牛相比,高效组奶牛瘤胃中与丙酸生成相关的编码酶基因丰度较高,以及在该组中较高的丙酸摩尔比例,提示高效奶牛倾向于将丙酮酸生成丙酸,从而提高产能的高效性。此外,几种Lachnospiraceae科物种与碳水化合物代谢和群体感应通路显著相关,这些物种可能是影响饲料效率差异的关键微生物。3.不同饲料效率奶牛乳腺代谢差异分析（Part 3）利用Part 1中的高效奶牛与低效奶牛,采集试验期第49-50 d的牛奶、尾动脉及腹腔乳静脉血样测定氨基酸含量,并利用乳腺动静脉血和牛奶进行代谢组学分析。结果发现,与低效组奶牛相比,高效组奶牛动脉中必需氨基酸（EAA,P=0.06）、支链氨基酸（BCAA,P=0.10）和总氨基酸（P=0.07）浓度有较低的趋势。流经乳腺的血流量两组间无显著差异（P>0.10）。高效组奶牛EAA（P=0.07）、BCAA（P=0.10）和总氨基酸（P=0.08）的动静脉差有低于低效组奶牛的趋势,乳腺摄取EAA（P=0.09）、BCAA（P=0.09）和总氨基酸（P=0.10）量也有较低的趋势。但乳腺摄取与牛奶产出之比（U:O比）高效组奶牛的EAA（P=0.08）、BCAA（P=0.07）以及总氨基酸（P=0.09）都有低于低效组趋势,表明高效组奶牛将更多氨基酸用于合成乳蛋白。代谢组学分析结果发现,在动脉血清中共鉴定出14种差异代谢物,其中有4种物质的相对浓度在高效奶牛中较高;乳静脉血清共鉴定出19个显著差异的代谢物,其中13个差异代谢物的相对浓度在高效奶牛中显著较高;牛奶中共鉴定出16种差异代谢物质,其中2种物质的相对浓度在高效奶牛中较高。通路分析发现,奶牛可通过尿素循环、三羧酸循环相关通路及其物质影响乳腺的能氮代谢,进而引起饲料效率的差异;不同饲料效率奶牛乳腺主要的差异代谢通路为甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢,低效组奶牛的动静脉中氨基酸类代谢物浓度较高,且牛奶中尿素含量较高,提示低效牛乳腺氨基酸利用效率较低。综上所述,奶牛群体在饲料效率上存在显著的个体差异。高效组奶牛倾向于将分配较多的能量与氮用于泌乳,而低效牛倾向于排放较多的能量与氮与粪尿中。高效奶牛消化率较高,瘤胃微生物倾向于生成较高比例的丙酸、异丁酸和异戊酸,而低效牛瘤胃微生物降解碳水化合物功能较强,中间代谢产物多用于产生丁酸和甲烷。在代谢层面,高效组奶牛转化代谢蛋白为乳蛋白的效率较高,其乳腺氨基酸摄取量与牛奶产出量之比较低,说明其乳腺合成蛋白质效率较高。不同饲料效率水平的奶牛可能通过尿素循环、三羧酸循环相关通路及其物质影响乳腺代谢,进而导致饲料效率的差异。本研究从奶牛瘤胃微生物、乳腺代谢角度揭示了影响奶牛饲料效率的相关机制,为提升奶牛饲料效率提供了科学理论依据。