严酷自然环境与有限物质条件等多重胁迫是许多哺乳动物不可避免和普遍面临的挑战。遭受逆境压力时,动物会通过自身遗传和/或非遗传的生理调节来维持机体内环境稳态。牦牛（Bos grunniens）作为一种全年放牧于青藏高原的大型哺乳动物,对高原逆境具有极强的适应能力,是研究哺乳动物极端环境适应机制的典型非模式动物。本实验室前期研究表明,胃肠道微生物可以通过调节营养物质代谢来协助宿主维系机体稳态。瘤胃作为反刍动物营养物质消化和吸收的主要器官,其微生物菌群在协调或调控宿主能量和氮素营养代谢稳态方面发挥着重要作用。然而,在实际放牧管理过程中,因全年草地饲草供给失衡,导致牦牛体重呈现出“夏壮、秋肥、冬瘦、春乏”之窘况。基于此,亟待全面系统揭示牦牛瘤胃微生物对其能氮代谢利用中的贡献以及调控机理,以完善反刍动物对高原极端环境适应的瘤胃生态学机制,亦为高原反刍动物营养调控和放牧饲养管理提供理论依据和实践指导。鉴于此,本研究以牦牛为研究对象,本地黄牛（柴达木黄牛,Bos taurus）作为对照,研究:（1）体外模拟放牧牦牛（天祝白牦牛）和黄牛瘤胃发酵试验（4岁;牦牛平均活体重BW=201±11 kg,黄牛BW=230±17 kg）,研究底物为天然牧草和燕麦青干草时的瘤胃发酵参数和甲烷生成月动态;（2）通过舍饲模拟放牧牦牛（青海高原牦牛）营养摄入状况的消化代谢试验和呼吸测热试验（Respiration chamber）,研究动物采食天然牧草和单一燕麦草时,暖季（自由采食组:volunteer intake,VI;2.5岁;每个处理12头;牦牛BW=134±8 kg,黄牛BW=136±12 kg）和冷季不同营养摄入水平下（VI、66%VI和33%VI;3岁;每个处理6头;牦牛BW=156±8 kg,黄牛BW=158±7 kg）,牦牛营养物质表观消化率、机体能氮代谢、瘤胃发酵、甲烷排放等表型特征;（3）通过宏基因组分析,揭示瘤胃微生物群落组成和功能对牦牛高效能氮代谢的贡献及其调控机制。主要研究结果如下:1.暖季放牧牦牛较黄牛具有更高的瘤胃发酵效率体外模拟瘤胃发酵试验结果表明:当底物为天然牧草（牧草营养和瘤胃液均随季节变化而变化）和燕麦青干草时（牧草营养恒定不变,瘤胃液随季节变化而变化）,牦牛暖季干物质（DM）降解率、发酵液挥发性脂肪酸（VFA;主要体现在乙酸和丙酸）浓度和氨态氮（NH3-N）浓度均显著高于黄牛（P＜0.05）,甲烷（CH4）产量显著低于黄牛（P＜0.05）;而在冷季,二者的各发酵指标间（NH3-N除外）无显著差异（P＞0.05）,这就表明瘤胃微生物可能在高原动物季节性瘤胃发酵效率方面起到非常重要的作用。2.牦牛具有低甲烷排放的“低碳型”特征和高效氮素利用的“节氮型”特征与黄牛相比:摄入相同天然牧草或燕麦草DM水平下,暖季（VI组）和冷季（VI和66%VI组）牦牛具有:1)更高的DM、有机物（OM）、粗蛋白（CP）、中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）表观消化率（P＜0.05）;2)更强的瘤胃碳水化合物发酵能力,可以产生更多的VFA（主要体现在乙酸和丙酸）和更低的CH4排放量,更低的尿能、甲烷能以及产热排出量,同时具有更高的ME/DE和能量沉积率（P＜0.05）,表明了牦牛具有较高的能量转化效率,表现出环境友好型动物的“低碳型”特征;3)较高的瘤胃NH3-N和微生物蛋白（MCP）浓度,使得牦牛具有更多的氮素用于代谢;同时,牦牛较低的尿氮排出量、较高的氮消化率和氮沉积率（P＜0.05）,证明了牦牛高效利用氮素的“节氮型”特征。3.牦牛瘤胃微生物通过调节能、氮相互转化模式来增加机体对营养物质的利用效率（1）初步建立青藏高原牦牛瘤胃微生物基因组参考目录通过对牦牛和黄牛瘤胃微生物宏基因组组装得到2940个物种水平基因组（species level genomes,SLGs）,其中新物种占比达91%,包含21个门（19个细菌门和2个古菌门）。门水平优势细菌包括Bacteroidetes（74.53%）、Firmicures（15.99%）和Verrucomicrobiota（2.87%）,古菌为Thermoplasmatota（0.62%）。属水平优势细菌包括RC9（22.14%）、Prevotella（17.32%）、F23-D06（6.91%）、F082（4.92%）和Bact-11（3.34%）,古菌为uncultured Methanomethylophilaceae（0.37%）和uncultured ISO4-G1（0.24%）。核心菌群为Prevotella、Butyrivibrio、RC9、uncultured Lachnospiraceae、uncultured Ruminococcaceae、uncultured Bacteroidales和uncultured Proteobacteria。（2）牦牛瘤胃微生物通过调节能、氮相互转换贡献于宿主营养物质代谢利用与黄牛相比:暖季（VI组）牦牛瘤胃微生物基因显著富集于脂肪酸生物合成通路;冷季（VI和66%VI组）牦牛瘤胃微生物基因则大量富集于TCA循环、乙醛酸和二羧酸代谢、原核生物固碳途径、脂肪酸代谢和氨基酸代谢通路（FDR＜0.05）。主要体现在牦牛富集较多的酶于纤维素降解通路以及长链脂肪酸、乙酸和丙酸合成通路（FDR＜0.05）,这可以帮助牦牛度过严酷的冷季营养胁迫期,进一步证实牦牛在冷季具有更高效的能量代谢和氮素利用能力。此外,冷季（VI和66%VI组）组中牦牛瘤胃微生物可将一部分能量物质通过TCA循环中间产物相关酶（EC:2.6.1.1和EC:1.4.1.4）的作用转化为谷氨酸和NH3-N,补充瘤胃系统氮素不足,从而维持机体能氮稳态。然而,当冷季牧草供给严重不足时（33%VI组）,牦牛和黄牛在能量代谢（长链脂肪酸合成和VFA生成）和氮代谢（NH3-N生物合成）通路中均没有表现出明显的差异（FDR＞0.05）,提示了此时微生物功能可能突破了瘤胃生态系统的韧性（resilient）边界。综上所述,牦牛在应对严酷自然环境时表现出“低碳”和“节氮”的环境友好型特征。牦牛瘤胃微生物能在营养胁迫环境中有效维系机体稳态,这种独特的优势和适应机制可为探寻其它极端生境低碳动物的微生物代谢机制提供新的见解;此外,基于本试验初步建立的青藏高原大型反刍动物瘤胃微生物参考基因集,结合特征微生物的独特代谢功能,可为靶向微生物干预和调控机体营养代谢和温室气体排放提供宝贵资源,从而为实现草地减压、家畜增效和节能减排多赢的可持续发展畜牧业提供理论依据和实践指导。