瘤胃微生物對反芻動物飼料效率和甲烷排放的影響及其營養(yǎng)調(diào)控研究進展

牛化欣，胡宗福，常 杰，張 穎，WANG Yuxi

（1.內(nèi)蒙古民族大學動物科學技術學院，內(nèi)蒙古通遼 028000；2.Lethbridge Research and Development Centre,Agriculture and Agri-Food Canada Research Centre,Lethbridge T1J 4B1,AB,Canada）

瘤胃微生物能夠降解低質(zhì)飼料，為反芻動物提供能量和提高飼料效率做出了重要貢獻，對其生產(chǎn)效率和健康狀況以及溫室氣體排放起著至關重要的作用[1-2]。應用新的檢測方法和技術來研究反芻動物瘤胃微生物的結(jié)構(gòu)、組成及其功能，在改善反芻動物營養(yǎng)物質(zhì)的利用、提高飼料效率和經(jīng)濟效益方面越來越重要[3-4]。目前，全世界養(yǎng)殖的反芻動物約有36億頭，主要包括牛和羊等[5]。這些反芻動物的代謝過程是由瘤胃厭氧環(huán)境中繁多復雜的微生物群落所驅(qū)動，它們可以分泌多種纖維和蛋白分解酶產(chǎn)生協(xié)同作用生成短鏈脂肪酸（SCFA）和微生物蛋白（MP），為宿主提供主要的能量和氨基酸。除種間遺傳外，瘤胃微生物的組成和功能主要由日糧決定[6-8]。近年來，越來越多的研究表明瘤胃微生物與其對反芻動物飼料效率和甲烷排放的影響之間相互關聯(lián)，這使得瘤胃微生物研究處于養(yǎng)殖動物領域的最前沿。本文綜述了瘤胃微生物對反芻動物飼料效率和甲烷排放的影響及其營養(yǎng)調(diào)控的最新進展，以期為克服瘤胃微生物調(diào)節(jié)障礙、提高反芻動物飼料效率和減少甲烷排放提供營養(yǎng)途徑。

1 瘤胃微生物及其研究方法

反芻動物有一個復雜的消化道微生物群落，特別是瘤胃內(nèi)，每毫升瘤胃液中包含約1010個細菌、107個古細菌、108個原蟲和103個真菌，但不同種類的豐度和組成不同，構(gòu)成了一個復雜的共生厭氧生態(tài)環(huán)境，參與反芻動物機體日糧的消化、營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、能量的供應、必需維生素的生成、胃腸道穩(wěn)態(tài)的維持等重要生理過程，對反芻動物的維持、生長、免疫功能和生產(chǎn)效率至關重要。日糧作為反芻動物胃腸道與外界最直接的聯(lián)系，其影響瘤胃微生物的基因及其組成，瘤胃微生物在反芻動物飼料效率中也發(fā)揮著重要作用。不同日糧組成及不同配比的瘤胃優(yōu)勢菌群及其代謝產(chǎn)物差異明顯，影響著瘤胃菌群的結(jié)構(gòu)和功能、瘤胃上皮組織的營養(yǎng)吸收、反芻動物的生產(chǎn)性能、飼料效率和甲烷排放[7-8]。

近年來，隨著基因組學、現(xiàn)代分子技術結(jié)合現(xiàn)代儀器及生物信息學分析在各個領域的應用，微生物多組學（宏基因組學、宏轉(zhuǎn)錄組學、蛋白組學、代謝組學、多組學）應運而生，逐漸得到快速發(fā)展，以上各種組學的具體方法已有大量報道和應用，當然，應用多組學技術在反芻動物瘤胃微生物方面的研究日益成為關注熱點[3-4,9]。因此，全世界開展反芻動物瘤胃微生物的大項目有“Hun gate1000”、“AgResearch”、“Global Rumen Census”、“RuminOmics”、“SMEthane”等。

2 瘤胃微生物與飼料效率的關聯(lián)性

剩余采食量（RFI）和飼料轉(zhuǎn)化率（FCR）是評定肉牛飼料效率的有效指標，兩者具有較高的相關性（R=0.45～0.85）[10]。低RFI表示反芻動物飼料利用效率高，反之表示低效，根據(jù)RFI評估，在肉牛、奶牛和綿羊中，瘤胃微生物的多樣性、豐度與飼料效率的高低有關（表1）。相對飼料效率低的肉牛，飼料效率高的肉牛瘤胃微生物結(jié)構(gòu)存在更大的相似性，且飼料效率低的肉牛瘤胃普雷沃氏菌Prevotella相對豐度較高[11]。Carberry等[14]確定了肉牛瘤胃細菌組成與飼料效率（高、低RFI）之間的關聯(lián)，這種關聯(lián)在高粗飼日糧中更為明顯，低RFI白色瘤胃球菌Ruminococcus albus豐度顯著高于高RFI。Myer等[16]采用16S rRNA高通量擴增子測序技術分析表明，高精日糧條件下不同飼料效率的肉牛瘤胃產(chǎn)琥珀酸菌屬Succiniclasticum、乳酸桿菌Lactobacillus、瘤胃球菌屬Ruminococcus、普雷沃氏菌Prevotella和韋榮球菌科Veillonellaceae差異明顯，肉牛瘤胃細菌結(jié)構(gòu)組成與日增重（ADG）、日采食量（ADFI）、飼料效率相關聯(lián)，并對肉牛的生產(chǎn)性能產(chǎn)生潛在影響。從奶牛瘤胃微生物組成和功能分析，可以預測反芻動物飼料效率的變異（91%的準確度），并發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物多樣性減少，但主要的微生物種類豐度高，核心菌種可為宿主發(fā)揮更高的生產(chǎn)效率[17]。高飼料效率的奶牛產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌Fibrobacter succinogenes可產(chǎn)生多種酶來降解纖維素、半纖維素等多種類型的碳水化合物，生成乙酸、丁酸等，為宿主提供能量，其豐度與RFI存在負相關[19]。肉牛瘤胃微生物操作分類單元（OTUs）屬于Prevotellaceae和Lachnospiraceae科水平，可以預測27.7%ADFI和32.5%ADG變異值[21]。瘤胃微生物結(jié)構(gòu)、組成是影響飼料效率的重要因素，闡明瘤胃微生物、代謝功能，為提高飼料效率提供新的思路。因此，瘤胃微生物與反芻動物飼料效率關聯(lián)緊密，在不同日糧配比、組成等條件下，瘤胃微生物組成與飼料效率關聯(lián)機制有待于進一步認識和挖掘。

除探明與飼料效率相關的瘤胃微生物結(jié)構(gòu)動態(tài)變化之外，弄清這些菌群的功能和代謝產(chǎn)物，也有助于了解反芻動物獲得能量的變化和飼料效率的差異。瘤胃代謝活動的不同與飼料效率差異相關聯(lián)，高效牛瘤胃丙酸、丁酸、戊酸、異戊酸和總SCFA的濃度更高[17]，瘤胃丁酸濃度增加與牛飼料效率的提高正相關，低RFI公牛瘤胃內(nèi)含有更高濃度的丁酸，且具有較高的瘤胃上皮厚度[29]，低RFI牛瘤胃中較高丁酸濃度可能會增加瘤胃表面吸收面積，從而增加SCFA的吸收和能量的提供，瘤胃上皮細胞對SCFA的吸收增加與高飼料效率有關[30]，低RFI的牛瘤胃上皮細胞轉(zhuǎn)錄活性上調(diào)也表明，營養(yǎng)吸收率更高，瘤胃產(chǎn)丁酸的丁酸弧菌屬與RFI呈負相關[19]。此外，與飼料效率相關的瘤胃微生物功能分析表明，微生物多個基因參與宿主-微生物相互作用酶的生成、氨基酸和維生素的合成、氨基酸和蛋白質(zhì)的降解、遺傳信息處理相關酶和膜的生成[31]。反芻動物和瘤胃微生物之間的共生關系對于將低質(zhì)量飼料轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的最終產(chǎn)品至關重要?；诹鑫肝⑸锖昊蚪M和代謝組檢測技術，認識、闡明和豐富了特定的瘤胃微生物結(jié)構(gòu)、代謝功能，為深入開展瘤胃微生物屬、種多樣性及其代謝物研究提供了重要的技術借鑒和經(jīng)驗積累，可為改善飼料效率提供新的機會。

3 瘤胃微生物與甲烷排放的關聯(lián)性

甲烷是一種溫室氣體，其全球溫室效應變暖潛力是CO2的28倍，而反芻動物的甲烷排放量約占畜牧業(yè)總甲烷排放量的81%，其中90% 是由瘤胃微生物甲烷菌產(chǎn)生[32]。瘤胃是反芻動物甲烷的主要來源，其相關的瘤胃微生物結(jié)構(gòu)與甲烷排放量密切相關（表2）。

3.1 產(chǎn)甲烷菌與甲烷排放 古菌是甲烷排放最密切相關的瘤胃微生物種類，在瘤胃中所占比例較小，約占1.7%。瘤胃產(chǎn)甲烷古菌Methanogenesis屬于一類進化獨特、生長緩慢的厭氧古菌[42]。瘤胃甲烷的生成主要有2種途徑，均由產(chǎn)甲烷菌參與進行。其一是H2-CO2氧化還原途徑，將原蟲、細菌和真菌產(chǎn)生的H2和CO2轉(zhuǎn)化為甲烷，主要通過甲烷短桿菌屬（Methanobrevibacter）的Mbb.smithii、Mbb.gottschalkii、Mbb.millerae、Mbb.Thaueri、Mbb.ruminantium和Mbb.olleyae等轉(zhuǎn)化，還有Methanosphaera、Methanimicrococcus和Methanobacterium屬；其二由甲酸、乙酸、丁酸等揮發(fā)性脂肪酸和甲醇、乙醇等的甲基作為甲烷菌的底物產(chǎn)生甲烷，是由少量的Methanosarcinales、Methanosphaera和Methano massiliicoccaceae等產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生[43]。一些研究采用宏基因組學和Q-PCR技術測定表明，瘤胃甲烷菌的總豐度與甲烷排放量在奶牛和綿羊中沒有相關性[34,36]，在肉牛中相關性不大[33,35]。反芻動物甲烷排放量與瘤胃古菌群落組成及其各自的豐度有關，但與其總豐度相關性不大[43]。許多研究表明，Methanobrevibacter相對豐度與甲烷排放之間存在正相關關系[34,44-45]。而綿羊瘤胃Methanosphaeraspp在總古菌中的比例與甲烷產(chǎn)量呈負相關[46]。因此，甲烷的排放量至少部分是由于瘤胃內(nèi)某一種或某些中產(chǎn)甲烷古菌豐度的變化而引起的。

表1 瘤胃微生物與飼料效率關聯(lián)性

表2 瘤胃微生物與甲烷排放關聯(lián)性

3.2 纖毛原蟲 纖毛原蟲降解瘤胃中的碳水化合物可產(chǎn)生大量的代謝H2，而甲烷菌主要利用這些H2還原CO2生成甲烷，所以甲烷菌為了更有效獲得H2，需要緊密附著在纖毛蟲表面或進入纖毛蟲胞體內(nèi)共生[24,47]。瘤胃原蟲的數(shù)量與甲烷排放量之間是否存在相關性尚有爭議[48]。Guyader等[49]采用meta分析發(fā)現(xiàn)，原蟲數(shù)量與甲烷排放量存在著極強的正相關（R=0.96），從瘤胃驅(qū)除纖毛原蟲來減少甲烷的排放研究取得了一定效果。但也有些報道驅(qū)除原蟲對減少甲烷排放的效果并不理想[50]。與古菌類似，某一種或某一些原蟲的屬或種及其相關的古菌可能與甲烷的生成相關聯(lián)。一般來說，原蟲定植的古菌是由Methanobrevibacterspp控制，原蟲定植的古菌和原蟲非定植古菌的豐度存在差異[51]，不同原蟲定植的古菌豐度也不同，可能是導致生成甲烷不同的原因。因此，評估瘤胃原蟲與甲烷生產(chǎn)量的關系時，進一步證實與其定植的古菌組成和豐度非常必要。

3.3 甲烷生成相關細菌 Kittelmann等[46]報道了綿羊丙酸生成菌Quinella ovalis、乳酸和琥珀酸生成菌Fibrobacterspp.、Kandleria vitulina、Olsenellaspp.、Prevotella bryantii和Sharpea azabuensis豐度與甲烷排放負相關，Ruminococcus、Lachnospiraceae、Catabact eriaceae、Coprococcus、Prevotella和Alphaproteobacteria豐度與甲烷排放正相關。不同OTUs的Prevotella與甲烷的生成存在正或負相關[34,52]。Ross等[53]研究發(fā)現(xiàn)在奶牛日糧中添加單寧可顯著提高瘤胃Faecalibacterium prausnitzii的豐度，降低甲烷排放。

3.4 厭氧真菌 厭氧真菌像原蟲一樣，可以在瘤胃內(nèi)降解碳水化合物產(chǎn)生H2、CO2、甲酸、乙酸和乳酸等代謝產(chǎn)物，而產(chǎn)甲烷菌則利用這些代謝產(chǎn)物生成甲烷。Kittelmann等[46]觀察綿羊甲烷排放與真菌群落結(jié)構(gòu)沒有相關性。然而，在RuminOmics項目中統(tǒng)計結(jié)果初步表明，2種Caecomyces communis和Neocallimastix frontalis真菌與產(chǎn)甲烷作用呈負相關[35]。Newbold等[52]通過meta-分析指出，瘤胃真菌豐度下降是降低甲烷排放量的重要因素之一，這種減少是否是由真菌引起甲烷降低的主要或直接原因尚不清楚。

4 營養(yǎng)調(diào)控

4.1 飼料效率與甲烷 甲烷不能被反芻動物利用而被排放到環(huán)境中，其排放也就意味著機體能量的損失，占總攝入能的2%～12%，這些能量在飼料轉(zhuǎn)化為瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物的能量守恒理論上可用于動物的生產(chǎn)[54]，因此降低甲烷排放不僅有助于提高動物的生產(chǎn)效率還有利于環(huán)境保護。對肉牛來說，飼料效率與甲烷產(chǎn)量負相關，飼料效率高的肉牛產(chǎn)生較低的甲烷量[55]，且有研究發(fā)現(xiàn)肉牛飼料效率和瘤胃微生物豐度的改變引起了某些普雷沃氏菌變化[14,16]，因此闡明瘤胃普雷沃氏菌的作用及其不同種類對瘤胃發(fā)酵和甲烷的產(chǎn)量非常必要。Shabat等[17]在飼料效率低的奶牛瘤胃中發(fā)現(xiàn)埃氏巨型球菌豐度較高，該菌能發(fā)酵多種可溶性碳水化合物，利用丙烯酸途徑將乳酸分解為丙酸，表明該菌在乳酸的生產(chǎn)和利用中引入了一種無效的循環(huán)和能量效率低的過程，增加了甲烷生成。通過營養(yǎng)調(diào)控瘤胃微生物，改善飼料效率和減少甲烷排放是反芻動物生產(chǎn)增效減排的有效措施[51]。

4.2 瘤胃微生物營養(yǎng)調(diào)控 瘤胃微生物可將低質(zhì)量的纖維植物粗飼料轉(zhuǎn)化為可吸收的單糖和SCFA，為反芻動物提供主要的能量。研究表明，即使瘤胃微生物組成發(fā)生微小的變化，也會對反芻動物的營養(yǎng)利用、生產(chǎn)效率和甲烷排放產(chǎn)生巨大影響[56]。調(diào)節(jié)、移植和重建肉牛瘤胃微生物的諸多研究表明（表3），評估瘤胃微生物的組成和功能、代謝產(chǎn)物及瘤胃上皮組織吸收營養(yǎng)物質(zhì)的機制，是通過有效調(diào)控瘤胃微生物來提高肉牛飼料效率和減少甲烷排放的必要途徑和技術手段。

已有諸多研究嘗試調(diào)節(jié)和優(yōu)化瘤胃微生物，但至今仍存在挑戰(zhàn)和爭議（表3）。近年來，人們對此領域不斷探索，試圖改變?nèi)占Z來調(diào)節(jié)和調(diào)控瘤胃微生物，已經(jīng)取得了不同程度的成功，但還沒有實現(xiàn)持久的變化。而日新月異的技術手段使得分析瘤胃微生物對反芻動物特性精細的影響成為可能。日糧是影響反芻動物瘤胃微生物組成最大的外部因素[5]。當然，在一特定的日糧組成條件下，添加適宜的飼料添加劑也是調(diào)節(jié)和調(diào)控瘤胃微生物和反芻動物特性的重要途徑之一。以往的生產(chǎn)和研究表明，使用飼料添加劑可以改變反芻動物的生產(chǎn)特性，這可能改變了瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)及豐度。飼料添加劑也可用于直接改變瘤胃微生物群，進而改善反芻動物的生產(chǎn)性能和甲烷排放。通常使用的飼料添加劑包括抗生素（莫能菌素等）[57]、益生菌（真菌類、芽孢桿菌類和乳酸菌類等）[58-59]、植物次級代謝物（單寧、皂甙、揮發(fā)性油等）[64-66]，這些飼料添加劑已被廣泛用于改變瘤胃發(fā)酵、微生物群落和反芻動物營養(yǎng)生理，以多種方式起作用來提高反芻動物的飼料效率和生產(chǎn)性能，但應用效果不盡相同，其主要原因可能是日糧粗精比不同及其粗飼料質(zhì)量的差異引起的。借鑒人體腸道成功定植細菌的研究[67]，因不同生境微生物生態(tài)學原理具有相似性，可能對接種穩(wěn)定的微生物來調(diào)節(jié)瘤胃微生態(tài)系統(tǒng)開辟一條新途徑。因此，根據(jù)反芻動物攝食不同的日糧作為瘤胃微生物發(fā)酵底物，添加不同的瘤胃調(diào)節(jié)劑是改變瘤胃微生物組成、改善瘤胃發(fā)酵和代謝物、增加瘤胃微生物蛋白合成、提高營養(yǎng)物質(zhì)利用率、飼料效率和減少甲烷排放的有效營養(yǎng)途徑。

表3 調(diào)控瘤胃微生物的相關研究

5 小 結(jié)

瘤胃微生物生存于特殊的生境條件下，采用宏基因組學（特別是高通量擴增子測序）的優(yōu)勢在于其成本低，能夠?qū)⒚總€樣品獲得數(shù)百萬個讀數(shù)序列來表征微生物群落信息，但微生物的功能特征和代謝機制尚未得到很好詮釋。然而，隨著宏轉(zhuǎn)錄組學和代謝組學等技術的發(fā)展，在瘤胃微生物研究方面也逐漸得到充分的探索和應用，這一局限性也在不斷解決，增加了人們對微生物生態(tài)學的理解。因此，未來各個組學技術可以揭示微生物與瘤胃生態(tài)環(huán)境特征、反芻動物各性狀之間的聯(lián)系，這些認知即可被用來估計多種因素對瘤胃微生物組成及其豐度的影響，也可提供瘤胃環(huán)境系統(tǒng)對宿主代謝響應的見解。利用宏基因組學、代謝組學與生物信息學及微生物純培養(yǎng)技術相結(jié)合，可具體探究瘤胃環(huán)境中一種類或一屬類微生物的代謝與作用機制。此外，以往的研究僅關注瘤胃細菌，忽略了作為真核生物的真菌和原蟲對瘤胃的影響。這些微生物相互作用對反芻動物的生產(chǎn)效率和甲烷排放影響非常大，若不考慮真核生物，一定會對瘤胃微生物組代謝功能的理解和認知有所限制。利用多組學技術加深研究和探索瘤胃微生物、反芻動物瘤胃下游的消化道部分-其他胃和腸道微生物及相互作用的了解，對探索和開發(fā)改善畜牧反芻動物的生產(chǎn)效率和減少環(huán)境污染影響的新方法至關重要。因此，可以使用以上日益成熟的組學方法結(jié)合不斷發(fā)展的儀器分析和生物信息技術，進一步揭示反芻動物“瘤胃黑箱”微生物組-營養(yǎng)代謝-飼料效率、甲烷排放-宿主深層的關聯(lián)機制。