幼龄反刍动物瘤胃微生物的定植过程与调控措施

所属栏目：畜牧科学论文
发布时间：2021-03-22 11:30:25  更新时间：2021-03-22 11:30:25

　　在数百万年的进化过程中，为适应严酷的环境，反刍动物的瘤胃可以在大量摄入饲草料的同时，有效地降解其中的纤维素，瘤胃中的微生物在其中起着关键的作用[1]。反刍动物为微生物群落的建立提供必要的生存环境，微生物存在于宿主的消化道中，进行微生物发酵，并从终产物中获得能量。微生物发酵过程中的一部分产物可以被宿主利用，因此，瘤胃微生物的 稳 定 和 成 熟 在 提 高 反 刍 动 物 的 消 化 代谢、生产性能和机体健康中具有重要作用[2]。

　　现阶段研究发现，羔羊瘤胃微生物的定植过程大致分为3个阶段，出生后0～14d是 外 源 菌 群 引入和作用时期，14～28d是过渡菌群作用阶段，28d后瘤胃菌群组成趋于稳定[3];同样，犊牛瘤胃微生物早期定植过程也分为3个阶段，且微生物群落在出生后第2和3天发生显著变化[4]。此定植过程受多种营养和环境因素的影响，这也使得对瘤胃微生物的人为调控成为可能。利用生物技术手段来控制瘤胃生态系统，提高反刍动物生产性能已成为反刍动物生产上的主要研究方向。笔者以幼龄反刍动物为对象，综述了瘤胃微生物的定植过程和主要功能，以期为生产中对幼龄反刍动物的饲养管理、营养调控提供理论参考。

　　1 瘤胃的发育及微生物群落的定植过程

　　1.1 瘤胃的发育过程反刍动物的瘤胃在断奶前类似于非反刍哺乳动物的单胃，在断奶后逐渐具有反刍功能。反刍动物瘤胃的发育包括瘤胃重量与容积的增加，瘤胃乳头的长度和宽度增加、角质化程度增加，瘤胃微生物定植等方面。在初生反刍动物哺乳时，瘤胃由于食管沟反射的存在而没有发挥功能，此时的瘤胃只占整个消化系统的25%左 右，乳 头 发 育 呈 原 始 状 态;当由母乳喂养过渡到粗饲料或精料开食料饲养时，瘤胃容积变大，乳头快速发育。成年反刍动物瘤胃占整个消化系 统 的60%～80%[5-6]，成 年 羊 瘤 胃 乳 头长度约0.5cm，成 年 牛 约1cm[7]。挥 发 性 脂 肪 酸(VFAs)是瘤胃上皮形态和功能发育所必需 的 物质，其中，丁酸对瘤胃上皮发育的刺激最大[8]。宏观层面上，瘤胃壁吸收丁酸与瘤胃乳头的生长有关，如在代乳料中添加丁酸钠能够促进瘤胃上皮对 VFAs的吸收利用，增加瘤胃壁乳头的长度及宽度[9]。在细胞和分子层面，丁酸通过调控与瘤胃上皮细胞增殖和凋亡相关的基因表达量使细胞增殖速度高于凋亡 速 度，从而促进瘤胃乳头生长和细胞层的增厚[10]。在幼龄反刍动物瘤胃发育早期，食管沟反射使母乳绕过瘤胃直接抵达皱胃，但仍会有少量母乳滴漏进瘤胃，有研究认为，随母乳进入瘤胃的少量丁酸足以影响 瘤 胃 的 发 育 和 功 能[11]。随 着 年 龄 增 长和大量固体饲料的摄入，瘤胃微生物群落的建立影响了瘤胃发育，改变了瘤胃的结构和生理，瘤胃微生物发酵碳水化合物使丁酸浓度显著增加，促进了瘤胃乳头的发育和上皮细胞角质化程度进程[8]。

　　1.2 瘤胃微生物的来源反刍动物早期瘤胃微生物有多种来 源，首 先，母体在分娩过程中可以通过产道向初生反刍动物消化道 植 入 有 益 微 生 物，如 纤 维 分 解 菌、产 甲 烷 菌等[6]。Guzman等[12]研究也发现了上述规律：在 犊牛出生后20min内，在其瘤胃中发现了典型的功能性微生物群 体，如 产 甲 烷 菌、纤 维 分 解 菌 及 变 形 菌等。其次，目前科学界认为初生反刍动物对母体的舔舐是其获取瘤胃菌群的又一主要方式[6]，从初生到2周龄期间，这一方式也被认为是初生反刍动物获取原虫的唯一来源[13-15]。再次，反刍动物出生 后会摄取初乳，初乳携带母体菌群和发酵基质进入瘤胃，用于 自 身 瘤 胃 菌 群 的 建 立 和 瘤 胃 发 育[4，6]。除此之外，也有研究认为刚刚出生的幼龄反刍动物瘤胃微生物群可能源于子宫内的羊膜，如 Zhang等[3]发现，刚出生30min内的山羊瘤胃内存在较高丰度的芽孢杆菌属和乳酸杆菌属细菌，而芽孢杆菌在母体羊水中比例很高[16]。同时，反刍动物早期瘤胃内微生物与宿主基因存在很强的关联。Weimer等[17]发现，将瘤胃内容物从一头奶牛转移到另一头奶牛，受体奶牛的瘤胃 pH 和 VFAs产量在24h内 恢 复到转移前的水平，他猜想这种恢复可能是由于宿主基因在微生物的建立和维持中起着一定的作用。也有研究发现，奶牛瘤胃的核心菌群中有一部分成员表现出显著的可遗传性，并决定了甲烷的排放量与生产力高低[18]。

　　1.3 瘤胃微生物的种类瘤胃生态系统由多种多样的微生物组成，这些微生物在严 格 的 厌 氧 环 境 中 处 于 共 生 关 系[19]。瘤胃微生物群由瘤胃细菌、古细菌、原生动物和真菌组成，其浓度分 别 为1010 ～1011、106 ～108、104 ～106、103～106 个细胞/mL[20]。其中，细菌最容易受到瘤胃理化性质的影响[21]。此外，还有少量的噬菌体与古噬菌体，作为微生物种群的关键调节因子和基因水平转移的推动者而存在[20]。

　　1.4 反刍动物瘤胃微生物的定植过程随着研究的深入，科学家们能够观测到的微生物出现在瘤胃的时间越来越早：直接的显微镜观察发现，微生物在出生的第2天附着在瘤胃壁上并在瘤胃 壁 上 定 植[31]。Rey 等[4]利 用 基 于 16SrRNA基因测序发现，在出生第1天采集的样本没有扩增子。也有研究发现，在 出 生 后1和2d的 犊 牛 瘤 胃液中存在纤维分解菌和变形菌门细菌[32]。Guzman等[12]在出生后20min内的犊牛消化道中发现了产甲烷菌(M.mobile、M.votae和 Methanobrevibacterspp.)、纤 维 分 解 菌 (F.succinogenes、R.flavefaciens和 P.ruminicola)和 变 形 菌 门 的 土 杆 菌 属(Geobacterspp.)细菌，表明微生物可能在分娩前或分娩期间已在反刍动物胃肠道内存在。

　　2 瘤胃微生物的功能

　　肠道菌群局限于肠道局部，无法进入体液乃至远端不同组织器官，但可以通过作用于肠道产生下游调控信号，或依赖其代谢产物经体液循环到达远端组织发挥调节功能。肠道菌群在反刍动物早期的营养代谢中起着重要作用，主要是通过微生物产生的多种酶来完成的。如瘤胃中的芽孢杆菌属可分泌多种消化酶，包括纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、木聚糖酶等，协助完成瘤胃中营养物质的 消 化 过 程[41]。健 康 的 瘤 胃 微 生 物 群 还具有促进营 养 代 谢、维 持 肠 黏 膜 屏 障、调 节 免 疫 系统、抑制病原 菌 感 染 等 多 重 功 能[42]，与 宿 主 健 康 息息相关。瘤胃 VFAs是 来 源 于 瘤 胃 微 生 物 群 的 重要信号分子，调节瘤胃的多种生理功能[43-44]。丁 酸是重要的 VFAs之一，近期研究发现其对断奶犊牛有增加体重、生长速度、胸围、身高、体长等的作用，有利于改善 断 奶 犊 牛 的 生 长 状 况[45]。但 不 是 所 有的微生物都有利于宿主健康，反刍动物的大多数消化系统疾病，如瘤胃膨胀病、急性和亚急性瘤胃酸中毒(subacuteruminalacidosis，SARA)，都与瘤胃微生物群的组 成 和 功 能 紊 乱 有 关[46]。瘤 胃 内 核 心 细菌和真菌属及其功能见表1。

　　3 幼龄反刍动物瘤胃微生物的调控措施

　　幼龄反刍动物瘤胃微生物是可塑的，而且在很大程度上受 饮 食 的 影 响[52]。反 刍 动 物 在 幼 龄 阶 段经历了从非反刍到反刍的生理过渡，反刍阶段之前是其最敏感和可塑性最强的时期。在此期间，任何外部环境或营养的影响都可能导致随后的短期或长期性变化[53-54]。在幼龄阶段对反刍动物瘤胃微生物进行调控，从而引导菌群的有序定植和健康发酵机制，改变微生物组的组成及代谢产物，保证机体的健康和后续生长发育。目前最常见的几种瘤胃人工干预添加剂将在下文介绍，其效果可通过动物表型是否改善来判断，但其相关机制仍是今后一段时间的研究重点。

　　3.1 益生菌与益生元益生菌指活的、对胃肠道(gastrointestinaltract，GIT)有益的微生物，广泛使用的益生菌包括乳酸杆菌(Lactobacillus)、双歧杆菌(Bifidobacterium)、酵 母菌(Saccharomyces)等[55]。饲粮中添加益生菌能够增加反刍动物肠道中有益微生物的数量，并减少肠道中有害微生物的数量。有研究表明，由复合益生菌组成的添 加 剂 能 够 有 效 减 少 犊 牛 腹 泻 的 持 续 时间[56]。补充益生菌饲料也对萨能奶山羊的采食量、泌乳性能和 肠 道 健 康 产 生 积 极 影 响[57]。已 知 的 益生菌主要调 控 机 制 包 括：①调 控 微 生 态，促 进 GIT有益功能微生物的生长和定植[58];②提高营养物质的消化和吸收[59];③产 生 更 多 的 抗 菌 类 物 质，包 括细菌素和 VFAs等[60-61];④诱导相关致病菌的基因表达[62];⑤ 调 节 机 体 的 肠 道 和 体 液 免 疫 功 能[63]; ⑥抵抗有害菌及病原菌在肠黏膜的定植[64]。益生元是被宿主微生物选择性地利用以起积极作用的底物，向幼畜饲粮中添加益生元有利于其早期的生长发育。如在犊牛饲粮中添加活酵母培养物可以提高犊牛活重与饲料效率，并可能对免疫有积极的影响[65]。

　　3.2 植物提取物植物自身会合成一些有机化合物，发挥驱赶昆虫和防止微生物感染等作用。植物提取物即为通过一些人工萃取手段得到的这些有机化合物，包括皂苷、单宁、牛至精油等。其中精油是研究最多、最有利用价值的植物提取物。精油是从芳香植物中提取的具有挥发性、有强烈气味的复杂化合物，在反刍动物中使用精油饲料添加剂，有提高生产性能、降低甲烷和氨气排放等作用[66]。相关 meta分析结果表明，向哺乳期奶牛补充混合精油(每头奶牛1g/d)能够增加奶牛产奶量(4%)和减少甲烷排放(-10%)[67]。对于幼龄反刍动物，精油添加剂能够在不改变干物质采食量和饲料转化率的情况下增加日增重，可作为幼龄反刍 动 物 的 生 长 促 进 剂[68]。一 些 精 油 可 以通过直接抑制某些促成甲烷生成的微生物的代谢过程来直接抑制甲烷生成，如百里香、牛至、肉桂等的提取物。精油减少氨气排放也是通过抑制与蛋白质水解有关的微生物以减少蛋白质在瘤胃中的降解，增加过瘤胃蛋白实现的。但使用精油作为饲料添加剂会降低饲料消化率，影响动物养分的吸收[69-70]，这也是营养 学 家 将 其 归 为 抗 营 养 因 子 的 原 因。Lei等[71]通过在山 羊 饮 食 中 添 加 牛 至 精 油 和 钴 的 复 合物发现，添加牛至精油能够有效改善山羊的绒品质和肉品 质，并改善山羊的瘤胃发酵参数，提 高 瘤 胃Bacteroidesspp.和Succinivibriosp.的 相 对 丰 度，促进瘤胃丁酸的产生，同时指出牛至精油发挥作用相对应的基因通路，重要的基因类别分布在碳水化合物代谢、脂质代谢和异生素生物降解通路。这些结果表明，补喂精油组的微生物群可能具有更高的氮利用 能 力 和 更 高 的 异 生 物 质 生 物 降 解 和 代 谢 能力[72]。综合前期相关研究，牛至精油的生物学作用主要包括以下几个方面：①保持全混合饲粮(TMR)营养品质，灭减饲粮次生霉菌、酵母菌、大肠杆菌;减少次生发酵毒素产生;减少饲粮次生发酵营养损失;改善 TMR 饲 粮 适 口 性;②提 高 TMR 饲 粮 饲 喂 效率，灭减瘤胃有害微生物;③提高牛羊瘤胃及消化道健康水平，减 少 病 原 微 生 物 定 殖 机 会、增 强 免 疫 机能;④提高牛羊生产性能，提高繁殖效率、生长性能、泌乳性能。

　　3.3 抗菌肽近 年 来，抗 菌 肽 (antimicrobial peptides，AMPs)由于能够破坏细菌和其他病原体的膜完整性而成为抗生素的替代物之一[73]。据报道，饲料中添加 AMPs可以增加山羊瘤胃纤维杆菌属，厌氧弧菌属(Anaerovibrio)和 头 毛 虫 属(Ophryoscolex)的丰富度，同时降低普雷沃氏菌科(Paraprevotellaceae)CF231、琥 珀 酸 弧 菌 属 (Succinivibrio)和 均 毛 虫 属(Isotricha)的丰富度，使山羊瘤胃微生物群结构得到改善，瘤胃发酵过程发生改变，饲料利用效率提高，因此认为 AMPs适合作为幼龄山羊的饲料添加剂[74]。

　　3.4 有机酸pH 是维持瘤胃功能的重要因素之一，绵 羊 正常瘤胃 pH 在6.4～6.8之 间[75]，奶 牛 瘤 胃 pH 在1d之内的变化范围为5.8～6.1[76]，由于幼龄反刍动物消化系 统 尚 未 发 育 完 善，胃 酸 分 泌 不 足，瘤 胃pH 易处于异 常 范 围，因 此 需 依 靠 外 源 酸 化 剂 来 维持平衡。有机酸即为常用的一类酸化剂，包括乳酸、丙酸、乙酸等。乳酸、乙酸等有机酸可以抑制病原菌的生长，提饲料利用率，谷物中添加有机酸可增加奶山羊瘤胃抗性淀粉含量，降低瘤胃酸中毒的风险，同时能 减 轻 炎 症 反 应[77]。在 奶 牛 的 TMR 中 添 加 有机酸能增加3.5%乳 脂 校 正 乳 和 乳 蛋 白 含 量，还 能用于长期维持奶牛饲粮温度的稳定[78]。

　　3.5 酶制剂反刍动物常用的酶制剂有淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶、β-葡聚糖 酶、果 胶 酶 及 复 合 酶 等，可 提 高 饲 料消化率、调节动物肠道健康等[79]。酶制剂可直接添加于饲料中使用，如以α-淀粉酶为主要成分的酶制剂(amilosubtilineHClenzyme)添加在奶 牛 饲 料 中效果显著;酶制剂能与其他饲料添加剂协同作用，使奶牛 产 奶 量 提 高 9.9%，同 时 牛 奶 的 质 量 也 提 高了[80];酶制剂也可用于饲料调 制，以 提 高 饲 料 营 养价值，如利用纤维素酶和木聚糖酶处理的橄榄饼饲喂羔羊，可提高羔羊的采食量和消化率，增加羔羊的日增重[81]。

　　4 小结与展望

　　深入、精准、标准化研究瘤胃微生物的作用机制是目前应对全球高质量动物蛋白的需求和挑战的重大课题。现阶段对于瘤胃微生物的建立及其对瘤胃发展的重要性的了解仍然非常局限，主要面临的技术问题是瘤胃微生物的体外可培养化。笔者认为今后研究的重点应该聚焦于以下几个方面：①瘤胃微生物培养组学的成熟运用，构建可用于深入研究瘤胃菌株功能的瘤胃微生物菌株库，反刍动物微生物研究应实现多学科的交融和合作，大尺度进行瘤胃微生物的可培养化研究;②精准把握不同反刍动物的早期干预时间，瘤胃微生物的高效作用取决于生命早期的人工干预，具体干预的时间节点一直是科学界争议的话题;③幼龄反刍动物的研究重点应聚焦瘤胃，但应结合后消化道的微生物研究，后肠微生物对于肠道免疫的激发至关重要;④结合宏基因组学、宏转录组学、代谢组学和蛋白组学等技术，系统全面地研究瘤胃与宿主互作的机制，精准寻求靶向功能微生物、靶向代谢产物及靶向蛋白，为人工干预给予理论支持。

　　参考文献(References)：

　　[1] HUNATE R E.TheRumenandIts Microbes[M].Amsterdam：Elsevier，1966.

　　[2] CASTILLO-GONZ?LEZ A R，BURROLA-BARRAZAM E，DOM?NGUEZ-VIVEROS J，et al.Rumenmicroorganisms and fermentation[J].Archivos deMedicinaVeterinaria，2014，46：349-361.

　　[3] ZHANGK，LIBB，GUO M M，etal.Maturationofthegoatrumen microbiotainvolvesthreestagesofmicrobialcolonization[J].Animals，2019，9(12)：1028.

　　《幼龄反刍动物瘤胃微生物的定植过程与调控措施》来源：《中国畜牧兽医》，作者：郭 旭，张 科，陈玉林，杨雨鑫*