范雪，馬健,，陳暉，Ali Mujtaba Shah，馬晨

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)所，成都 611130）

犢牛階段是奶牛一生中非常重要的時(shí)期，這個(gè)時(shí)期犢牛各器官的生長(zhǎng)發(fā)育與其未來(lái)生產(chǎn)性能的發(fā)揮有著密切關(guān)系，其中瘤胃的發(fā)育至關(guān)重要。犢牛剛出生時(shí)，主要通過皺胃和小腸吸收葡萄糖獲取能量，隨著機(jī)體逐漸生長(zhǎng)發(fā)育，瘤胃吸收短鏈脂肪酸（SCFA）提供能量成為成年動(dòng)物獲取能量的主要方式[1]。這種生理功能的變化與瘤胃的發(fā)育有密切關(guān)系，由于新生犢牛的瘤胃發(fā)育功能不健全，瘤胃體積小，因此，如何促進(jìn)犢牛瘤胃的健康發(fā)育是確保其未來(lái)生產(chǎn)性能發(fā)揮的關(guān)鍵。反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)SCFA 的含量為60～150mmol/L，以乙酸、丙酸和丁酸為主，其中乙酸為60%～70%，丙酸占15%～20%，而丁酸占10%～15%，主要在瘤胃內(nèi)消化吸收，為機(jī)體提供約75%的能量[2]。瘤胃內(nèi)的HCO3-可以與H+中和進(jìn)而降低瘤胃pH值，對(duì)瘤胃上皮的發(fā)育具有促進(jìn)作用，而瘤胃內(nèi)高濃度的SCFA可以促進(jìn)瘤胃上皮細(xì)胞HCO3-的分泌[3]。因此，瘤胃內(nèi)的SCFA不僅可以為機(jī)體提供能量，還能促進(jìn)瘤胃的健康發(fā)育[4,5]，這對(duì)犢牛的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。

1 SCFA直接刺激犢牛瘤胃發(fā)育

瘤胃在經(jīng)歷多種代謝途徑的變化后，在瘤胃發(fā)酵產(chǎn)物SCFA的刺激下，瘤胃上皮具有了生酮的能力，SCFA在瘤胃上皮通過陰離子交換和擴(kuò)散作用被吸收，機(jī)體由依賴葡萄糖為主要能量來(lái)源轉(zhuǎn)化為以SCFA為主要能量來(lái)源[2]。因此，瘤胃的成熟過程是能量吸收代謝及細(xì)胞基因分化表達(dá)的結(jié)果。研究證實(shí)，外源添加支鏈SCFA可以促進(jìn)犢牛瘤胃的發(fā)酵[6]。添加丙酸對(duì)犢牛瘤胃上皮細(xì)胞具有刺激作用，可促進(jìn)上皮細(xì)胞的增殖，進(jìn)而導(dǎo)致瘤胃乳頭形態(tài)及分支的變化[7]，此外，丙酸還影響參與瘤胃上皮發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)，可提高瘤胃乳頭的長(zhǎng)度和寬度，進(jìn)而增大瘤胃上皮的吸收表面積[4]。一元羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MCT1）已經(jīng)被證實(shí)具有轉(zhuǎn)運(yùn)SCFA的功能[8]，而經(jīng)對(duì)犢牛體外細(xì)胞的試驗(yàn)表明，正常水平的SCFA處理瘤胃上皮細(xì)胞，有助于提高M(jìn)CT1的蛋白表達(dá)水平和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，而過多的SCFA則會(huì)抑制MCT1的表達(dá)和轉(zhuǎn)運(yùn)能力[9]。

相比于丙酸和乙酸，丁酸在瘤胃上皮能更快地通過離子交換和擴(kuò)散作用被吸收，轉(zhuǎn)化為酮體為上皮細(xì)胞提供能量，因此，生產(chǎn)中常用補(bǔ)喂丁酸的方式來(lái)促進(jìn)犢牛瘤胃發(fā)育。日糧中添加丁酸可以提高瘤胃上皮細(xì)胞的有絲分裂指數(shù)，增強(qiáng)細(xì)胞的增殖能力，進(jìn)而提高瘤胃乳頭長(zhǎng)度[10]。國(guó)內(nèi)也有相似的研究，日糧中添加丁酸鈉可以顯著提高犢牛斷奶前后瘤胃絨毛長(zhǎng)度和寬度，并可緩解斷奶應(yīng)激對(duì)瘤胃發(fā)育的影響[11]。另有研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽能夠上調(diào)瘤胃上皮細(xì)胞SCFA跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MCT1和MCT4的mRNA表達(dá)，并上調(diào)葡萄糖載體蛋白、缺氧誘導(dǎo)因子及環(huán)氧酶的基因表達(dá)水平，對(duì)瘤胃發(fā)育具有促進(jìn)作用[12]。此外，異丁酸能提高瘤胃上皮 膜組織中的羥甲基戊二酰輔酶A合酶及生長(zhǎng)激素受體（GHR）的mRNA相對(duì)表達(dá)量，進(jìn)而促進(jìn)犢牛瘤胃乳頭長(zhǎng)度和寬度的發(fā)育[5]。SCFA對(duì)犢牛小腸發(fā)育也具有促進(jìn)作用，添加丙酸鈣可以上調(diào)小腸 膜組織中GHR、鈉葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)載體及胰島素受體的mRNA相對(duì)表達(dá)量，進(jìn)而促進(jìn)小腸 膜的發(fā)育[4]。

由于犢牛瘤胃發(fā)育的不成熟，其代謝活性很高，SCFA可以通過簡(jiǎn)單擴(kuò)散作用以非離子的形式在瘤胃內(nèi)被上皮組織吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，此外，SCFA還可以通過轉(zhuǎn)運(yùn)載體的幫助進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。Borthakur等[13]發(fā)現(xiàn)，丁酸可以激活Caco2和HT-29細(xì)胞系中MCT1啟動(dòng)子區(qū)域，NF-κB信號(hào)途徑抑制劑可顯著抑制丁酸對(duì)MCT1啟動(dòng)子的上調(diào)作用，同時(shí)丁酸處理可以促進(jìn)Caco2細(xì)胞質(zhì)中NF-κB轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子進(jìn)入細(xì)胞核，而丙酸、乙酸則無(wú)此效果，說明丁酸可通過NF-κB途徑促進(jìn)MCT1表達(dá)。但對(duì)犢牛瘤胃相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及具體轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制目前仍不清楚，外源添加SCFA刺激瘤胃發(fā)育的作用仍有待進(jìn)一步探索。

2 SCFA影響瘤胃微生物進(jìn)而促進(jìn)犢牛瘤胃發(fā)育

犢牛早期的瘤胃未發(fā)育完全，相比于成熟瘤胃較為齊全的功能，早期瘤胃在微生物種類和數(shù)量上都不如成熟瘤胃。犢牛瘤胃微生物的定植過程是非常復(fù)雜的，日糧及生理狀態(tài)的改變都會(huì)影響微生物的定植。在最初的定植之后，這些特異性微生物不僅對(duì) 膜組織的發(fā)育和成熟具有調(diào)節(jié)作用，而且對(duì)機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)和健康具有重要意義[14]。SCFA與瘤胃微生物之間的關(guān)系是相輔相成的，SCFA既可以促進(jìn)有益微生物的生長(zhǎng)，同時(shí)還可以抑制大腸桿菌和沙門菌等有害微生物的生長(zhǎng)，并且這些有益微生物的增長(zhǎng)也會(huì)反過來(lái)刺激增加SCFA 的合成[15]。瘤胃上皮細(xì)胞HCO3-分泌量與SCFA密切相關(guān)，因此，SCFA可降低瘤胃pH值，使瘤胃維持一個(gè)較為理想的酸性環(huán)境[3]，利于微生物定植，隨著微生物的逐漸定植，進(jìn)一步發(fā)酵飼料產(chǎn)生SCFA，進(jìn)而使瘤胃處于良性循環(huán)狀態(tài)。

近幾年關(guān)于異丁酸對(duì)犢牛微生物影響的研究較多，Wang等[5]研究證實(shí)，對(duì)斷奶前后的犢牛補(bǔ)喂異丁酸，可以增加瘤胃產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌及溶纖維丁酸弧菌數(shù)量，并可以提高斷奶前生黃瘤胃球菌的細(xì)菌總數(shù)，這對(duì)犢牛更快地適應(yīng)固體飼料具有積極的作用。補(bǔ)喂異丁酸對(duì)犢牛瘤胃中纖維二糖酶、濾紙酶、羧甲基纖維素酶及木聚糖酶的活力具有促進(jìn)作用，可以明顯改善瘤胃發(fā)酵[16]。瘤胃中纖維分解菌菌群的生長(zhǎng)與纖維分解酶的活力密切相關(guān)，纖維分解酶的活力高能促進(jìn)瘤胃纖維分解菌的生長(zhǎng)及活性[17]。瘤胃中的異丁酸是日糧支鏈氨基酸在瘤胃中的降解產(chǎn)物，可被用來(lái)重新合成支鏈氨基酸，同時(shí)也是瘤胃微生物，尤其是纖維分解菌生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)因子[18]。異丁酸通過提高犢牛瘤胃內(nèi)木聚糖酶、纖維二糖酶、果膠酶及羧甲基纖維素酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)了白色瘤胃球菌、黃色瘤胃球菌、產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌及溶纖維丁酸弧菌的生長(zhǎng)繁殖，提高了纖維分解酶的活力，及犢牛對(duì)日糧養(yǎng)分的利用率，從而改善了瘤胃發(fā)酵，促進(jìn)了犢牛瘤胃發(fā)育及生長(zhǎng)[19]。

由于新生犢牛瘤胃發(fā)育不完善，瘤胃內(nèi)的微生物種類少，并且豐度相對(duì)較低，通過瘤胃微生物發(fā)酵日糧產(chǎn)生的SCFA很少，因此外源添加SCFA已經(jīng)在犢牛研究上被較多應(yīng)用。SCFA在降低瘤胃pH值、促進(jìn)犢牛有益微生物定植、抑制有害微生物定植上均展現(xiàn)出一定的效果，但其相關(guān)代謝途徑仍需要進(jìn)一步研究，或許通過對(duì)瘤胃液進(jìn)行代謝組學(xué)檢測(cè)能揭示這一現(xiàn)象。

3 小結(jié)

通過以上綜述可以看出，SCFA在促進(jìn)犢牛瘤胃發(fā)育方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用效果。SCFA對(duì)提高犢牛生長(zhǎng)性能和瘤胃發(fā)育具有重要意義，在日糧中添加SCFA可以提高犢牛生產(chǎn)性能，這主要是由于SCFA不僅可以促進(jìn)瘤胃體積和乳頭的生長(zhǎng)，還在維持瘤胃乳頭形態(tài)及肌層厚度等瘤胃形態(tài)方面也具有重要作用；同時(shí)SCFA還可以促進(jìn)瘤胃上皮細(xì)胞SCFA的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，提高相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的相對(duì)表達(dá)量；此外，SCFA還可以提高瘤胃內(nèi)相關(guān)酶活力，改善瘤胃內(nèi)環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)有益微生物的定植。盡管SCFA在犢牛日糧中已有部分相關(guān)研究，但是對(duì)其作用機(jī)理仍然缺乏了解。犢牛瘤胃發(fā)育不完善，微生物群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生腹瀉等疾病，因此，需進(jìn)一步系統(tǒng)地研究SCFA影響犢牛瘤胃微生物定植以及瘤胃發(fā)育的機(jī)制，利用宏基因組及代謝組學(xué)等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，針對(duì)犢牛瘤胃上皮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、相關(guān)代謝機(jī)制及微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入探討，研究瘤胃組織形態(tài)、SCFA吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及微生物群落三者間的相互作用機(jī)制。這將對(duì)進(jìn)一步指導(dǎo)犢牛健康養(yǎng)殖，降低腹瀉率，充分發(fā)揮犢牛生長(zhǎng)潛能，進(jìn)而提高其成年期的生產(chǎn)性能具有重要的科學(xué)意義。