李嘉秋，王佳堃

（浙江大學(xué)奶業(yè)科學(xué)研究所，浙江杭州 310058）

在現(xiàn)代生態(tài)學(xué)中，生態(tài)位研究已經(jīng)滲透到動(dòng)植物和社會(huì)領(lǐng)域，為解決環(huán)境問(wèn)題做出了有益貢獻(xiàn)，成為了生態(tài)學(xué)中重要的基礎(chǔ)理論之一[1]。生態(tài)位（Niche）概念最早源于對(duì)鳥類的生態(tài)學(xué)研究[2]，是指一個(gè)物種與其他物種相關(guān)聯(lián)的特定時(shí)間、空間位置及功能地位[3-4]。不僅強(qiáng)調(diào)物種本身的生存空間，更加強(qiáng)調(diào)其在群落中的作用和地位，尤其是與其他物種的競(jìng)爭(zhēng)、互作等相關(guān)關(guān)系[5]。反芻動(dòng)物瘤胃是一個(gè)相對(duì)封閉的生物發(fā)酵系統(tǒng)，多種微生物（細(xì)菌、古菌、真菌、原蟲等）協(xié)同參與機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)利用過(guò)程，了解瘤胃微生物功能和種間關(guān)系是調(diào)控瘤胃的基礎(chǔ)。但是縱觀整個(gè)反芻動(dòng)物生命周期的瘤胃微生物區(qū)系變化，出生后24 h 內(nèi)，瘤胃微生物開始定植；隨著個(gè)體采食固體飼料，瘤胃中菌群密度和多樣性也迅速增長(zhǎng)[6-7]，在此過(guò)程中優(yōu)先定植的微生物如何影響后續(xù)微生物的定植以及瘤胃中微生物的整體功能和互作機(jī)制尚不清晰，針對(duì)瘤胃功能微生物實(shí)現(xiàn)高效調(diào)控的手段尚有欠缺。相比于森林、鳥類、土壤的生態(tài)位研究，瘤胃生態(tài)位研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后。為此，本文在闡述生態(tài)位理論的基礎(chǔ)上，綜述了不同微生物群落中群落構(gòu)建的主要規(guī)則；同時(shí)，應(yīng)用生態(tài)位理論分析近年來(lái)與瘤胃微生物區(qū)系相關(guān)的生態(tài)位研究，包括瘤胃微生物類群的群落構(gòu)建機(jī)制、功能劃分，以及不同表觀性狀的反芻動(dòng)物個(gè)體之間瘤胃微生物生態(tài)位特異性比較；并在此基礎(chǔ)上探究了高效利用反芻動(dòng)物瘤胃微生物的調(diào)控方向。

1 微生物群落構(gòu)建的生態(tài)位理論及分化規(guī)則

群落多樣性的形成和維持機(jī)理即群落構(gòu)建（Community Assembly）機(jī)制一直是生態(tài)學(xué)研究的核心論題。基于生態(tài)位分化為前提的群落構(gòu)建理論的產(chǎn)生與發(fā)展已歷經(jīng)百年。隨著對(duì)微生物生態(tài)位理論研究的深入，逐漸形成生態(tài)位搶占及生態(tài)位修飾2 種微生物生態(tài)位分化的模式理論。

1.1 生態(tài)位理論的發(fā)展 Johnson 等[2]在1910 年第1 次將“生態(tài)位”作為術(shù)語(yǔ)引用，Grinnell[3]隨后對(duì)“生態(tài)位”給出完整定義，即生態(tài)位是恰好被一個(gè)種或亞種在群落和生態(tài)系統(tǒng)中所占據(jù)的最后分布單元。Hutchinson 等[8]從多因子影響角度提出物種生態(tài)位還會(huì)受到多種資源環(huán)境因子的影響，即生態(tài)位指有機(jī)體與它所處的環(huán)境（生物和非生物）所有關(guān)系的總和。Odum 等[9]研究認(rèn)為，生態(tài)位是指生態(tài)系統(tǒng)和群落中一個(gè)物種和其他物種相關(guān)聯(lián)的特定時(shí)間位置、空間位置和功能地位，強(qiáng)調(diào)生物有機(jī)體在群落中的機(jī)能作用和地位。Vandermeer[4]在此基礎(chǔ)上提出了競(jìng)爭(zhēng)排斥法則，即生態(tài)位指的是物種在生物群落中的位置，包括物種生境、食性；兩物種競(jìng)爭(zhēng)同一資源時(shí)，總有一方具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，另一種是被排斥的現(xiàn)象，每個(gè)物種生存發(fā)展的前提是占據(jù)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的生態(tài)位。2003 年以后，生態(tài)位的定義也在不斷拓寬，Chase 等[5]和Silvertown 等[10]立足經(jīng)典生態(tài)位理論，加入了除環(huán)境中可利用的資源，環(huán)境因子和其他因子（包括時(shí)間、空間環(huán)境波動(dòng)的變化）也能影響生態(tài)位分化的觀點(diǎn)，完善和拓展了現(xiàn)代生態(tài)位理論。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)生態(tài)位研究始于1980 年左右，王剛等[11]認(rèn)為，生態(tài)位一方面體現(xiàn)了物種與所處生境的關(guān)系，另一方面體現(xiàn)了群落中各物種之間的關(guān)系。朱春全[12]的態(tài)勢(shì)理論認(rèn)為，生態(tài)位同時(shí)包括了“態(tài)”和“勢(shì)”兩方面，“態(tài)”是自我成長(zhǎng)和環(huán)境影響過(guò)程中所累積的狀態(tài)，“勢(shì)”則是對(duì)現(xiàn)有資源利用能力以及對(duì)環(huán)境的生存適應(yīng)能力。目前，生態(tài)位概念仍未有一個(gè)統(tǒng)一的定義，Whittaker 等[13]提出，生態(tài)位指群落中物種在時(shí)間、空間的位置和功能關(guān)系，以及與其他物種的相關(guān)關(guān)系的綜合。群落構(gòu)建理論發(fā)展至今，一種觀點(diǎn)認(rèn)為存在“資源競(jìng)爭(zhēng)”的物種之間的生態(tài)位分化等確定性因素起主導(dǎo)作用[10]，后來(lái)又有觀點(diǎn)認(rèn)為“隨機(jī)”和“擴(kuò)散”等不確定因素起主導(dǎo)作用。后者發(fā)展出的中性理論認(rèn)為，在一個(gè)復(fù)雜的自然群落中，一些隨機(jī)的因素，譬如種群豐度隨機(jī)的上下起伏、新物種的形成或者物種的遷移才是物種多樣性的決定因素[14-15]。經(jīng)過(guò)20 多年的爭(zhēng)論[16]，生態(tài)學(xué)家們摒棄了2 種理論互相對(duì)立的觀點(diǎn)，認(rèn)為生態(tài)位理論與中性理論二者整合為一體可以更好地理解群落構(gòu)建機(jī)理。即環(huán)境變化是最主要的驅(qū)動(dòng)力，在一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的生態(tài)系統(tǒng)中，生態(tài)位分化的貢獻(xiàn)度可能更大；而在物種豐富的大集群生態(tài)環(huán)境中，隨機(jī)作用的效果可能更強(qiáng)[17-19]。值得注意的是，不管偏向何種理論，群落中微生物之間的相互關(guān)系是相同功能的微生物集合（官能團(tuán)，F(xiàn)unctional Group）對(duì)其他執(zhí)行相同或不同功能的微生物集合的優(yōu)先效應(yīng)（Priority Effects），即先定植的微生物會(huì)影響后續(xù)微生物的定植、增長(zhǎng)和演替[20]。生態(tài)位理論能夠幫助研究者更好地理解瘤胃微生態(tài)系統(tǒng)中的物種結(jié)構(gòu)和分工。

1.2 微生物生態(tài)位搶占 發(fā)生在生態(tài)位重疊，即需求和環(huán)境影響相似的物種之間的優(yōu)先效應(yīng)稱為“生態(tài)位搶占”（Niche Preemption），通常情況下是兩種物種對(duì)同一可利用底物的競(jìng)爭(zhēng)[21]。Vieira 等[22]選用不同物種模擬自然微生物在海洋中的先后定植過(guò)程，發(fā)現(xiàn)留存能力較強(qiáng)的微生物可以有效降低定植后整個(gè)自然群落的物種豐富度，這說(shuō)明先定植的微生物優(yōu)先搶占了后定植微生物生長(zhǎng)所需的空間。在缺乏底物的條件下，復(fù)雜土壤微生物組成的生態(tài)系統(tǒng)相比于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)能有效抵制外來(lái)微生物物種的入侵，而與此同時(shí)增加可利用的底物能夠顯著提高入侵物種的豐度[23]。Maldonado-Gomez 等[24]報(bào)道，當(dāng)宿主腸道微生物區(qū)系缺失長(zhǎng)雙歧桿菌（Bifidobac terium longum）時(shí)，腸道內(nèi)的底物會(huì)發(fā)生富集，口服長(zhǎng)雙歧桿菌后在人類腸道中的定植效果優(yōu)于其他宿主，當(dāng)腸道微生物的生態(tài)位出現(xiàn)缺失時(shí)，根據(jù)生態(tài)位搶占的機(jī)制原理，處于同一生態(tài)位的外源微生物能夠在腸道中很快定植。不僅如此，在簡(jiǎn)化的模型中，假設(shè)一共S個(gè)物種在各自定植的階段消耗相同比例k的可用資源并產(chǎn)生相應(yīng)的增長(zhǎng)c，理論上一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的群落中，相同功能的物種豐度滿足指數(shù)分布：

使用真實(shí)的群落豐度數(shù)據(jù)驗(yàn)證后，分布的擬合度大于0.99，因此可以通過(guò)群落的觀測(cè)數(shù)據(jù)推得各個(gè)物種的豐度以及它們定植所需要消耗的資源比例[25]。因此，底物競(jìng)爭(zhēng)可能是微生物生態(tài)位搶占機(jī)制的重要組成，而微生物與微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系可能也會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先效應(yīng)的發(fā)生，這將是后續(xù)生態(tài)研究關(guān)注的重點(diǎn)之一。

1.3 微生物生態(tài)位修飾 不同于“生態(tài)位搶占”，先定植物種的生態(tài)活動(dòng)改變其周圍環(huán)境從而為后續(xù)物種創(chuàng)造新的環(huán)境條件的優(yōu)先效應(yīng)稱為“生態(tài)位修飾”（Niche Modification）[21]。首先，外來(lái)菌群定植的先后順序會(huì)產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)生態(tài)位。飲用含有動(dòng)物雙歧桿菌（Bifidobacterium animalis）的酸奶，可以有效促進(jìn)腸道中乳酸利用菌和丁酸生成菌的相對(duì)豐度，降低腸道pH 并產(chǎn)生大量短鏈脂肪酸，從而抑制大腸桿菌（Escherichia coli）等病原菌的定植[26]。并且在體外培養(yǎng)條件下，熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）的繁殖導(dǎo)致試管中先形成了2 種不同的微環(huán)境，即靠近液面的富氧區(qū)和接近試管底部的無(wú)氧區(qū)，當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)了能夠形成生物膜的新個(gè)體時(shí)，這些細(xì)菌會(huì)在靠近液面的富氧區(qū)形成生物膜，從而造成僅在生物膜范圍內(nèi)存在氧氣濃度梯度差異，位于生物膜下方的微環(huán)境則完全轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)氧區(qū)，也就是說(shuō)微生物的定植造成了小型模擬系統(tǒng)中出現(xiàn)了不同的環(huán)境條件，從而促進(jìn)不同的微生物繁殖[27]。其次，當(dāng)微生物群落面臨非常強(qiáng)烈的環(huán)境選擇壓力時(shí)，微生物種群的響應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)生態(tài)位。此前，微生物耐藥性機(jī)制一直得不到合理解釋，隨著研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)可能是水平基因轉(zhuǎn)移（Horizontal Gene Transfer）導(dǎo)致的微生物生態(tài)位修飾在菌群整體抵御抗生素時(shí)發(fā)揮重要作用[28-31]。水平基因轉(zhuǎn)移指原核生物間通過(guò)攝取有耐受能力的DNA 擴(kuò)充自身基因組信息并由此抵御環(huán)境選擇壓力的過(guò)程，可推動(dòng)微生物進(jìn)化和新物種的產(chǎn)生[32]。研究表明，為了適應(yīng)環(huán)境變化，在同一生境中，不同物種有共享耐受基因的趨勢(shì)，這一過(guò)程發(fā)生在系統(tǒng)發(fā)育距離相近的物種之間的概率更高[33]。綜上，優(yōu)先定植或優(yōu)勢(shì)微生物通過(guò)不同機(jī)制對(duì)其生存環(huán)境形成生態(tài)位修飾，進(jìn)而對(duì)后來(lái)定植的微生物產(chǎn)生優(yōu)先效應(yīng)，可以豐富微生物多樣性和形成群落構(gòu)建。

2 瘤胃微生物生態(tài)位分化規(guī)則和官能團(tuán)類群

類比生態(tài)位所涉及的兩大理論，瘤胃微生物也呈現(xiàn)出類似的生態(tài)位搶占和生態(tài)位修飾的表觀現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上了解不同功能瘤胃微生物是了解其占據(jù)何種生態(tài)位以及如何影響其他微生物的關(guān)鍵。

2.1 瘤胃微生物的生態(tài)位搶占 屬于革蘭氏陰性菌的普雷沃氏菌屬（Prevotella）遺傳多樣性豐富[34]，能夠利用淀粉、非纖維性多糖和纖維素，即使在缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的條件下也能生存，是反芻動(dòng)物瘤胃系統(tǒng)中早期定植的微生物物種之一[35-36]。普雷沃氏菌屬在瘤胃微生物定植的早期就占據(jù)優(yōu)勢(shì)生態(tài)位，從而影響了其他利用纖維素及糖類的細(xì)菌的早期定植[37]。這些微生物可直接利用飼料底物，產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸等物質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生大量還原氫。還原氫的利用充分體現(xiàn)了瘤胃微生物對(duì)底物競(jìng)爭(zhēng)的能力和生態(tài)位搶占能力。大量研究已經(jīng)證實(shí)，瘤胃中的還原氫主要由以下幾種官能團(tuán)利用：①氫營(yíng)養(yǎng)型甲烷生成途徑中利用H2和CO2還原成甲烷的官能團(tuán)；②琥珀酸途徑中利用還原氫生成丙酸的官能團(tuán)；③乙酸生成途徑中利用H2和CO2生成乙酸的官能團(tuán)[38]。在新生動(dòng)物消化道內(nèi)，飼料底物豐富所以瘤胃內(nèi)氫分壓較高，乙酸生成官能團(tuán)占據(jù)主導(dǎo)生態(tài)位，形成生態(tài)位搶占的優(yōu)先效應(yīng)，它們能夠優(yōu)先消耗氫氣生成乙酸，搶奪了其他官能團(tuán)可利用的氫資源，抑制其他氫利用官能團(tuán)[39-40]。而隨著反芻動(dòng)物年齡增長(zhǎng)，瘤胃內(nèi)氫分壓受到多種微生物的共同作用而逐漸降低，對(duì)氫分壓要求不高的氫營(yíng)養(yǎng)型甲烷生成官能團(tuán)取代乙酸官能團(tuán)形成生態(tài)位搶占，因此成年動(dòng)物的氫更多流向甲烷生成途徑[41]。相較于瘤胃大環(huán)境，Huws 等[42]發(fā)現(xiàn)飼料表面瘤胃微生物定植的過(guò)程中，無(wú)論飼料顆粒黏附的微生物如何動(dòng)態(tài)變化，丁酸弧菌屬（Butyrivibrio）、瘤胃球菌屬（Ruminococcus）、歐陸森氏菌屬（Olsenella）和普雷沃氏菌屬一直占有數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，這說(shuō)明它們占據(jù)飼料表面微環(huán)境的優(yōu)勢(shì)生態(tài)位，抑制后續(xù)其他微生物在飼料表面定植。生態(tài)位搶占主導(dǎo)了瘤胃微生態(tài)的“演變”和“成熟”，因此針對(duì)幼齡反芻動(dòng)物的靶向微生物調(diào)控可能形成生態(tài)位搶占的優(yōu)先效應(yīng)，重新定向瘤胃微生物的演替過(guò)程。

2.2 瘤胃微生物的生態(tài)位修飾 生態(tài)位搶占會(huì)影響微生物的群落結(jié)構(gòu)，而生態(tài)位修飾既能影響群落結(jié)構(gòu)，又能影響微生物菌群功能[43]。普雷沃氏菌屬和梭菌屬（Clostridium）是瘤胃中多樣性最多的兩大類群，而且普雷沃氏菌屬被認(rèn)為先于梭菌屬在瘤胃定植[44]。這可能是由于當(dāng)飼料顆粒進(jìn)入瘤胃后，普雷沃氏菌屬會(huì)降解半纖維素優(yōu)先定植，木聚糖暴露后，梭菌屬才得以定植，從微生物功能來(lái)說(shuō)，普雷沃氏菌屬的亞種中包含大量半纖維素降解基因，而梭菌屬的亞型中包含大量纖維素降解基因，正是由于功能上的差異導(dǎo)致了它們?cè)诹鑫钢械亩ㄖ岔樞?，進(jìn)而影響了瘤胃菌群結(jié)構(gòu)和其他微生物對(duì)底物的利用情況[44]。而隨著飼料的降解，局部的氫分壓逐漸升高，抑制了飼料的進(jìn)一步降解，甲烷菌在飼料表面聚集，有效降低氫分壓，飼料再次開始降解[45]，形成飼料消化的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。Jami 等[7]發(fā)現(xiàn) 1 日齡初生犢牛的瘤胃內(nèi)包含大量好氧細(xì)菌和厭氧細(xì)菌，24 h 后瘤胃中可檢測(cè)到大量厭氧細(xì)菌，這說(shuō)明好氧細(xì)菌在2 d 內(nèi)消耗了多余的氧氣并修飾了生態(tài)環(huán)境，改變了后續(xù)微生物的定植[46]。Shaani 等[21]發(fā)現(xiàn)飼喂不同類型飼料時(shí)，與早晨（晨飼后）相比，傍晚采集的樣品中瘤胃pH、甲烷菌數(shù)量和甲烷產(chǎn)量都會(huì)更高，為了探究這種日間變化模式與微生物有關(guān)還是代謝環(huán)境相關(guān)，他們將動(dòng)物采食后不同時(shí)間點(diǎn)（早晨和傍晚）的瘤胃微生物分別接種到晨間或傍晚的瘤胃液環(huán)境中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不管接種早晨或傍晚的微生物，晚間瘤胃液環(huán)境甲烷菌數(shù)量更多，甲烷產(chǎn)量更高，表觀驗(yàn)證了經(jīng)微生物修飾的生態(tài)位會(huì)直接影響后續(xù)接種的微生物定植的能力和功能，進(jìn)而影響群落結(jié)構(gòu)。除此之外，近年來(lái)，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)了瘤胃生態(tài)位修飾的一個(gè)重要機(jī)制，即來(lái)自不同譜系的瘤胃微生物通過(guò)基因交換（水平基因轉(zhuǎn)移）獲取相似功能[21]。McCuddin 等[47]發(fā)現(xiàn)瘤胃原蟲能夠增強(qiáng)克雷伯菌屬（Klebsiella）向無(wú)抗生素抗性的沙門氏菌屬（Salmonella）傳遞抗生素抗性基因的能力，由此推測(cè)原蟲可能在瘤胃細(xì)菌之間介導(dǎo)水平基因轉(zhuǎn)移的發(fā)生。還有研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌與真菌之間發(fā)生碳水化合物水解基因的轉(zhuǎn)移[48-49]、細(xì)菌與原蟲之間發(fā)生植物細(xì)胞壁多糖降解酶基因的轉(zhuǎn)移[50]，說(shuō)明瘤胃微生物的生態(tài)位修飾過(guò)程可能是通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的。

2.3 瘤胃微生物的官能團(tuán)類群 瘤胃微生物是不同功能微生物的集合。瘤胃微生物組計(jì)劃（RMP）[51]同時(shí)利用純培養(yǎng)技術(shù)與三代測(cè)序技術(shù)，對(duì)來(lái)自瘤胃的微生物進(jìn)行了深度的基因組測(cè)序。因?yàn)椴煌V系的微生物功能可能相似，相同譜系的微生物功能可能不同，所以大致上可以按照代謝產(chǎn)物將瘤胃微生物分為6 個(gè)功能類群，即產(chǎn)乙酸、產(chǎn)丙酸、產(chǎn)丁酸、產(chǎn)甲烷、產(chǎn)乳酸和琥珀酸或延胡索酸、產(chǎn)氨官能團(tuán)（表1）。瘤胃微生物的多樣性和整體功能與這6 類微生物之間的相互關(guān)系密切相關(guān)。首先，產(chǎn)乙酸（C2）、產(chǎn)丁酸（C4）、產(chǎn)乳酸（L）、琥珀酸（S）或延胡索酸（F）的官能團(tuán)都利用丙酮酸（P）生成相應(yīng)的產(chǎn)物，而丙酮酸主要來(lái)源于瘤胃內(nèi)的糖類降解，因此這3 類官能團(tuán)共同利用了有限的瘤胃資源，構(gòu)成生態(tài)位搶占關(guān)系，處于優(yōu)勢(shì)地位的官能團(tuán)主導(dǎo)了瘤胃的整體發(fā)酵模式。同時(shí)，丙酮酸產(chǎn)乙酸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的還原氫，還原氫和二氧化碳被甲烷菌利用，降低氫分壓促進(jìn)丙酮酸繼續(xù)發(fā)酵，二者構(gòu)成生態(tài)位修飾關(guān)系。其他消耗氫的官能團(tuán)（如產(chǎn)丙酸、產(chǎn)乳酸、產(chǎn)琥珀酸的官能團(tuán)）則與甲烷構(gòu)成生態(tài)位搶占。生態(tài)位理論為這些官能團(tuán)的相互關(guān)系提供了有力解釋，而如何合理的利用官能團(tuán)的生態(tài)位關(guān)系，是將來(lái)調(diào)控瘤胃微生物促進(jìn)飼料利用的關(guān)鍵。

3 瘤胃微生物的生態(tài)位和高效調(diào)控方式

生態(tài)位搶占和生態(tài)位修飾的存在使得已定植的微生物由于優(yōu)先效應(yīng)影響后續(xù)微生物的變化。從生態(tài)位角度探討瘤胃微生物的適應(yīng)性機(jī)制，以及飼料利用效率與反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系關(guān)系，是精準(zhǔn)調(diào)控瘤胃微生物的基礎(chǔ)。

3.1 瘤胃核心菌群與適應(yīng)性 反芻動(dòng)物攝入的飼糧組成不同時(shí)，瘤胃細(xì)菌的組成依然相似。Petri 等[59]對(duì)8 頭飼喂不同精粗比飼料肉牛的瘤胃內(nèi)容物分別進(jìn)行核糖體RNA 擴(kuò)增子測(cè)序發(fā)現(xiàn)，平均相對(duì)豐度最高的普雷沃氏菌屬、毛螺菌科和梭菌目3 個(gè)微生物類群占瘤胃全部遺傳信息的82%。Henderson 等[60]檢測(cè)了來(lái)自35 個(gè)國(guó)家和地區(qū)的不同反芻動(dòng)物的瘤胃液，結(jié)果顯示瘤胃中高豐度的瘤胃細(xì)菌組成（如普雷沃氏菌屬、毛螺旋菌科、瘤胃球菌科和梭菌目）的相對(duì)豐度占比是相似的，同時(shí)它們與其他微生物之間存在穩(wěn)定的相互關(guān)系，這類菌群可視作“瘤胃核心菌群”。而Rubino 等[44]報(bào)道在普雷沃氏菌屬和梭菌屬中，碳水化合物降解相關(guān)的功能基因亞型最多，這些核心菌群能在不同的瘤胃條件下保持自己的功能。此外，越來(lái)越多的報(bào)道證實(shí)，莫能霉素（一種在反芻動(dòng)物中常用的瘤胃調(diào)控添加劑）的調(diào)控作用會(huì)隨著瘤胃微生物的適應(yīng)而逐漸減弱[61]。同時(shí)也有報(bào)道證實(shí)莫能霉素不能引起普雷沃氏菌屬和梭菌目等核心菌群的顯著豐度變化。因此，瘤胃微生物在應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的劇烈變化時(shí)表現(xiàn)出的強(qiáng)烈適應(yīng)性，可能與核心菌群穩(wěn)定占據(jù)著各自的生態(tài)位有關(guān)。研究者調(diào)控瘤胃微生物的目的往往是讓瘤胃從一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)向另一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，而部分調(diào)控手段只能讓瘤胃微生物區(qū)系在小范圍內(nèi)發(fā)生組成變化[62]。理論上欲使群落整體動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)發(fā)生變化需要滿足：①現(xiàn)有的微生物組成包含能夠共同引發(fā)優(yōu)先效應(yīng)的物種；②發(fā)生的局部動(dòng)態(tài)變化要足夠快并能讓先行物種在其他物種定植之前搶占或者修飾生態(tài)位[20]。由于瘤胃核心菌群的存在，后續(xù)研究在調(diào)控瘤胃的過(guò)程中可能需要先打破瘤胃中原有的生態(tài)位關(guān)系，然后再做出相應(yīng)的調(diào)控，可能提高瘤胃調(diào)控的效率。

表1 瘤胃微生物的生態(tài)位分化和部分官能團(tuán)成員

3.2 飼料效率/甲烷耦聯(lián)調(diào)控 比較不同飼料利用效率個(gè)體的瘤胃微生物組成可以幫助研究者了解高飼料利用效率個(gè)體瘤胃微生物生態(tài)位和功能的特異性。Shabat 等[54]通過(guò)比較不同飼料剩余采食量的肉牛個(gè)體，發(fā)現(xiàn)乳酸-丙烯酸-丙酸途徑在高飼料效率個(gè)體中富集，并且主要由埃氏巨型球菌（Megasphaera elsdenii）和靈巧糞球菌（Corprococcus catus）2 種微生物介導(dǎo)。相似的是，Kittelmann 等[63]在高低甲烷產(chǎn)量綿羊個(gè)體中發(fā)現(xiàn)，低甲烷產(chǎn)量綿羊的瘤胃微生物主要有2 種組成，一種表現(xiàn)為低乙丙比和低氫瘤胃發(fā)酵環(huán)境，而另一種為乳酸生成菌（如沙棘菌屬和歐陸森氏菌屬）的富集，這說(shuō)明傾向于產(chǎn)生乳酸-丙酸途徑的瘤胃微生物組成往往不會(huì)產(chǎn)生更多甲烷。Kamke 等[53]通過(guò)宏基因組測(cè)序進(jìn)一步證明沙棘菌屬等異型乳酸發(fā)酵產(chǎn)生菌快速降解飼料中的淀粉底物產(chǎn)生大量乳酸，這些乳酸促進(jìn)巨型球菌屬等編碼Ldh（乳酸脫氫酶）和LcdA（乳酰輔酶A 脫氫酶）基因的微生物在瘤胃中富集，將乳酸轉(zhuǎn)化為丙酸和丁酸，降低瘤胃中可利用的氫含量。從生態(tài)位理論的角度，可以推測(cè)高飼料利用效率個(gè)體的瘤胃中，功能微生物占據(jù)產(chǎn)乳酸的主要生態(tài)位一方面通過(guò)生態(tài)位搶占減少甲烷菌可利用的氫，另一方面產(chǎn)生大量的乳酸底物，通過(guò)生態(tài)位修飾促進(jìn)乳酸利用菌的定植，因此這類動(dòng)物個(gè)體在提高了飼料效率的同時(shí)表現(xiàn)出低甲烷產(chǎn)量的表型（圖1）。

相比于乳酸途徑，瘤胃中競(jìng)爭(zhēng)氫的生態(tài)位官能團(tuán)還有延胡索酸-琥珀酸途徑，而琥珀酸和乳酸作為丙酸產(chǎn)生的2 個(gè)主要前體物質(zhì)，其高效轉(zhuǎn)化為丙酸能夠提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能并減少琥珀酸在瘤胃中的累積。很多研究也證明，僅添加延胡索酸會(huì)導(dǎo)致琥珀酸的累積，從而在熱力學(xué)上抑制延胡索酸的還原，減少延胡索酸對(duì)氫的競(jìng)爭(zhēng)力[64]。通過(guò)提高下游琥珀酸的利用率，可能提高延胡索酸進(jìn)入丙酸生成途徑的比例，從而降低動(dòng)物的甲烷產(chǎn)量并同時(shí)提高飼料效率。

圖1 低飼料效率和低甲烷產(chǎn)量的共同富集通路[50-52]

4 小 結(jié)

瘤胃微生物適應(yīng)性、瘤胃飼料效率調(diào)控與甲烷減排調(diào)控的耦聯(lián)效應(yīng)以及其他未知的瘤胃中代謝通路之間存在的相互關(guān)系，亟待研究者對(duì)瘤胃微生物的功能群體進(jìn)行研究。生態(tài)位理論能夠幫助研究者更好地理解瘤胃內(nèi)環(huán)境中微生物的整體功能，以及優(yōu)先定植的微生物如何影響后續(xù)微生物的定植及功能。隨著瘤胃微生物生態(tài)位研究的逐漸深入，可以預(yù)見(jiàn)，破壞原有的生態(tài)位搶占狀態(tài)或針對(duì)性添加修飾瘤胃環(huán)境的微生物制劑等方法能夠幫助研究者實(shí)現(xiàn)瘤胃的高效調(diào)控。