楊 鼎，伊風(fēng)艷，曄薷罕，田如剛，吳江鴻，2

（1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；2. 內(nèi)蒙古民族大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院， 內(nèi)蒙古 通遼028000）

反芻家畜包括牛、羊、鹿等，不僅是人類(lèi)重要的動(dòng)物產(chǎn)品來(lái)源， 也是溫室氣體甲烷重要的排放源。棲息在瘤胃及腸道中的7 000 余種細(xì)菌、 原生動(dòng)物、古細(xì)菌和噬菌體等微生物［1-2］，將不易被反芻動(dòng)物消化吸收的植物木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為可吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如氨基酸、維生素、胡蘿卜素等［3-4］，以及將飼料中的毒性物質(zhì)代謝為無(wú)毒物質(zhì)［5］。

瘤胃中以纖維素分解菌為優(yōu)勢(shì)菌， 包括產(chǎn)琥珀酸擬桿菌、白色瘤胃球菌、黃化瘤胃球菌和溶纖維丁酸弧菌等［6-7］。 在門(mén)水平上以厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)菌， 在屬層面上則以普雷沃菌屬細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)菌［8-9］。 了解反芻家畜瘤胃及腸道微生物多樣性，以及微生物與宿主動(dòng)物、日糧結(jié)構(gòu)、環(huán)境因子營(yíng)養(yǎng)代謝互作機(jī)制， 有助于建立科學(xué)有效的方法改善動(dòng)物福利， 提高動(dòng)物生產(chǎn)效率和動(dòng)物產(chǎn)品質(zhì)量，減少溫室氣體排放。此外，隨著第二代、第三代測(cè)序技術(shù)的成熟和發(fā)展， 宏基因組學(xué)在瘤胃微生物組研究方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。 結(jié)合宏基因組學(xué)、 宏蛋白質(zhì)組學(xué)、RNA-Seq 等多組學(xué)研究，國(guó)內(nèi)外近年來(lái)產(chǎn)生了一些重要的研究成果。筆者結(jié)合當(dāng)前研究熱點(diǎn)， 從反芻動(dòng)物瘤胃和腸道微生物多樣性變化以及功能方面進(jìn)行綜述， 以期為探索瘤胃和腸道微生物在反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)代謝中的作用及其機(jī)制提供參考。

1 多因素影響瘤胃及腸道微生物多樣性

反芻家畜瘤胃及腸道微生物處于一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)， 其多樣性與該系統(tǒng)中的各項(xiàng)因素存在緊密聯(lián)系。 影響反芻動(dòng)物瘤胃及腸道微生物多樣性的因素主要包括生物因素和非生物因素。 生物因素指消化道微生物互相作用、 宿主動(dòng)物狀態(tài)和日糧結(jié)構(gòu)等，非生物因素指地理、氣候、溫度、光照等。 瘤胃及腸道微生物作為影響反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)代謝的重要因子， 參與了該微生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量循環(huán)。 高原藏羚羊以及草原蒙古羊，都在冬季放牧?xí)r增加了瘤胃微生物維持氮平衡能量的需求，這是高原地區(qū)反芻家畜冬季補(bǔ)飼的重要原因［10-11］。

1.1 群體感應(yīng)——瘤胃微生物相互作用

多項(xiàng)研究表明瘤胃微生物之間存在群體感應(yīng)。群體感應(yīng)是一種微生物細(xì)胞間的通信機(jī)制，微生物通過(guò)分泌信號(hào)分子感知細(xì)胞（群體）密度，并在信號(hào)分子達(dá)到一定濃度時(shí)， 通過(guò)調(diào)節(jié)特定基因的表達(dá)調(diào)控群體內(nèi)微生物眾多生理生化過(guò)程。 不同的瘤胃微生物在降解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)時(shí)存在復(fù)雜的共生和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。在飼喂不同精粗比日糧過(guò)程中，使特定細(xì)菌分泌大量信號(hào)分子N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯（N-acyl homoserine lactones, AHLs），發(fā)生群體感應(yīng)，建立不同優(yōu)勢(shì)種群的微生物。飼喂高精粗比日糧時(shí)，分泌長(zhǎng)鏈AHLs 的細(xì)菌是優(yōu)勢(shì)菌群，而飼喂低精粗比日糧時(shí)分泌短鏈AHLs 的細(xì)菌是優(yōu)勢(shì)菌群［12］。

以上研究證明瘤胃微生物的群體感應(yīng)是一種微生物群體對(duì)周?chē)h(huán)境及營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)機(jī)制，表現(xiàn)形式為瘤胃微生物多樣性變化，但導(dǎo)致瘤胃微生物多樣性變化的因素有很多。 相比之下，群體感應(yīng)在眾多影響因素中的重要程度還有待研究。

1.2 日糧結(jié)構(gòu)對(duì)瘤胃及腸道微生物的影響

改善日糧結(jié)構(gòu)是保障動(dòng)物健康、 提升動(dòng)物產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量的重要途徑， 同時(shí)又是減輕反芻家畜甲烷排放、提高飼料轉(zhuǎn)化效率的方法［13］。 莫放等［14］研究發(fā)現(xiàn)日糧對(duì)瘤胃細(xì)菌氮的生成具有決定性作用。 Henderson 等［15］對(duì)來(lái)自35 個(gè)國(guó)家、32 個(gè)種類(lèi)反芻動(dòng)物的742 個(gè)樣本進(jìn)行瘤胃微生物多樣性分析， 發(fā)現(xiàn)日糧結(jié)構(gòu)對(duì)瘤胃微生物多樣性具有關(guān)鍵作用。

穩(wěn)定的瘤胃微生態(tài)是宿主動(dòng)物正常營(yíng)養(yǎng)代謝的重要保障， 高微生物多樣性是瘤胃微生態(tài)穩(wěn)定的重要前提。通過(guò)改善日糧結(jié)構(gòu)，提升瘤胃內(nèi)微生物多樣性是保障家畜健康的有效方法。 高纖維比日糧可提升瘤胃微生物多樣性， 有助于建立穩(wěn)定的瘤胃微生態(tài)。Bergmann［16］研究發(fā)現(xiàn)，飼喂飼草比飼喂谷物更能提升北美野牛消化道微生物多樣性以及擬桿菌門(mén)細(xì)菌的相對(duì)豐度， 飼喂谷物則會(huì)顯著提高厚壁菌門(mén)細(xì)菌和丙型變形菌的相對(duì)豐度。王柏輝等［17］研究發(fā)現(xiàn)，日糧纖維素含量更高的放牧組蘇尼特羊比舍飼組蘇尼特羊具有更高的瘤胃微生物多樣性， 瘤胃球菌屬和纖維桿菌屬細(xì)菌的豐度顯著增加。 筆者所在研究團(tuán)隊(duì)［18］也發(fā)現(xiàn)高纖維駝絨藜日糧比高蛋白質(zhì)苜蓿日糧更能提高羊瘤胃微生物多樣性； 盡管苜蓿日糧在羊增重速率上顯著高于駝絨藜日糧，但其瘤胃微生物種類(lèi)單一，優(yōu)勢(shì)菌主要為分解蛋白質(zhì)的普雷沃菌， 這與侯明杰等［19］的研究結(jié)果一致。 飼喂苜蓿日糧時(shí)羊瘤胃微生物多樣性明顯低于飼喂駝絨藜日糧， 這是放牧家畜由于攝入大量高纖維素飼草， 比舍飼家畜具有更高的瘤胃微生物多樣性的有力佐證。 瘤胃日糧底物與分解該底物的微生物數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系，高纖維日糧對(duì)纖維素酶需求的增加，促進(jìn)了纖維素分解菌的增殖［20］。 董春曉等［21］研究發(fā)現(xiàn)高纖維粗飼料可提高瘤胃中乙酸的比例， 利于纖維素分解菌的增殖。 趙夢(mèng)迪等［22］在湖羊日糧中添加纖維素酶，提高了纖維素分解能力，同時(shí)也提高了瘤胃中微生物的多樣性， 這一研究結(jié)果也與筆者所在研究團(tuán)隊(duì)的預(yù)期一致。

與之相反的是，隨著精料比例的提高，粗蛋白質(zhì)和能量的采食量增加，為瘤胃微生物的生長(zhǎng)提供了大量的碳源和氮源， 提高了瘤胃微生物氮的產(chǎn)量和蛋白質(zhì)的合成效率［23］，表現(xiàn)為尿嘌呤氮含量增加［24］和瘤胃代謝產(chǎn)物中氮濃度升高［25］，以及 微生物多樣性的相對(duì)降低。 李與琦等［26］在湖羊日糧中添加50%以上的微貯棉稈， 發(fā)現(xiàn)隨著日糧中蛋白質(zhì)比例的上升，瘤胃微生物多樣性降低，此時(shí)瘤胃微生物主要是擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)細(xì)菌， 普雷沃菌為優(yōu)勢(shì)菌。 郭凱等［27］也發(fā)現(xiàn)高蛋白質(zhì)飼料會(huì)引起犢牛瘤胃內(nèi)微生物豐度和操作分類(lèi)單位（operational taxonomic unit，OTU）降低。

以上研究表明日糧結(jié)構(gòu)是影響反芻動(dòng)物消化道微生物多樣性的關(guān)鍵因素， 高纖維日糧可提升微生物多樣性，有利于消化道微生態(tài)的穩(wěn)定；高蛋白質(zhì)日糧可加快反芻動(dòng)物生長(zhǎng)速度， 但降低了瘤胃微生物多樣性。因此，通過(guò)調(diào)整日糧結(jié)構(gòu)可以有效改變反芻動(dòng)物消化道微生物的多樣性和功能，影響動(dòng)物生產(chǎn)性狀，但其中的機(jī)制還不清楚，有待研究。

1.3 飼料添加劑和益生素對(duì)瘤胃及腸道微生物的影響

1.3.1 具有抗生素功能的飼料添加劑抗生素類(lèi)或益生素飼料添加劑可抑制反芻家畜胃腸道病原微生物增殖，改善胃腸道微生態(tài)平衡，但同時(shí)引起人們對(duì)抗生素殘留和細(xì)菌耐藥性的擔(dān)憂(yōu)［28］。Thomas等［29］研究發(fā)現(xiàn)，在北美洲地區(qū)牛場(chǎng)中莫能菌素和泰樂(lè)菌素不僅可以作為抗生素類(lèi)飼料添加劑預(yù)防日糧中碳水化合物快速消化帶來(lái)的疾病風(fēng)險(xiǎn)，還可以提高飼料轉(zhuǎn)化率并降低肝膿腫發(fā)生率。 鑒于抗生素潛在的缺陷， 尋找綠色無(wú)公害植物性抗菌劑是替代傳統(tǒng)抗生素的重要途徑。 陳會(huì)良等［30-31］研究發(fā)現(xiàn)牛至油含有抗菌植物復(fù)合酚， 對(duì)豬源和雞源大腸桿菌和沙門(mén)菌引起的腸道疾病有很好的療效。柏妍等［32］也發(fā)現(xiàn)牛至油除了具有抗菌功能，還能提高荷斯坦?fàn)倥Ａ鑫钢邪咨鑫盖蚓臄?shù)量，起到調(diào)控瘤胃微生物區(qū)系的作用。張智安等［33］發(fā)現(xiàn)在湖羊日糧中添加蜜蜂肽具有替代抗生素的作用。 此外，蜜蜂肽還可以提高湖羊瘤胃中的乙酸/丙酸比，促進(jìn)瘤胃乙酸型發(fā)酵［34］。

1.3.2 具有調(diào)節(jié)微生物功能的飼料添加劑除了抗菌功能， 飼料添加劑還有調(diào)節(jié)消化道功能的作用，通過(guò)調(diào)節(jié)瘤胃微生物區(qū)系及其代謝，增加有益菌數(shù)量，提高纖維素酶和木聚糖酶濃度。粗飼料代謝能利用效率低于精飼料， 重要的原因在于體內(nèi)葡萄糖供給不足，導(dǎo)致動(dòng)用氨基酸生成葡萄糖，造成家畜氮營(yíng)養(yǎng)狀況惡化。郭剛等［35］研究表明，添加丙酸鈣可補(bǔ)充反芻動(dòng)物的重要糖源丙酸， 進(jìn)而促進(jìn)氮平衡，瘤胃微生物蛋白質(zhì)產(chǎn)量顯著提高。閆韓韓等［36］在山羊日糧中添加了不同濃度的葡萄糖、尿素、無(wú)機(jī)鹽等，發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物數(shù)量增加，但對(duì)多樣性沒(méi)有顯著影響。王婷［37］研究表明，在肉羊日糧中添加葡萄籽對(duì)瘤胃微生物多樣性沒(méi)有顯著影響，但增加了普雷沃菌的相對(duì)豐度。雙金［38］研究發(fā)現(xiàn)，在肉羊日糧中添加熟處理的富含α-亞麻酸油籽，可提高飼料表觀消化率并改善瘤胃發(fā)酵環(huán)境。烏日勒格［39］研究發(fā)現(xiàn)，在育肥羊日糧中添加枯草芽孢桿菌，可提高羊瘤胃中擬桿菌門(mén)細(xì)菌的數(shù)量，并增強(qiáng)分解纖維素的能力。 趙亞星等［40］在肉羊日糧中添加沙蔥， 顯著提高了瘤胃液中總細(xì)菌和總厭氧真菌含量以及木聚糖酶和脂肪酶活性， 顯著降低了瘤胃液中原蟲(chóng)含量。 陳丹丹［41］發(fā)現(xiàn)在肉羊日糧中添加桑葉黃酮、白藜蘆醇、茶皂素和大蒜素后，瘤胃中原蟲(chóng)和甲烷菌的數(shù)量有一定降低，纖維素分解菌的數(shù)量有一定升高。 劉文杰等［42-43］研究發(fā)現(xiàn)在小尾寒羊日糧中添加賴(lài)氨酸， 可使瘤胃球菌總數(shù)增加，同時(shí)提高粗蛋白質(zhì)的表觀消化率。此外， 功能驗(yàn)證表明飼糧中添加賴(lài)氨酸沒(méi)有引起腸道內(nèi)微生物耐藥基因的表達(dá)［29］。 周瑞等［44］研究表明在綿羊日糧中添加牛至精油能促進(jìn)瘤胃發(fā)育以及瘤胃纖維素分解菌的增殖，提高消化酶的活性。此外，也有研究表明，日糧中添加牛至油可提高奶牛瘤胃微生物蛋白質(zhì)產(chǎn)量，并降低氮排泄［45-46］。 日糧中添加牛至油配合肉桂醛， 對(duì)奶牛瘤胃微生物蛋白質(zhì)產(chǎn)量的提升效果更好［47］。 王淑潔［48］在犢牛日糧中添加刺五加， 發(fā)現(xiàn)不僅可以提高瘤胃中雙歧桿菌、乳酸桿菌等微生物的數(shù)量，還可以增加小腸絨毛的長(zhǎng)度和密度。 董春曉等［49］研究表明，在湖羊日糧中添加蜜蜂肽， 瘤胃內(nèi)微生物群落的豐富度和多樣性都有顯著提升， 同時(shí)革蘭陰性菌的生長(zhǎng)受到抑制。

2 宿主動(dòng)物與瘤胃及腸道微生物的相互作用

宿主動(dòng)物消化道為微生物提供了生存的場(chǎng)所、厭氧環(huán)境以及適宜的溫度。 此外，宿主消化道上皮細(xì)胞的代謝產(chǎn)物，分泌入消化道的消化液，以及宿主的生理、 病理狀態(tài)都能直接或間接影響瘤胃及腸道微生物的多樣性及功能。

2.1 宿主品種對(duì)瘤胃及腸道微生物營(yíng)養(yǎng)代謝的作用

動(dòng)物品種對(duì)瘤胃微生物的影響要大于日糧結(jié)構(gòu)和其他因素。 劉開(kāi)朗等［50］研究發(fā)現(xiàn)，牛品種對(duì)瘤胃微生物組成的影響大于日糧結(jié)構(gòu)等其他因素，在相同的飼喂條件下，魯西肉牛和荷斯坦奶牛的瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著差異。Zhang 等［51］研究發(fā)現(xiàn)奶牛和水牛小腸中的薩特氏菌屬、 糞球菌屬和Dorea 菌屬細(xì)菌的相對(duì)數(shù)量具有顯著差異。

2.2 消化道不同位點(diǎn)對(duì)其中微生物營(yíng)養(yǎng)代謝的作用

Bergmann［16］以相似微生物多樣性為依據(jù)，將反芻動(dòng)物消化道分為3 個(gè)部分。首先是前腸，包括食管、瘤胃、網(wǎng)胃、瓣胃和皺胃；其次是中腸，包括十二指腸、空腸和回腸；最后是后腸，包括盲腸、升結(jié)腸、橫結(jié)腸、降結(jié)腸和直腸。 由于消化道不同位點(diǎn)具有不同的環(huán)境條件，如溫度、內(nèi)容物、pH 值和厭氧條件等， 導(dǎo)致其中的微生物多樣性不同。 瘤胃、網(wǎng)胃、瓣胃中主要是消化纖維素的菌種。 小腸是中和胃酸的主要器官，優(yōu)勢(shì)菌是厚壁菌門(mén)細(xì)菌，厚細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)使其能在高酸性食糜環(huán)境中生存，而其他微生物受到高酸性的抑制［16］。 后腸的作用主要是調(diào)節(jié)水鹽平衡；盲腸、結(jié)腸和直腸的微生物生物量?jī)H次于前腸， 微生物通過(guò)發(fā)酵殘留纖維素為宿主提供多種維生素。

Wang 等［52］在對(duì)小尾寒羊進(jìn)行了全消化道微生物多樣性分析后發(fā)現(xiàn)，消化道中的優(yōu)勢(shì)菌為厚壁菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和變形菌門(mén)細(xì)菌；胃中的優(yōu)勢(shì)菌為普雷沃菌、毛螺菌和丁酸弧菌；小腸中的優(yōu)勢(shì)菌為大腸埃希菌、毛螺菌和瘤胃球菌；大腸中的優(yōu)勢(shì)菌為瘤胃球菌、疣微菌和普雷沃菌。 He 等［53］發(fā)現(xiàn)駱駝消化道中存在27 個(gè)細(xì)菌門(mén)類(lèi)，優(yōu)勢(shì)菌為厚壁菌門(mén)、疣微菌門(mén)和擬桿菌門(mén)細(xì)菌，且糞便和大腸中的細(xì)菌區(qū)系沒(méi)有區(qū)別。Zhang 等［54］發(fā)現(xiàn)小尾寒羊的盲腸和直腸不僅含有較高豐度的厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)細(xì)菌， 而且微生物多樣性極為相似。Bergmann［16］研究發(fā)現(xiàn)，美洲野牛小腸中的微生物多樣性最低， 擬桿菌門(mén)細(xì)菌在小腸的相對(duì)豐度最低，而厚壁菌門(mén)和廣古菌門(mén)細(xì)菌相對(duì)豐度較高。筆者的前期研究比較了羊瘤胃與十二指腸的微生物結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)菌門(mén)均為擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)，但發(fā)現(xiàn)兩者的菌群結(jié)構(gòu)差異非常大， 甚至發(fā)生了翻轉(zhuǎn)（未發(fā)表）。

以上研究表明消化道不同位點(diǎn)由于具備不同的營(yíng)養(yǎng)條件，導(dǎo)致微生物多樣性存在差異，同時(shí)優(yōu)勢(shì)菌種和微生物功能不同，因此，要研究微生物多樣性，首先要確定目標(biāo)消化道位點(diǎn)。單個(gè)位點(diǎn)的研究?jī)r(jià)值有限， 在試驗(yàn)過(guò)程中從離體糞便中取樣是否可以代表宿主體內(nèi)的情況還值得商榷。 所以對(duì)全消化道微生物進(jìn)行研究， 從整體上對(duì)消化道微生物與宿主的相互作用進(jìn)行把握， 是未來(lái)研究的方向。在生產(chǎn)實(shí)踐中，不論調(diào)整日糧結(jié)構(gòu)還是添加益生素都要以消化道位點(diǎn)為最先考慮要素， 這樣才能目標(biāo)明確地指導(dǎo)生產(chǎn)。

2.3 宿主動(dòng)物不同生理和病理狀態(tài)對(duì)消化道微生物的影響

2.3.1 幼畜斷奶前后消化道微生物營(yíng)養(yǎng)代謝變化反芻動(dòng)物剛出生時(shí)，由于食管溝閉合，乳汁沿著食管溝直接流入皺胃和腸道。 其消化方式與單胃動(dòng)物類(lèi)似。隨著固體飼料采食量的增加，瘤胃逐漸發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)生理功能，其中，微生物區(qū)系在瘤胃中的建立是重要步驟。 Elie 等［55］研究發(fā)現(xiàn)一些促進(jìn)瘤胃發(fā)育的細(xì)菌在犢牛出生后一天就可以被檢測(cè)到?？焖俳⒘鑫肝⑸飬^(qū)系是縮短犢牛斷奶時(shí)間的措施之一。 斷奶后幼畜的瘤胃微生物區(qū)系逐漸建立，影響因素主要包括分娩過(guò)程、初乳、固體飼料及斷奶過(guò)程等［56］。 李永洙等［57］對(duì)羔羊早期哺喂代乳粉后發(fā)現(xiàn)，瘤胃微生物區(qū)系變化明顯，擬桿菌門(mén)細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)菌，普雷沃菌的相對(duì)豐度增加，這與筆者所在研究團(tuán)隊(duì)獲得的高蛋白質(zhì)飼草飼喂下羊瘤胃微生物區(qū)系的研究結(jié)果一致。Alipour 等［58］采集了剛出生和出生后一周犢牛的直腸內(nèi)容物， 對(duì)其進(jìn)行微生物多樣性分析表明， 初生犢牛直腸胎糞和黏膜的微生物多樣性較低，僅由厚壁菌門(mén)、變形菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)和擬桿菌門(mén)細(xì)菌組成；一周后直腸微生物多樣性又被大腸埃希菌、 志賀桿菌和梭狀芽孢桿菌等另外幾種細(xì)菌入侵， 之前的多樣性被打破。 Fomenky 等［59］研究表明，在犢牛斷奶前期日糧中添加釀酒酵母菌和嗜酸乳桿菌， 可提高回腸中益生菌纖維桿菌屬細(xì)菌的豐度， 并且對(duì)常見(jiàn)致病菌鏈球菌屬細(xì)菌和Tyzzerella 屬細(xì)菌具有抑制作用。

張?zhí)穑?0］研究表明，補(bǔ)飼滅菌瘤胃液可促進(jìn)犢牛生長(zhǎng)，并影響瘤胃微生物多樣性。Li 等［61］對(duì)初生犢牛口腔灌注成年牛瘤胃內(nèi)容物后， 發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物四門(mén)八屬的細(xì)菌數(shù)量顯著增加，同時(shí)，肝細(xì)胞的磷酸化水平顯著提高。Ribeiro 等［62］研究表明，對(duì)犢牛灌注成年牛瘤胃內(nèi)容物， 改變了瘤胃內(nèi)微生物多樣性并提高了蛋白質(zhì)消化和氮貯存水平。 張?zhí)穑?0］研究表明，對(duì)犢牛飼喂成年牛滅活瘤胃液，沒(méi)有明顯提高生長(zhǎng)性能， 原因可能是滅活過(guò)程中將成年牛瘤胃液中的活性成分破壞。 高蛋白質(zhì)飼草可作為開(kāi)食料保障幼畜平穩(wěn)斷奶。 楊斌等［63］研究表明， 幼齡湖羊補(bǔ)飼苜蓿對(duì)斷奶前后瘤胃微生物變化無(wú)明顯影響，但與斷奶前相比，斷奶后湖羊瘤胃纖維素分解菌數(shù)量增加， 可加快羔羊適應(yīng)高纖維飼糧的進(jìn)程。李雙［64］研究發(fā)現(xiàn)，犢牛哺乳期飼喂復(fù)合營(yíng)養(yǎng)還原奶（營(yíng)養(yǎng)成分包括維生素、氨基酸、酶制劑、益生菌等），可有效改善瘤胃發(fā)酵環(huán)境，改變瘤胃發(fā)酵模式，降低犢牛腹瀉發(fā)生率。 此外，一些添加劑還有助于幼畜消化道的發(fā)育。 陳清華等［65］研究表明，牛膝多糖能促進(jìn)幼畜腸道黏膜上皮細(xì)胞發(fā)育，降低腸絨毛隱窩深度，增加腸絨毛高度。 具有同樣功效的還有刺五加［48］。

以上研究表明幼畜由于消化道發(fā)育不完全和日糧結(jié)構(gòu)單一，消化道菌群結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，且極易被病原微生物入侵定植， 導(dǎo)致消化道疾病。 鑒于此，在幼畜出生后通過(guò)多種手段（成年牛瘤胃內(nèi)容物、益生元）迅速在其消化道內(nèi)建立穩(wěn)定的微生物區(qū)系，同時(shí)輔以高蛋白質(zhì)飼草（苜蓿），不僅有利于幼畜營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收利用， 也有利于抵抗外來(lái)病原菌的入侵，以平穩(wěn)度過(guò)斷奶期。

2.3.2 奶牛在不同生理期及患病狀態(tài)下消化道微生物的變化健康穩(wěn)定的腸道微生態(tài)對(duì)外來(lái)病原菌具有定植抗性。但在臨產(chǎn)前期，懷孕母牛對(duì)非傷寒沙門(mén)菌的易感性大大增加。 這是由于動(dòng)物在特定的生理或病理狀態(tài)下， 穩(wěn)定的腸道微生態(tài)會(huì)被打破， 減弱了定植抗性， 從而有利于病原菌的定植。 Munoz-vargas 等［66］研究了臨產(chǎn)前懷孕母牛糞便沙門(mén)菌和腸道微生物區(qū)系的關(guān)系， 對(duì)臨產(chǎn)前3周、1 周， 產(chǎn)后1 周、3 周來(lái)自不同牧場(chǎng)的98 份牛糞便樣本進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樣本中的優(yōu)勢(shì)微生物為擬桿菌門(mén)細(xì)菌、厚壁菌門(mén)細(xì)菌、螺旋原蟲(chóng)和變形菌門(mén)細(xì)菌， 優(yōu)勢(shì)微生物在產(chǎn)前和產(chǎn)后有顯著的變化； 但沙門(mén)菌的定植與糞便微生物區(qū)系沒(méi)有緊密的聯(lián)系。奶牛在泌乳期對(duì)蛋白質(zhì)的需求加大，日糧中高蛋白質(zhì)飼草比例提高， 帶來(lái)的結(jié)果是瘤胃中分解蛋白質(zhì)能力強(qiáng)的細(xì)菌成為泌乳期的優(yōu)勢(shì)菌種。Sun 等［67］對(duì)334 頭泌乳期荷斯坦奶牛瘤胃細(xì)菌多樣性進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)擬桿菌門(mén)細(xì)菌和普雷沃菌作為優(yōu)勢(shì)菌相對(duì)豐度最大， 占細(xì)菌豐度總量的60.65%。 同樣，Delgado 等［68］發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)奶牛瘤胃中含有高豐度的擬桿菌門(mén)細(xì)菌和普雷沃菌， 以及低豐度的厚壁菌門(mén)細(xì)菌和甲烷桿菌。 以上研究結(jié)果表明， 高蛋白質(zhì)飼草會(huì)促使分解蛋白質(zhì)能力強(qiáng)的普雷沃菌成為優(yōu)勢(shì)菌種。在生產(chǎn)實(shí)踐中，可將分解蛋白質(zhì)能力較強(qiáng)的菌種作為飼料添加劑， 理論上可有效提高瘤胃對(duì)高蛋白質(zhì)飼草的消化率。

動(dòng)物在患病狀態(tài)下腸道微生態(tài)狀況也與正常狀態(tài)不同。趙潔等［69］研究表明，患乳房炎奶牛糞便中的乳桿菌和纖毛蟲(chóng)多樣性明顯較低， 說(shuō)明非健康狀態(tài)的奶牛腸道微生態(tài)發(fā)生了改變。 放牧家畜在草原上易采食有毒牧草，如小花棘豆。 王帥等［7］研究發(fā)現(xiàn)， 對(duì)和田羊飼喂小花棘豆可顯著降低瘤胃液總細(xì)菌數(shù)量以及纖毛蟲(chóng)、 內(nèi)毛蟲(chóng)和雙毛蟲(chóng)數(shù)量。定期對(duì)牧場(chǎng)牧草種類(lèi)多樣性進(jìn)行調(diào)查，對(duì)有毒有害牧草進(jìn)行早期預(yù)警和除草干預(yù)是減少放牧家畜中毒的有效措施。

高精日糧由于含有高能量可促使瘤胃丁酸菌大量增殖，以致產(chǎn)生大量丁酸，降低瘤胃液pH 值，使家畜發(fā)生酸中毒癥［70］。 為了降低由高精日糧引起的酸中毒發(fā)生率， 優(yōu)選日糧精粗比以及使用新型飼料添加劑一直以來(lái)是反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究的熱點(diǎn)。 Li 等［61］對(duì)發(fā)生瘤胃酸中毒的犢牛進(jìn)行瘤胃上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組和瘤胃微生物宏轉(zhuǎn)錄組研究， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，患牛與對(duì)照組相比除了增重速度減慢，瘤胃中革蘭陰性菌豐度也增加， 且瘤胃上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組有672 個(gè)基因呈現(xiàn)顯著的差異性表達(dá)， 導(dǎo)致細(xì)胞信號(hào)和形態(tài)學(xué)發(fā)生變化，進(jìn)而引起病變。研究人員采用多種方法降低瘤胃酸中毒給家畜帶來(lái)的不利影響。高雨飛［70］研究表明在牛日糧中添加煙酸，可促進(jìn)瘤胃中原蟲(chóng)生長(zhǎng)，避免淀粉發(fā)酵，抑制產(chǎn)丁酸細(xì)菌生長(zhǎng)，從而有效降低瘤胃液pH 值。 孫劼［71］研究表明添加β-谷甾醇可以調(diào)節(jié)湖羊瘤胃菌群結(jié)構(gòu)，提高代謝乳酸的細(xì)菌相對(duì)豐度，從而緩解酸中毒癥狀。 Golder 等［72］研究發(fā)現(xiàn)瘤胃酸中毒患牛的基因組、微生物組和生理變化存在緊密的聯(lián)系，進(jìn)一步研究可為選育酸中毒耐受型奶牛提供理論支撐。 硫胺素（VB1）以硫胺素焦磷酸輔酶的形式，參與α-酮酸的氧化脫羧反應(yīng)，如果缺乏該維生素會(huì)積累大量中間代謝產(chǎn)物乳酸，從而誘導(dǎo)酸中毒。郝志敏等［73］在體外培養(yǎng)荷斯坦牛瘤胃液中添加硫胺素后發(fā)現(xiàn)，可提高培養(yǎng)液的pH 值，降低酸中毒發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)并提高細(xì)菌蛋白質(zhì)產(chǎn)量。

健康宿主動(dòng)物的消化道是一個(gè)穩(wěn)定的、 微生物種類(lèi)多樣的微生態(tài)環(huán)境， 當(dāng)宿主處于某種生理或病理狀態(tài)時(shí)， 微生態(tài)穩(wěn)態(tài)也被打破并處于變化中。動(dòng)物生長(zhǎng)過(guò)程受疾病、應(yīng)激和發(fā)情等多因素影響，目前關(guān)于反芻動(dòng)物生理、病理狀態(tài)對(duì)消化道微生物影響機(jī)制的研究還很有限， 未來(lái)還需進(jìn)一步研究。

2.3.3 反芻家畜消化道微生物代謝功能的研究消化道微生物的代謝產(chǎn)物是研究微生物功能的關(guān)鍵，盡管受到厭氧試驗(yàn)條件難以獲得，以及大多數(shù)微生物不可培養(yǎng)等因素的限制， 近年來(lái)該方面的研究還是取得了進(jìn)展。在傳統(tǒng)細(xì)菌培養(yǎng)方法上，傅帥等［74］應(yīng)用缺陷培養(yǎng)基成功分離到1 株高效分泌賴(lài)氨酸的陰溝腸桿菌。 目前微生物厭氧培養(yǎng)技術(shù)和多組學(xué)技術(shù)已經(jīng)被直接應(yīng)用于反芻家畜消化道微生物區(qū)系的多樣性、結(jié)構(gòu)和功能方面的研究［75］。但翻譯產(chǎn)物并不與基因表達(dá)直接對(duì)應(yīng)， 基因的功能還需要考慮翻譯后修飾的影響， 并需要在蛋白質(zhì)水平上進(jìn)行驗(yàn)證［76］。Prajapati 等［77］研究發(fā)現(xiàn)高粗纖維日糧條件下，牛瘤胃微生物中與分解芳香族化合物相關(guān)的基因表達(dá)水平更高， 且擬桿菌門(mén)細(xì)菌在所有組中是優(yōu)勢(shì)菌。 Shen 等［78］研究發(fā)現(xiàn)精飼料會(huì)引起山羊瘤胃微生物數(shù)量激增， 并促進(jìn)瘤胃上皮細(xì)胞8 個(gè)抗細(xì)胞因子基因的表達(dá)。研究表明，腸道微生物對(duì)藥物成分具有代謝作用， 某些中藥有效成分是在腸道微生物的作用下生成的。 姜洪帥等［79］研究發(fā)現(xiàn)牛蒡苷在經(jīng)過(guò)腸道微生物代謝作用后，有效成分變?yōu)榕］蜍赵兔摷谆a(chǎn)物，起關(guān)鍵作用的是組成酶和誘導(dǎo)酶。Hart 等［76］研究表明，奶牛瘤胃中豐度最大的細(xì)菌門(mén)為擬桿菌門(mén)、 厚壁菌門(mén)和變形菌門(mén)， 宏蛋白質(zhì)組研究結(jié)果與瘤胃中優(yōu)勢(shì)微生物生態(tài)位一致，此外，豐度最大的幾種微生物之間的代謝通路有顯著不同。Zhang 等［51］研究發(fā)現(xiàn)，水牛消化道微生物的氨基酸、脂多糖和維生素合成都比奶?；钴S， 奶牛的丙酮酸鹽代謝和碳固定反應(yīng)則表現(xiàn)更好； 牛奶中的蛋白質(zhì)含量與微生物中氨基酸合成呈正相關(guān)關(guān)系。 白色瘤胃球菌是瘤胃中具有分解半纖維素和纖維素能力的細(xì)菌， 其功能的發(fā)揮主要依賴(lài)由內(nèi)切型纖維素水解酶、外切型纖維素水解酶和β-葡萄糖苷酶組成的酶系。 Iakiviak 等［80］對(duì)白色瘤胃球菌-8 株進(jìn)行基因組分析， 發(fā)現(xiàn)17 個(gè)分解纖維素基因的突變體；將這些基因進(jìn)行原核表達(dá)后， 表達(dá)產(chǎn)物中7 個(gè)為內(nèi)切型纖維素酶，釋放出纖維二糖和纖維三糖；除了2 種內(nèi)切型纖維素酶， 其余的表達(dá)產(chǎn)物都與微晶纖維素綁定， 證實(shí)了功能性碳水化合物結(jié)合模塊的存在。

綜上， 消化道微生物的多樣性和功能與家畜生產(chǎn)性能、飼料消化率、日采食量和疾病治療等具有對(duì)應(yīng)關(guān)系， 可通過(guò)調(diào)整消化道微生物對(duì)家畜生產(chǎn)進(jìn)行有限指導(dǎo)。 今后需要進(jìn)一步了解消化道微生物與宿主的作用機(jī)制， 找到更有指向性和可操作性的指標(biāo)， 達(dá)到通過(guò)調(diào)整微生物多樣性和功能指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。

3 溫室氣體甲烷排放與瘤胃微生物代謝關(guān)系

瘤胃產(chǎn)甲烷菌能將H2、CO2、甲酸等化合物轉(zhuǎn)化成甲烷。甲烷不可被動(dòng)物利用，以噯氣的方式排到體外，進(jìn)入大氣環(huán)境。反芻動(dòng)物產(chǎn)生的甲烷是大氣甲烷的一個(gè)重要來(lái)源。 產(chǎn)甲烷菌生成甲烷需要消耗飼料，浪費(fèi)代謝能量，因此，科學(xué)降低甲烷產(chǎn)量是反芻家畜養(yǎng)殖節(jié)本增效的重要途徑。 硝酸鹽可作為瘤胃中的氫結(jié)合物降低用于甲烷合成的氫離子水平。 劉太峰［81］研究表明利用硝酸鈣包被豆粕不僅降低了山羊瘤胃甲烷產(chǎn)量， 而且對(duì)腸道微生物蛋白質(zhì)合成沒(méi)有影響。 產(chǎn)甲烷菌伴隨家畜的一生。Wang 等［82］研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌在黑山羊出生后1 d 就定植在瘤胃液態(tài)內(nèi)容物和瘤胃上皮細(xì)胞， 隨著宿主年齡的增加產(chǎn)甲烷菌菌群結(jié)構(gòu)和豐度呈動(dòng)態(tài)變化。 Shabat 等［83］研究發(fā)現(xiàn)富集特殊細(xì)菌能夠強(qiáng)化動(dòng)物能量和碳的代謝通路， 減少甲烷的排放。Xiang 等［84］通過(guò)研究奶牛瘤胃上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)， 日糧干物質(zhì)含量增加可引起與細(xì)胞周期和代謝相關(guān)的基因表達(dá)活躍， 導(dǎo)致瘤胃短鏈脂肪酸和甲烷的代謝顯著增加。 陳宇［85］在湖羊瘤胃液中添加木聚糖酶和纖維素酶， 發(fā)現(xiàn)可降低產(chǎn)甲烷菌濃度。

4 多組學(xué)加速消化道微生物營(yíng)養(yǎng)代謝研究進(jìn)程

得益于第二代、 第三代測(cè)序技術(shù)的成熟和推廣，基于宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)分析， 在分子水平上闡釋腸道微生物營(yíng)養(yǎng)代謝機(jī)理， 可為科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)提供強(qiáng)大的理論支撐。

4.1 完善消化道微生物基因注釋?zhuān)钊胪诰蛳牢⑸餄摿?/h3>

有研究表明人體腸道細(xì)菌菌群約有300 萬(wàn)個(gè)基因，是人體基因數(shù)量約150 倍［86］。這些基因信息的深入挖掘， 對(duì)詮釋消化道微生物與宿主健康關(guān)系，研究消化道微生物在疾病中發(fā)揮的作用，及時(shí)監(jiān)控、預(yù)防、干預(yù)消化道微生物，進(jìn)而開(kāi)發(fā)新藥和新菌劑具有重要意義。

利用多種基因文庫(kù)構(gòu)建方法， 從中篩選出功能基因一直是研究人員努力的目標(biāo)。 核酸分子雜交技術(shù)、變性梯度凝膠電泳（denatured gradient gel electrophoresis，DGGE）、 溫度梯度凝膠電泳（temperature gradient gel electrophoresis，TGGE）、 定量PCR 技術(shù)是早期研究瘤胃微生物的方法［87］。 獲取高質(zhì)量瘤胃樣本DNA 是建立基因文庫(kù)的保障［88］。以Fosmid 或Cosmid 等載體構(gòu)建宏基因組文庫(kù)是在第二代測(cè)序技術(shù)普及之前研究瘤胃微生物多樣性和功能的主要方法。 研究人員應(yīng)用Fosmid 文庫(kù)從牛瘤胃微生物中篩選出纖維素酶基因和木聚糖酶基因［89-94］。 此外，還有以細(xì)菌人工染色體作為載體構(gòu)建瘤胃宏基因組文庫(kù)的報(bào)道［95］。 環(huán)境基因組標(biāo)簽技術(shù)（environmental genomic tags，EGTs）不需要對(duì)宏基因組進(jìn)行組裝， 僅取基因組小片段進(jìn)行BLAST 比對(duì)即可。 周熊艷等［96］利用EGTs 技術(shù)分析了云南大額牛瘤胃微生物多樣性，結(jié)果表明，云南大額牛瘤胃微生物主要屬于10 個(gè)門(mén)，擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)細(xì)菌豐度最高， 主要的纖維素降解菌為黃化瘤胃球菌、溶纖維丁酸弧菌、白色瘤胃球菌和產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， 第二代測(cè)序技術(shù)已經(jīng)顯著提高了宏基因組、16S rRNA 擴(kuò)增子和宏轉(zhuǎn)錄組等多組學(xué)分析的研究效率。 筆者綜述的絕大多數(shù)研究成果是基于第二代測(cè)序技術(shù)得到的。對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)的分析基于對(duì)基因功能的注釋?zhuān)虼耍?注釋基因庫(kù)的構(gòu)建與完善是利用多組學(xué)研究消化道微生物多樣性和功能的基石。

來(lái)自新西蘭和美國(guó)多個(gè)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家公布了迄今為止最大規(guī)模的靶向培養(yǎng)和測(cè)序項(xiàng)目之一Hungate1000 研究項(xiàng)目的最新成果。 目前這一項(xiàng)目總共包含501 個(gè)基因組，最新研究報(bào)道了410 個(gè)瘤胃微生物基因組序列，另外91 個(gè)基因組序列來(lái)自其他已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的研究［97］。其他國(guó)家的研究人員也開(kāi)展了研究。 Kang 等［98］從牛瘤胃中分離到1 株Sporanaerobacter acetigenes （F-12 株）并繪制了其基因組草圖， 該菌株基因組包括2 866 191 bp 堿基和2 889 個(gè)編碼序列。 此外，他們還對(duì)1 株從奶牛瘤胃中分離到的Oribacterium sp.（C9 株）細(xì)菌進(jìn)行基因組分析和注釋?zhuān)?得到含有3 720 024 bp 堿基的基因組草圖和3 130 個(gè)編碼序列［99］。

宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)在研究動(dòng)物消化道微生物代謝和開(kāi)發(fā)微生物資源上展示出強(qiáng)勁的優(yōu)勢(shì)。 但由于現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)微生物基因功能注釋不足，延緩了研究的進(jìn)度，是該領(lǐng)域進(jìn)一步深入研究的瓶頸，也是今后研究的重要方向。

4.2 應(yīng)用多組學(xué)篩選功能基因，獲得有效微生態(tài)制劑

邵明旭［100］對(duì)小尾寒羊空腸、盲腸和直腸內(nèi)容物進(jìn)行了微生物多樣性分析，進(jìn)而從生長(zhǎng)性能、耐酸、耐膽鹽和抑制有害菌生長(zhǎng)方面進(jìn)行篩選，分離獲得干酪乳桿菌、 植物乳桿菌和枯草芽孢桿菌3株具有應(yīng)用潛力的益生菌。 楊輝［101］以芒草馴養(yǎng)牛瘤胃微生物， 改變了牛瘤胃微生物組成及纖維素酶的豐度， 并篩選出一個(gè)與降解芒草特性相關(guān)的纖維素酶基因。 吳瓊等［102］應(yīng)用宏基因組學(xué)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)西門(mén)塔爾牛瘤胃內(nèi)富含大量木質(zhì)素和纖維素降解酶基因。

4.3 厘清影響動(dòng)物產(chǎn)品品質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)代謝通路，篩選功能性添加劑

膽堿在調(diào)控單胃動(dòng)物肌內(nèi)脂肪沉積方面起到重要作用。 瘤胃中的原蟲(chóng)是反芻動(dòng)物重要的過(guò)瘤胃膽堿源，但影響肌內(nèi)脂肪沉積的因素眾多，瘤胃微生物對(duì)膽堿的作用相對(duì)有限。 李華偉［103］研究了膽堿對(duì)脂肪代謝和肌內(nèi)脂肪形成的影響， 發(fā)現(xiàn)過(guò)瘤胃膽堿具有降低肉羊內(nèi)臟脂肪沉積、 增加皮下脂肪厚度的作用， 不同育肥階段的肌內(nèi)脂肪沉積效果不同。 此外，Tang 等［104］研究了牛日糧中棉酚旋光異構(gòu)體被瘤胃微生物代謝進(jìn)入牛血清后的變化， 發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物對(duì)棉酚旋光異構(gòu)體沒(méi)有選擇性降解。

5 小結(jié)與展望

筆者以反芻動(dòng)物瘤胃和腸道微生物為對(duì)象，探討了與其多樣性和營(yíng)養(yǎng)代謝存在直接或間接聯(lián)系的微生物、日糧、添加劑、宿主、自然環(huán)境等因素的相互作用。 以上各種因子構(gòu)成了以反芻動(dòng)物為主體，以消化道微生物為重要組成部分，以日糧、飼料添加劑、 自然因素等因子為補(bǔ)充的微型生態(tài)系統(tǒng)。該生態(tài)系統(tǒng)的平穩(wěn)、高效運(yùn)轉(zhuǎn)是保證家畜健康、獲得優(yōu)質(zhì)動(dòng)物產(chǎn)品、減少溫室氣體排放和降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)。

首先， 對(duì)反芻動(dòng)物消化道微生物具有決定作用的是動(dòng)物種類(lèi)， 不同種動(dòng)物的消化道微生物有本質(zhì)不同。 其次，具有關(guān)鍵作用的是日糧組成，這是人為調(diào)控動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)水平的有效手段。 日糧可直接影響消化道微生物的多樣性和代謝， 補(bǔ)充飼料添加劑是人為干預(yù)消化道微生物營(yíng)養(yǎng)代謝的重要手段。 此外，宿主動(dòng)物的生理、病理狀態(tài)都可影響消化道內(nèi)環(huán)境， 是人為調(diào)整消化道微生物必須考慮的因素。因此，消化道微生物與其所在微生態(tài)系統(tǒng)中其他因子的作用及機(jī)制， 是人為干預(yù)反芻家畜營(yíng)養(yǎng)代謝的理論基礎(chǔ)，也是未來(lái)研究的方向。