沈義媛，童津津，熊本海，蔣林樹＊

1 北京農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院；奶牛營(yíng)養(yǎng)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206

2 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193

0 引言

瘤胃是反芻動(dòng)物重要的生物反應(yīng)容器，在其中包含了大量的微生物，包括細(xì)菌、古菌、真菌和原生動(dòng)物等[1]。在成年反芻動(dòng)物中，瘤胃是飼料降解和營(yíng)養(yǎng)吸收的主要場(chǎng)所。盡管新生犢牛的瘤胃體積、吸收能力和物質(zhì)代謝方面并不發(fā)達(dá)[2]，但是有研究表明，在幼齡反芻動(dòng)物的瘤胃中，微生物的組成及結(jié)構(gòu)對(duì)成年后奶牛的瘤胃發(fā)育和生理功能有著重要的影響[3]。此外，奶牛的飼料效率很大程度上受微生物從飼料中提取能量的能力，以及產(chǎn)生微生物蛋白質(zhì)作為宿主蛋白質(zhì)來(lái)源的能力的影響[4]。因此，對(duì)瘤胃微生物的定性定量分析對(duì)于奶牛健康的維持和改善其生產(chǎn)性能有著重要的意義。

1 瘤胃微生物的影響因素

1.1 熱應(yīng)激

熱應(yīng)激是降低奶牛飼料利用率，影響奶牛生產(chǎn)性能的重要因素之一。據(jù)研究，荷斯坦牛產(chǎn)熱能力強(qiáng)但散熱能力有限[5]，特別是在高溫高濕的環(huán)境中，極易產(chǎn)生熱應(yīng)激。研究表明，熱應(yīng)激發(fā)生時(shí)，奶牛瘤胃上皮細(xì)胞間的緊密連接結(jié)構(gòu)被破壞。此時(shí)，瘤胃黏膜屏障功能受損、通透性增加[6]，奶牛瘤胃內(nèi)微生物的組成和代謝物發(fā)生顯著變化。Kim等[7]的研究表明，在正常情況下，荷斯坦牛瘤胃中唯一的優(yōu)勢(shì)菌群是瘤胃球菌科細(xì)菌，但在熱應(yīng)激條件下，纖維桿菌在瘤胃中顯著富集。相對(duì)應(yīng)的，澤西奶牛瘤胃中原本的優(yōu)勢(shì)菌群為放線菌門、紅蝽菌綱等，然而在熱應(yīng)激條件下，優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生改變，梭桿菌門、軟壁菌門、藍(lán)細(xì)菌等成為優(yōu)勢(shì)菌群。雖然這兩種奶牛在相同飲食條件下瘤胃微生物組成不同，但在熱應(yīng)激發(fā)生時(shí)瘤胃微生物結(jié)構(gòu)都發(fā)生了很大的變化。Zhao等[8]對(duì)18 頭荷斯坦牛進(jìn)行瘤胃內(nèi)容物的基因測(cè)序分析，結(jié)果表明，在發(fā)生熱應(yīng)激奶牛的瘤胃中，鏈球菌、瘤胃桿菌、密螺旋體、未分類的擬桿菌科等細(xì)菌的相對(duì)豐度顯著提高，其中，作為瘤胃中產(chǎn)乳酸的主要菌屬——鏈球菌數(shù)量的增加使得瘤胃中乳酸水平升高，pH值降低，進(jìn)而抑制對(duì)pH敏感的瘤胃細(xì)菌，如纖維素分解菌的生長(zhǎng)。據(jù)報(bào)道，在熱應(yīng)激條件下，奶牛的采食量降低，此時(shí)瘤胃乳頭寬度、周長(zhǎng)和表面積均減小[9]，因此，瘤胃微生物在熱應(yīng)激條件下的改變，可能與瘤胃組織形態(tài)的變化具有一定相關(guān)性。此外，熱應(yīng)激還可能通過(guò)提高瘤胃溫度、降低瘤胃液pH和滲透壓來(lái)改變瘤胃內(nèi)菌群的結(jié)構(gòu)和數(shù)量[10]?？偠灾?，熱應(yīng)激可通過(guò)降低奶牛采食量、改變瘤胃內(nèi)環(huán)境和組織結(jié)構(gòu)等途徑影響瘤胃內(nèi)微生物的組成，繼而調(diào)控奶牛的生產(chǎn)性能。

1.2 飼養(yǎng)管理

科學(xué)合理的養(yǎng)殖方式不僅能夠?yàn)槟膛?chuàng)造舒適的環(huán)境，還能夠維持奶牛瘤胃內(nèi)微生物的穩(wěn)態(tài)，降低疾病發(fā)生率，提高奶牛的生產(chǎn)性能。為有效緩解奶牛在夏季多發(fā)的熱應(yīng)激，在實(shí)際生產(chǎn)中，牛場(chǎng)可通過(guò)安裝遮陽(yáng)設(shè)施，并在牛舍內(nèi)設(shè)置風(fēng)扇和噴淋裝置達(dá)到及時(shí)降溫的效果[11]。此外，合理的飼料搭配對(duì)于維持瘤胃微生物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)也非常重要。Vaidyaj等[12]的研究表明，與飼喂牧草青貯相比，飼喂玉米青貯可顯著降低奶牛瘤胃產(chǎn)甲烷菌的活性，增加瘤胃中普雷沃氏菌屬、反芻球菌科和琥珀酸弧菌科等細(xì)菌的豐度，并有利于丙酸的產(chǎn)生，為奶牛泌乳提供更多的能量。此外，真細(xì)菌屬豐度的增加可提高氨基酸的合成效率，繼而提高乳蛋白質(zhì)含量，該研究充分證明了玉米青貯在改善瘤胃微生物結(jié)構(gòu)，提高奶牛泌乳性能上的巨大優(yōu)勢(shì)。徐曉峰[13]等測(cè)定了在不同精粗比飼糧條件下，泌乳奶牛瘤胃內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果表明，低精料組的菌群多樣性和豐富度顯著高于高精料組。其中，厚壁菌門、丁酸弧菌屬、纖維桿菌屬、瘤胃球菌屬等與纖維降解有關(guān)的菌群在低精料組中顯著高于高精料組；反之，密螺旋菌屬等產(chǎn)酸菌在高精料組中豐度較高，證明不同精粗料比對(duì)瘤胃微生物的結(jié)構(gòu)起著重要的作用。因此，奶牛的管理策略和日糧營(yíng)養(yǎng)組成對(duì)瘤胃微生物的組成具有決定性的作用，為從瘤胃微生物的角度調(diào)節(jié)動(dòng)物健康提供了思路。

1.3 飼料添加劑

近年來(lái)，使用飼料添加劑調(diào)節(jié)反芻動(dòng)物瘤胃微生物組成，維持瘤胃健康，越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。特別是各類植物提取物及微生態(tài)制劑在實(shí)際生產(chǎn)中最為流行。據(jù)報(bào)道，汪悅等[14]向4 頭瘺管荷斯坦牛投喂不同劑量的皂甙，并采集瘤胃液進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，皂甙的添加量越多，原蟲的抑制效果越明顯，此外，瘤胃中的產(chǎn)甲烷菌，如甲酸甲烷桿菌、史氏甲烷桿菌數(shù)量顯著降低，為調(diào)節(jié)奶牛甲烷排放量，提高生產(chǎn)性能提供了依據(jù)。Kasparovska等[15]將12 頭泌乳奶牛分為兩組，在試驗(yàn)組的基礎(chǔ)飼糧中補(bǔ)充了12.5 g含40%有效成分的異黃酮提取物，14 天后對(duì)瘤胃微生物組進(jìn)行16 s rRNA測(cè)序。結(jié)果顯示，異黃酮與未分類的β-蛋白桿菌和伯克霍爾德氏菌呈正相關(guān)，反之，與瘤胃球菌科、韋榮球菌科呈負(fù)相關(guān)，瘤胃中揮發(fā)性脂肪酸（VFA）和瘤胃球蛋白增加，證明異黃酮提取物可以通過(guò)影響瘤胃微生物的菌群結(jié)構(gòu)而顯著提高奶牛飼料利用率。此外，益生菌作為一種微生態(tài)制劑，在改善胃腸道菌群，提高奶牛免疫力和營(yíng)養(yǎng)消化率等方面具有巨大的潛力[16]。據(jù)報(bào)道，F(xiàn)omenky等[17]在犢牛飲食中添加兩種直接飼喂微生物（DFM）——釀酒酵母和嗜酸乳桿菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種益生菌均顯著減少了瘤胃中潛在的病原細(xì)菌鏈球菌屬的數(shù)量，并增加了纖維桿菌等有益細(xì)菌的數(shù)量。因此，飼料添加劑在預(yù)防奶牛疾病、減少甲烷排放量、增加產(chǎn)奶量、提高生產(chǎn)性能等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 多組學(xué)分析技術(shù)在奶牛瘤胃微生物中的研究進(jìn)展

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，組學(xué)技術(shù)作為一種功能強(qiáng)大的定量定性分析技術(shù)，在奶牛生產(chǎn)、營(yíng)養(yǎng)及疾病等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，常見的組學(xué)技術(shù)包括宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等[18]，各組學(xué)技術(shù)因其靈敏性、準(zhǔn)確性及系統(tǒng)性等優(yōu)點(diǎn)，在瘤胃微生物組成結(jié)構(gòu)及其功能的分析中表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。此外，組學(xué)技術(shù)可通過(guò)分析奶牛瘤胃微生物組成結(jié)構(gòu)和功能、微生物代謝產(chǎn)物和代謝途徑，以及微生物對(duì)宿主飼料利用率的影響，精準(zhǔn)調(diào)控奶牛的飲食結(jié)構(gòu)，為降低甲烷排放量、提高奶牛的生產(chǎn)性能提供了科學(xué)的依據(jù)。

2.1 16s/宏基因組

16s rRNA高通量測(cè)序技術(shù)主要是對(duì)微生物基因組rRNA上的保守序列測(cè)序并進(jìn)行物種鑒定，隨著生物技術(shù)的不斷完善，16s rRNA基因檢測(cè)技術(shù)已成為檢測(cè)和鑒定瘤胃微生物的一種強(qiáng)有力工具[19]。Jami等[3]采集4 個(gè)不同年齡段荷斯坦牛的瘤胃DNA樣品，并對(duì)16s rRNA基因進(jìn)行擴(kuò)增測(cè)序，證明了在不同年齡段，厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門都是瘤胃中的優(yōu)勢(shì)菌種，但相對(duì)豐度及菌屬存在顯著差異。Tong等[20]將16 頭胎次相近的荷斯坦牛，平均分為高產(chǎn)組和低產(chǎn)組，對(duì)奶牛瘤胃微生物進(jìn)行16s rRNA高通量測(cè)序分析，結(jié)果表明，在相同日糧條件下，高產(chǎn)奶牛的產(chǎn)奶量高于低產(chǎn)奶牛，主要?dú)w因于高產(chǎn)奶牛中擬桿菌屬、瘤胃球菌屬、毛螺菌科、真細(xì)菌和紡錘狀細(xì)菌屬的含量較高。Zhong等[21]對(duì)四組不同水平體細(xì)胞數(shù)（SCC）的荷斯坦牛的瘤胃樣品進(jìn)行16s rRNA高通量測(cè)序分析，結(jié)果表明高SCC奶牛的瘤胃內(nèi)微生物α多樣性指數(shù)的Shannon指數(shù)顯著較高，而Simpson指數(shù)顯著較低。在門水平上，SR1和放線桿菌在4 個(gè)組中存在顯著差異；在屬水平上，梭菌目、S24-7和RF16中3 個(gè)未分類的屬在4 個(gè)組奶牛中存在顯著差異。因此，16s rRNA高通量測(cè)序技術(shù)可全面解析奶牛的瘤胃微生物區(qū)系變化，為進(jìn)一步探究瘤胃微生物和宿主之間的相互關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

宏基因組主要以微生物全部基因組為研究對(duì)象，與16s rRNA高通量測(cè)序技術(shù)相比，具有更高的覆蓋率，可以更加準(zhǔn)確地反映瘤胃微生物組的結(jié)構(gòu)和核心功能[22]，極大程度地提高了物種鑒定的精確度和測(cè)序數(shù)據(jù)的總量[23]。Delgado等[24]采集了80 頭荷斯坦牛的瘤胃液，經(jīng)宏基因組測(cè)序后發(fā)現(xiàn)，飼料效率最高的奶牛瘤胃中丁酸弧菌和普氏桿菌的相對(duì)豐度較高，而厚壁菌門豐度較低；此外，甲烷桿菌和甲烷短桿菌的豐度較低，這說(shuō)明了高產(chǎn)奶牛能更加有效地利用飼料中的蛋白質(zhì)和碳水化合物，降低甲烷排放量，提高產(chǎn)奶量。吳建民等[25]人選用乳蛋白含量長(zhǎng)期較高與較低的荷斯坦牛各3 頭，采集瘤胃內(nèi)容物并通過(guò)宏基因組學(xué)測(cè)定瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擬桿菌門、普雷沃氏菌屬等菌群的相對(duì)豐度在兩組奶牛之間呈現(xiàn)出顯著差異，并且首次發(fā)現(xiàn)三角酵母屬可能對(duì)調(diào)節(jié)乳蛋白含量具有一定作用。此外，高乳蛋白含量組奶牛表達(dá)半胱氨酸與蛋氨酸代謝和其他氨基酸代謝功能基因的相對(duì)豐度顯著高于低乳蛋白含量組奶牛，為進(jìn)一步解析奶牛乳蛋白合成機(jī)制提供了新的見解。值的注意的是，Shinkai等[26]在瘺管奶牛的瘤胃微生物宏基因組中，發(fā)現(xiàn)了大量纖維素酶編碼基因家族，其中糖苷水解酶9、11、30、43，碳水化合物酯酶8和碳水化合物結(jié)合模塊6是特征性編碼基因家族，這為進(jìn)一步解析瘤胃發(fā)酵機(jī)理提供了新思路。因此，宏基因組測(cè)序技術(shù)不僅可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)比較不同飲食及生理狀況下奶牛瘤胃微生物的差異性，還可以檢測(cè)到微生物的功能性基因。此外，目前已有研究將瘤胃中關(guān)鍵的纖維降解酶應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[27]，這對(duì)于瘤胃微生物進(jìn)一步的開發(fā)和利用具有重要的意義。

2.2 代謝組學(xué)

代謝組學(xué)是利用核磁共振、液相色譜/質(zhì)譜（LC/MS）、氣相色譜-飛行時(shí)間/質(zhì)譜（GCTOFMS）等高通量技術(shù)對(duì)生物樣品中的內(nèi)源性代謝物進(jìn)行定量分析的一種評(píng)價(jià)方法[28]，運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)可以清晰直觀地檢測(cè)到機(jī)體代謝通路和代謝物的變化。Zhang等[29]人采集了荷斯坦牛（高產(chǎn)組和低產(chǎn)組）瘤胃液樣品，通過(guò)液相色譜/質(zhì)譜（LC/MS）代謝組學(xué)方法分析，在高低產(chǎn)兩組奶牛的瘤胃液中共鑒定出54 種差異顯著的代謝產(chǎn)物，富集到13 條主要代謝途徑。其中，蛋白質(zhì)的消化吸收、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和不飽和脂肪酸的生物合成是3 條差異最為顯著的代謝途徑。此外，幾種代謝產(chǎn)物與特定的瘤胃菌群有很大的相關(guān)性，例如厚壁菌門與脂肪?；曙@著負(fù)相關(guān)；擬桿菌門與D-木糖呈顯著負(fù)相關(guān)等，這些標(biāo)志性代謝物與瘤胃微生物菌群組成及其結(jié)構(gòu)存在指示作用，而對(duì)于這些潛在生物標(biāo)志物進(jìn)行進(jìn)一步研究，必將為解析高低產(chǎn)奶牛泌乳機(jī)制的研究提供新見解。同樣的，Mu等[30]使用液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）代謝組學(xué)測(cè)定了高低產(chǎn)奶牛的瘤胃微生物，結(jié)果共鑒定出92 種差異微生物代謝物。其中，高產(chǎn)奶牛瘤胃液代謝物豐度的增加與不飽和脂肪酸的生物合成、類固醇的生物合成、泛醌和其他萜類-醌的生物合成等代謝途徑有關(guān)，證明高產(chǎn)奶牛在機(jī)體供能效率上優(yōu)于低產(chǎn)奶牛。Shabat[31]等通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜法，測(cè)定了不同剩余采食量（RFI）奶牛的瘤胃液，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，丙酸、丁酸、戊酸和異戊酸的濃度在高效奶牛的瘤胃中較高，特別是丙酸和丁酸在生成過(guò)程中可能與甲烷競(jìng)爭(zhēng)氫氣，降低了高效奶牛的甲烷排放量。值得注意的是，京都基因與基因組百科全書（KEGG）途徑富集分析結(jié)果表明，富含在低效奶牛微生物群中的差異代謝物主要是蛋白質(zhì)消化和吸收、氨基酸生物合成和甲烷代謝類酶，這進(jìn)一步解釋了低效奶牛的瘤胃發(fā)酵特征及其調(diào)控機(jī)制。綜上所述，代謝組學(xué)不僅可直觀揭示奶牛的微生物代謝物及其代謝途徑的差異，還為進(jìn)一步改善奶牛飲食，調(diào)控代謝途徑，提高奶牛生產(chǎn)性能提供了參考。

2.3 多組學(xué)聯(lián)合

如今，多組學(xué)聯(lián)合分析技術(shù)解析瘤胃微生物的菌群結(jié)構(gòu)及功能越來(lái)越全面且深入。Malmuthuge等[32]聯(lián)合瘤胃宏基因組和宿主轉(zhuǎn)錄組分析方法，探究了新生犢牛瘤胃微生物組成及其對(duì)早期瘤胃發(fā)育的影響。結(jié)果表明普雷沃氏菌、鏈球菌屬、梭狀芽胞桿菌屬、瘤胃球菌屬等菌屬在瘤胃中占主導(dǎo)地位，并與瘤胃上皮形態(tài)發(fā)生、蛋白質(zhì)定位和轉(zhuǎn)運(yùn)等功能顯著相關(guān)。此外，犢牛瘤胃中高度異質(zhì)性和低豐度的古菌，意味著可通過(guò)早期飼養(yǎng)策略改變瘤胃產(chǎn)甲烷菌從而增強(qiáng)微生物發(fā)酵和減少瘤胃中的甲烷生成的可能性。Xue等[33]對(duì)20 頭泌乳中期奶牛進(jìn)行瘤胃宏基因組和代謝組學(xué)等多組學(xué)分析，來(lái)解析高乳蛋白產(chǎn)量（Milk Protein Yield，MPY）奶牛的特征。結(jié)果顯示，高M(jìn)PY奶牛瘤胃中的普雷沃氏菌物種豐度較高，有助于改善支鏈氨基酸生物合成的功能，為宿主合成乳蛋白提供了充足的瘤胃微生物蛋白。此外，黃色瘤胃球菌和反芻硒單胞菌在高M(jìn)PY奶牛瘤胃中的高豐度結(jié)果表明，這兩種細(xì)菌可能是奶牛瘤胃丙酸含量升高的主要原因；與之相反，瘤胃中產(chǎn)甲烷菌的相對(duì)豐度較低，表明MPY奶牛產(chǎn)甲烷量較低，導(dǎo)致碳水化合物合成的酶和途徑高于低MPY奶牛，從而提高了飼料轉(zhuǎn)化率。這種微生物群和宿主代謝的關(guān)聯(lián)分析，為通過(guò)飼養(yǎng)管理或遺傳選擇改變瘤胃微生物區(qū)系以提高牛奶質(zhì)量和產(chǎn)量的策略提供了新見解。Sun等[34]將奶牛飼糧中的高質(zhì)量苜蓿干草替換為低質(zhì)量玉米秸稈，并通過(guò)宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)及轉(zhuǎn)錄組學(xué)探究奶牛瘤胃微生物和乳品質(zhì)的變化。結(jié)果表明，在飼喂玉米秸稈時(shí)，瘤胃中變形桿菌門、纖維桿菌門和黏膠球形菌門的相對(duì)豐度顯著高于對(duì)照組，而密螺旋體和琥珀酸單胞菌在瘤胃中的相對(duì)豐度較低，導(dǎo)致瘤胃中丙酸含量降低、乙酸含量顯著上升。進(jìn)一步的研究表明，奶牛血液中氨基酸代謝組的豐度較低，同時(shí)酪蛋白編碼基因CSN3和CSN1S2下調(diào)，導(dǎo)致乳腺中蛋白質(zhì)加工和合成減少。這項(xiàng)研究為提高農(nóng)作物副產(chǎn)品利用率、反芻動(dòng)物可持續(xù)生產(chǎn)提供了新的認(rèn)識(shí)和潛在的改進(jìn)策略?？偠灾?，多組學(xué)聯(lián)合應(yīng)用分析可以得到更加豐富的數(shù)據(jù)，對(duì)宿主整體變化進(jìn)行綜合分析，獲得更加可靠的結(jié)果，是動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)科學(xué)理論和技術(shù)體系創(chuàng)新和發(fā)展的新趨勢(shì)。

3 奶牛瘤胃微生物與機(jī)體健康的互作關(guān)系

瘤胃微生物群落對(duì)于反芻動(dòng)物的健康和實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義，但是，這種復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)一旦失調(diào)，會(huì)對(duì)宿主造成嚴(yán)重的后果[35]。組學(xué)技術(shù)不僅在瘤胃微生物組成和數(shù)量的測(cè)定中運(yùn)用廣泛，在疾病的預(yù)防和治療方面也有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

3.1 瘤胃酸中毒

瘤胃酸中毒（SARA）是奶牛生產(chǎn)中常見的健康問(wèn)題，這種疾病是由高淀粉飼料的增加引起的。據(jù)報(bào)道，當(dāng)瘤胃微生物群落在短時(shí)間內(nèi)暴露于大量高度發(fā)酵的底物時(shí)，VFA的產(chǎn)生速率將超過(guò)VFA的吸收速率，此時(shí)VFA在瘤胃中積聚并顯著降低瘤胃pH值，導(dǎo)致瘤胃酸中毒[36]。Plaizier等[37]建立了2 種瘤胃酸中毒的營(yíng)養(yǎng)模型，并使用16s rRNA基因高通量測(cè)序技術(shù)測(cè)定了SARA對(duì)荷斯坦牛瘤胃微生物的影響，結(jié)果兩種模型都降低了瘤胃中細(xì)菌的豐度和多樣性。其中，擬桿菌門、SR1細(xì)菌的豐度顯著降低，而厚壁菌門的豐度顯著上升，證明在SARA條件下，瘤胃菌群發(fā)生了顯著的變化。值得注意的是，厚壁菌門和擬桿菌門的比例與飼料效率、產(chǎn)奶量和乳脂產(chǎn)量密切相關(guān)，表明SARA對(duì)奶牛的生產(chǎn)性能有著重要的影響。先前的研究表明[38]，低pH值的瘤胃環(huán)境一方面導(dǎo)致瘤胃內(nèi)微生物紊亂，如革蘭氏陰性菌大量死亡溶解；另一方面則會(huì)損傷瘤胃上皮，導(dǎo)致游離脂多糖（LPS）等有害物質(zhì)入血，機(jī)體發(fā)生系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)。Li等[39]飼喂1～16 周齡犢牛高淀粉飼料來(lái)誘導(dǎo)瘤胃酸中毒，在17 周齡時(shí)收集犢牛的瘤胃上皮組織并對(duì)微生物群落進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組中有14 個(gè)屬的豐度顯著高于對(duì)照組，其中歐氏菌屬和脫硫弧菌顯示出4 倍的增加。此外，與細(xì)胞信號(hào)和形態(tài)發(fā)生等生物途徑相關(guān)的差異表達(dá)基因在試驗(yàn)組中顯著富集，證明瘤胃微生物主要通過(guò)影響肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架改變瘤胃上皮的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，試驗(yàn)組犢牛瘤胃上皮發(fā)生潰瘍，各種機(jī)會(huì)致病菌如壞死梭形桿菌（F.necrophorum）通過(guò)瘤胃上皮進(jìn)入血液，繼而引起乳腺炎等全身炎癥反應(yīng)。綜上所述，瘤胃酸中毒對(duì)瘤胃微生物的組成和功能有著顯著的影響，通過(guò)多組學(xué)技術(shù)測(cè)定生物標(biāo)志物進(jìn)行瘤胃酸中毒的早期預(yù)測(cè)對(duì)于調(diào)整飼糧結(jié)構(gòu)，提高奶牛的生產(chǎn)效率具有重要的意義。

3.2 乳腺炎

奶牛乳腺炎是由多種微生物（細(xì)菌、真菌和病毒等）引起的一種乳腺疾病，當(dāng)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等細(xì)菌侵染奶牛乳腺組織并引發(fā)乳腺炎時(shí)，乳腺組織中的細(xì)胞發(fā)生凋亡，繼而引起機(jī)體的炎癥反應(yīng)。多項(xiàng)研究表明[40～42]，在奶牛的乳房?jī)?nèi)注射LPS可引起乳腺炎的臨床癥狀，作為疾病發(fā)生模型。Johnzon等[40]對(duì)LPS誘導(dǎo)的乳腺炎奶牛進(jìn)行代謝組學(xué)分析，結(jié)果顯示，奶牛血漿中的乳糖迅速增加，而酮體（3-羥基丁酸酯和乙酰乙酸酯）、短鏈脂肪酸、檸檬酸鹽顯著減少。因此，乳腺炎會(huì)導(dǎo)致奶牛乳腺上皮細(xì)胞緊密連接的破壞，肝臟功能受損，并且抑制瘤胃內(nèi)短鏈脂肪酸的產(chǎn)生。此外，有研究表明，當(dāng)奶牛發(fā)生SARA后，乳汁和瘤胃液的菌群結(jié)構(gòu)變得更加相近，主要表現(xiàn)為寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas）豐度的顯著升高，可以推測(cè)乳腺炎和瘤胃微生物的穩(wěn)態(tài)有著密切的聯(lián)系[43]。值的一提的是，SARA在增加奶牛血乳屏障滲透性的同時(shí)降低了乳腺組織清除病原體的能力，加速了乳腺炎的發(fā)生[44]。為探究SARA對(duì)乳腺炎的影響，Aditya等[42]分別在健康奶牛和SARA奶牛的乳房中注射LPS，誘導(dǎo)乳腺炎的發(fā)生。經(jīng)代謝組學(xué)分析，與健康牛相比，SARA奶牛注射了LPS之后，血清中乳酸濃度增加，β-羥基丁酸（BHBA）的濃度降低，證明SARA奶牛肝臟功能受損。此外，血清中幾種急性期蛋白（APP）明顯增加，表明在受到急性外源性免疫原刺激時(shí)，SARA奶牛乳腺炎癥的消退比健康奶牛延緩。因此，瘤胃微生物群的穩(wěn)態(tài)不僅與瘤胃健康有直接關(guān)系，對(duì)宿主整體生理狀況也有著重要影響。

3.3 其他

子宮內(nèi)膜炎是奶牛常見的產(chǎn)后疾病，最常發(fā)生在產(chǎn)后2 周內(nèi)，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌是奶牛子宮內(nèi)膜炎中常見的致病細(xì)菌[45]。除了產(chǎn)后易患子宮內(nèi)膜炎，高精料飼喂導(dǎo)致的瘤胃微生物紊亂也會(huì)引發(fā)子宮內(nèi)膜炎。Bilal等[46]的研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛發(fā)生SARA后LPS進(jìn)入血液，奶牛子宮內(nèi)核轉(zhuǎn)錄因子和促炎細(xì)胞因子的mRNA表達(dá)量豐度隨之升高，NF-κB-p65及其活性磷酸化變異體蛋白表達(dá)增加，證實(shí)來(lái)自瘤胃的LPS會(huì)引發(fā)子宮炎癥相關(guān)基因的表達(dá)，導(dǎo)致奶牛子宮內(nèi)膜炎的發(fā)生。為進(jìn)一步確定子宮內(nèi)膜炎的發(fā)生，Miller等[47]通過(guò)蛋白組學(xué)對(duì)患有子宮內(nèi)膜炎的奶牛進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示補(bǔ)體蛋白、分泌性磷蛋白24（Spp-24）、人血清淀粉樣蛋白P（SAP）等蛋白在患病時(shí)顯著上升，并將免疫球蛋白M樣蛋白G5E513等作為子宮內(nèi)膜炎的潛在生物標(biāo)志物。因此，組學(xué)技術(shù)在疾病診斷和預(yù)防中具有顯著的作用。

類似的，肝膿腫通常繼發(fā)于瘤胃酸中毒。據(jù)報(bào)道，壞死梭桿菌是瘤胃中一種常見的革蘭氏陰性菌，以乳酸為主要反應(yīng)底物，在飼喂高谷物飼糧后，乳酸在奶牛瘤胃中的含量增加，此時(shí)壞死梭桿菌的數(shù)量也會(huì)隨之升高，而壞死梭桿菌的血凝素、脂多糖和白細(xì)胞毒素是誘導(dǎo)肝實(shí)質(zhì)膿腫形成的三大因素[48]。因此，當(dāng)瘤胃上皮被破壞時(shí)，壞死梭桿菌從瘤胃壁內(nèi)分離，使得淋巴細(xì)胞數(shù)量顯著減少，繼而導(dǎo)致肝膿腫的發(fā)生。此外，壞死性梭桿菌的內(nèi)毒素和白細(xì)胞毒素被認(rèn)為是突破宿主防御機(jī)制引起蹄病感染最重要的因素[49]。當(dāng)奶牛感染腐蹄病時(shí)，患病奶牛趾間皮膚壞死，鄭三家[50]通過(guò)代謝組學(xué)和蛋白組學(xué)對(duì)腐蹄病奶牛進(jìn)行生物學(xué)檢測(cè)，結(jié)果表明在患腐蹄病時(shí)，甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝，甘油脂代謝、糖酵解或糖異生通路等代謝途徑受到顯著影響，機(jī)體代謝紊亂，抗氧化應(yīng)激能力降低。此外，參與機(jī)體炎癥反應(yīng)和免疫應(yīng)答的差異表達(dá)蛋白如免疫球蛋白、纖維蛋白原和結(jié)合珠蛋白等顯著上升，繼而引發(fā)全身性疾病，導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失。綜上所述，瘤胃微生物組成和數(shù)量對(duì)于維持宿主機(jī)體的穩(wěn)態(tài)具有至關(guān)重要的意義。

4 小結(jié)

奶牛作為一種重要的經(jīng)濟(jì)動(dòng)物，能將低成本的飼料轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的動(dòng)物蛋白，這主要?dú)w功于瘤胃微生物的發(fā)酵作用。瘤胃微生物一旦失衡，不僅會(huì)降低奶牛的生產(chǎn)性能，還會(huì)引發(fā)瘤胃酸中毒、乳腺炎等一系列疾病。組學(xué)作為新興的生物技術(shù)，可以通過(guò)測(cè)定奶牛的瘤胃微生物組成、功能性基因、代謝途徑及產(chǎn)物等方式，及時(shí)調(diào)整奶牛的飼養(yǎng)環(huán)境和飲食結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高生產(chǎn)性能、預(yù)防疾病的目的。此外，組學(xué)可以更加直觀準(zhǔn)確地體現(xiàn)新型飼料添加劑的實(shí)際使用效果，為綠色健康的養(yǎng)殖模式提供了更加廣闊的思路。