杜海東 李科南 娜仁花

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010018)

瘤胃是反芻動物獨(dú)有的器官，其富含微生物(細(xì)菌、古菌、原蟲、真菌)，這些微生物與宿主構(gòu)成了復(fù)雜的共生網(wǎng)絡(luò)，對宿主的生理機(jī)能維持、免疫功能和整體生產(chǎn)效率至關(guān)重要[1]。瘤胃能夠利用微生物發(fā)酵將低質(zhì)量的飼料轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的動物蛋白質(zhì)[2]。據(jù)報道，瘤胃微生物的發(fā)酵產(chǎn)物能為宿主提供約70%的日常能量[3]。因此，調(diào)控瘤胃微生物是提高瘤胃發(fā)酵、增強(qiáng)動物生長和健康的有效方法。在前人的研究中，通過開發(fā)添加劑調(diào)控瘤胃核心微生物群，從而將瘤胃發(fā)酵轉(zhuǎn)向更有效的代謝途徑。然而，各種調(diào)控手段的效果往往是有限的，調(diào)控結(jié)果往往不符合預(yù)期或者短效，這主要是因?yàn)槿藶檎{(diào)控難以改變成年動物瘤胃中已建立良好和完全成熟的微生物生態(tài)系統(tǒng)[4-5]。有充分證據(jù)表明，一旦停止調(diào)控，微生物群的組成和瘤胃發(fā)酵功能將恢復(fù)到原來的狀態(tài)[6]。幼齡反芻動物瘤胃微生物處于快速定植和改變的過程中，這一階段的瘤胃微生物群比成年反芻動物表現(xiàn)出更大的靈活性，這也為操縱如此復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)提供了機(jī)會[1]。近年來，已有大量的研究證明幼齡反芻動物瘤胃微生物群的變化與母體密切相關(guān)，微生物可以從母體傳播到后代，這為生命早期微生物群的獲得、發(fā)育和早期干預(yù)提供了機(jī)會[7]。雖然成熟瘤胃微生物群與幼齡反芻動物不同，但生命早期的微生物改變會對動物產(chǎn)生長期的影響[8]。

在本文中，首先總結(jié)了生命早期瘤胃微生物的組成與發(fā)展，然后重點(diǎn)總結(jié)了影響母體微生物在早期生命中獲取和繼承的主要因素，其中包括母體品種、分娩方式、幼畜飼喂方式、母體妊娠期飼糧組成與飼料添加劑使用，最后對未來的研究方向進(jìn)行了展望，旨在為母仔微生物傳播提供參考。

1 瘤胃微生物

通過調(diào)控瘤胃微生物減少反芻動物溫室氣體排放，提高生產(chǎn)性能的研究由來已久。隨著微生物測序技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，推動了瘤胃微生物群研究的快速增長，擴(kuò)展了我們對瘤胃微生物的認(rèn)識。由于瘤胃內(nèi)生理條件的限制，大部分微生物是厭氧菌，也含有部分兼性厭氧菌。距今為止，有相當(dāng)一部分瘤胃微生物仍是未知或未分類的。瘤胃微生物復(fù)雜多樣，據(jù)統(tǒng)計，在每克瘤胃內(nèi)容物中包含超過100億個微生物，主要包括細(xì)菌、古菌、真菌和原蟲，其中95%以上是細(xì)菌[9]。微生物彼此之間以及與宿主之間形成了復(fù)雜的營養(yǎng)協(xié)同和拮抗關(guān)系，并在維持動物生理動態(tài)平衡過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]。

瘤胃微生物群通過調(diào)節(jié)食物的發(fā)酵和能量的吸收，與反芻動物代謝密切相關(guān)。此外，微生物發(fā)酵代謝產(chǎn)物還能提供反芻動物必需的多種氨基酸、維生素和各種纖維素分解酶以及一些抗生素，并參與宿主瘤胃上皮的發(fā)育和免疫系統(tǒng)的建立[11-12]。瘤胃微生物群是重要的“內(nèi)分泌器官”，可以通過多種途徑與動物器官進(jìn)行信號傳遞，如通過營養(yǎng)物質(zhì)或代謝物刺激關(guān)鍵受體或特定激素分泌，并產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用[12-13]。瘤胃微生物群失調(diào)可導(dǎo)致多種疾病，包括酸中毒、氨中毒和其他代謝紊亂，所有這些都不利于宿主的生長和健康[14]。

2 早期瘤胃微生物的定植與發(fā)展

瘤胃微生物區(qū)系對瘤胃的發(fā)育、代謝和免疫反應(yīng)至關(guān)重要，而早期微生物的定植對宿主健康的影響是長期的，甚至是終身的。瘤胃中出現(xiàn)第1批微生物的確切時間仍存在異議。已有研究證明母體子宮并非完全無菌狀態(tài)，且在產(chǎn)前胎兒瘤胃和腸道便已存在來源于母體子宮的微生物群，這表明動物胃腸道的微生物定植開始于子宮[15-17]。現(xiàn)有研究表明，母體子宮內(nèi)的微生物主要來自于母體腸道、陰道或口腔的微生物群，這些不同位點(diǎn)的微生物能夠到達(dá)胎盤并成為子宮內(nèi)胎兒的第1批微生物定植者[16,18]。然而，關(guān)于微生物在子宮內(nèi)定植的研究都是基于一些分子方法，由于這些方法檢測限度有限，所以很難檢測出低生物量的微生物種群，且操作過程中缺乏對污染的適當(dāng)控制[19]。此外，到目前為止還沒有從胎盤中培養(yǎng)出活的微生物[18]。因此，關(guān)于微生物定植是否始于子宮仍存在爭議，需要進(jìn)一步研究。

毫無疑問，新生動物第1次全面接觸微生物是在出生時，初生反芻動物瘤胃微生物群的建立、發(fā)展和成熟受眾多因素的影響，包括母體效應(yīng)、藥物治療、飼養(yǎng)管理和環(huán)境等[3]。幼齡反芻動物瘤胃中的微生物以厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門為主，占總數(shù)的90%以上[20]。幼齡反芻動物的瘤胃微生物主要來源于母體，微生物群可以從母體瘤胃、唾液、母乳和乳房微生物中垂直傳播[21]。在初生動物瘤胃中，兼性厭氧和耐氧微生物如變形菌門和厚壁菌門占主導(dǎo)地位，這導(dǎo)致瘤胃中氧氣的消耗，隨后瘤胃被嚴(yán)格的厭氧菌如擬桿菌門定植[22-23]。此外，一些在成年反芻動物瘤胃中占主要位置的微生物已在1～3日齡反芻動物瘤胃中發(fā)現(xiàn)，包括糞球菌屬、普雷沃氏菌屬和瘤胃球菌屬，在1日齡反芻動物瘤胃中還發(fā)現(xiàn)了纖維素分解菌，且在3日齡時其豐度顯著增加[23]。按照培養(yǎng)模式可將幼齡反芻動物瘤胃微生物的發(fā)展過程大致分為3個階段，即非反芻階段(母乳喂養(yǎng))、過渡階段(母乳和固體飼料混合喂養(yǎng))和反芻階段(斷奶)[24-25]。不同階段瘤胃內(nèi)微生物相似性的分析結(jié)果表明，瘤胃微生物生態(tài)系統(tǒng)在斷奶前展現(xiàn)出非常高的個體間多樣性和低穩(wěn)定性，在出生后的最初幾天(第0～3天)和提供開食料后不久(第10～20天)微生物群組成顯示出巨大的差異。在生命早期，微生物群變化很快，而一個穩(wěn)定的瘤胃微生物群在斷奶后逐漸建立起來[20]。瘤胃微生物組成趨于穩(wěn)定的確切時間尚不清楚，但一般來說這發(fā)生在斷奶后[14]。斷奶后，隨著瘤胃成熟度的提高，瘤胃微生物組成變得相對穩(wěn)定，大多數(shù)幼齡反芻動物微生物群已經(jīng)達(dá)到了成年反芻動物的成熟狀態(tài)，形成了終生的微生物群特征，這也意味著在此期間針對微生物群的干預(yù)可能不會形成長期效果。瘤胃微生物組成隨宿主生長發(fā)育而變化，在斷奶后趨于穩(wěn)定，因此，調(diào)控生命早期瘤胃微生物區(qū)系為長期改善宿主效率和健康提供了新的途徑[8]。

3 母仔微生物垂直傳播的影響因素

在早期適當(dāng)?shù)母深A(yù)措施有利于改變微生物組成，為調(diào)控生命早期的微生物系統(tǒng)提供了機(jī)會。越來越多的證據(jù)表明早期母體微生物垂直傳播對后代微生物的定植和建立起關(guān)鍵作用[26-27]。初生動物通過吞咽來自母體的唾液和食糜以獲得最初的微生物。此外，母乳喂養(yǎng)也會導(dǎo)致少量乳汁從食管溝滲漏到瘤胃，這部分母乳對后代瘤胃微生物群的發(fā)育有潛在的影響[28-30]。而經(jīng)過自然分娩出生的后代，其胃腸道早期定植的微生物主要來源于母體產(chǎn)道和腸道[14]。此外，母畜品種、分娩方式、幼畜飼喂方式、母體妊娠期飼糧組成與飼料添加劑等因素均會對后代微生物的種類產(chǎn)生不同影響。然而，盡管關(guān)于母仔微生物傳播在哺乳動物上已有大量研究，但關(guān)于早期微生物的確切來源、來源的貢獻(xiàn)程度和傳播模式尚未形成系統(tǒng)的研究模式。由于宿主微生物群的復(fù)雜性，使得從微生物環(huán)境中有針對性地調(diào)控目的微生物是極具挑戰(zhàn)性的。以上問題的答案將使我們更接近母仔微生物垂直傳播的真相，并為在生命早期調(diào)控微生物提供新的思路。

3.1 母畜品種

瘤胃微生物分類學(xué)特征在具有不同遺傳背景的宿主之間是可區(qū)分的[31]。瘤胃微生物宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組研究顯示，反芻動物遺傳效應(yīng)影響瘤胃微生物組成，研究發(fā)現(xiàn)，即使是在相同的環(huán)境條件、由相同的飼糧飼養(yǎng)，不同品種牛的瘤胃微生物群也是可區(qū)分的，并且在不同品種之間觀察到獨(dú)特的微生物分類特征[32]。Li等[32]研究了3個品種牛(安格斯、夏洛來和Kinsella)之間瘤胃微生物組成的差異，發(fā)現(xiàn)大約50%的可觀察到的微生物受到品種的影響，包括8個門水平細(xì)菌(如擬桿菌門和螺旋體門)、55個屬水平細(xì)菌(如普雷沃氏菌屬和螺旋體屬)以及10個種水平細(xì)菌(如密螺旋體和普雷沃氏菌)。在不同品種山羊中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，Cunha等[33]發(fā)現(xiàn)Alpine奶山羊的瘤胃細(xì)菌組成以擬桿菌門為主，相對豐度約為61.2%，其次是厚壁菌門和變形菌門，相對豐度分別為24.2%和4.1%，而Moxoto奶山羊瘤胃細(xì)菌組成主要為擬桿菌門和厚壁菌門，瘤胃中的總體優(yōu)勢類群為梭狀芽胞桿菌和擬桿菌。

宿主遺傳學(xué)塑造了后代的微生物群。Hernandez-Sanabria等[34]根據(jù)不同品種牛后代瘤胃內(nèi)容物微生物群的差異，評估了宿主遺傳對微生物群的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)不同品種牛的后代飼喂不同的飼糧時，后代中特定微生物系統(tǒng)類型的變動會受到親代的影響，并最終影響宿主的代謝功能。不同品種母畜的微生物群具有很大差異且具有很強(qiáng)的宿主遺傳關(guān)系，已有研究發(fā)現(xiàn)安格斯和夏洛萊這2個品種母牛的后代瘤胃微生物群存在差異，在28日齡斷奶時，與安格斯?fàn)倥Ｏ啾?，夏洛萊犢牛瘤胃微生物的豐富度顯著增加[35]。Roehe等[36]通過宏基因組分析研究瘤胃微生物基因與甲烷排放或飼料轉(zhuǎn)化效率之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)宿主對古菌豐度和瘤胃微生物甲烷排放量有直接的遺傳影響，且與后代犢牛所消耗的飼糧量無關(guān)。綜上所述，宿主遺傳在塑造后代微生物群發(fā)育中發(fā)揮顯著作用，然而，關(guān)于遺傳如何影響母仔微生物傳播還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

3.2 分娩方式

分娩方式可以改變初生動物胃腸道微生物群并產(chǎn)生潛在的長期影響。關(guān)于人類不同分娩方式的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相較于自然分娩的嬰兒，剖腹產(chǎn)出生的嬰兒腸道微生物多樣性降低，且主要為腸球菌、葡萄球菌、鏈球菌和腸桿菌，這與母體口腔、皮膚和外部環(huán)境的微生物更為相似，而自然分娩的嬰兒腸道最初是由需氧菌腸球菌、鏈球菌、羅氏菌以及厭氧菌雙歧桿菌、乳酸桿菌和柯林斯桿菌等組成，與母體產(chǎn)道和腸道的微生物群更相似[27,37-39]。雖然剖腹產(chǎn)在畜牧生產(chǎn)中并不常見，但確定產(chǎn)道對早期微生物群的潛在影響可能會揭示新的干預(yù)策略，以優(yōu)化瘤胃微生物群[40]。研究發(fā)現(xiàn)，與自然分娩的犢牛相比，剖腹產(chǎn)出生的犢牛瘤胃微生物群的物種豐富度降低，這與人類剖腹產(chǎn)嬰兒微生物多樣性降低的結(jié)果一致。這種微生物多樣性的下降可能是由于與自然分娩的動物相比，母體產(chǎn)道作為生命早期重要的微生物來源在剖腹產(chǎn)動物中被排除。Cunningham[14]發(fā)現(xiàn)，在7日齡不同分娩方式的犢牛瘤胃中共有16個操作分類單元(OTU)的豐度不同，其中有9個OTU在自然分娩犢牛中比較豐富，這些差異性O(shè)TU中包含反芻動物胃腸道微生物群常見的組成成員，包括分類為瘤胃球菌屬、普雷沃氏菌科和假丁酸弧菌屬的OTU，這些在生命早期定植的胃腸道微生物可能在長期內(nèi)影響宿主的微生物群[29]。

3.3 幼畜飼喂方式

在生命的最初時間，由于瘤胃尚未發(fā)育，初生反芻動物完全依賴從母乳或代乳粉中獲得營養(yǎng)。在反芻動物生產(chǎn)中主要有2種后代飼養(yǎng)系統(tǒng)，在商業(yè)牛奶系統(tǒng)中，幼畜出生后通常與母畜分離飼喂代乳產(chǎn)品；在肉類生產(chǎn)系統(tǒng)中，幼畜會一直呆在母畜身邊直到斷奶[41]。飼喂母乳或母乳替代品的初生反芻動物瘤胃微生物不僅會因乳品營養(yǎng)成分的不同而有所差異，而且微生物組成和豐度也會因成年反芻動物的存在與否有所不同[41-42]。研究不同飼養(yǎng)系統(tǒng)中的瘤胃微生物連續(xù)定植可以幫助設(shè)計有效的干預(yù)措施來控制早期瘤胃微生物組成。

成熟動物瘤胃核心微生物群建立于生命的早期階段。研究發(fā)現(xiàn)，不同飼養(yǎng)方式的幼齡反芻動物具有的相同核心微生物群包括擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門，雖然瘤胃中這些微生物的相對豐度隨發(fā)育階段和飼糧的不同而有所差異，但發(fā)育中的瘤胃與成熟瘤胃的優(yōu)勢菌門是相同的，在幼齡反芻動物瘤胃中占主導(dǎo)地位的微生物也是其他年齡動物瘤胃內(nèi)的核心微生物群[8,43]。但不同飼養(yǎng)方式的幼齡反芻動物核心菌屬的豐度差異較大，在人工飼養(yǎng)系統(tǒng)中擬桿菌屬的豐度較高，在母乳飼養(yǎng)系統(tǒng)中琥珀酸菌屬是豐度較高[8]。在母乳飼養(yǎng)的幼齡反芻動物瘤胃中普雷沃氏菌屬的豐度較高，該屬已被證明在成熟瘤胃中是最豐富、最普遍的菌屬[8,44]。人工飼養(yǎng)的幼齡反芻動物在斷奶前瘤胃中擬桿菌屬的豐度較高，而高豐度的擬桿菌屬與斷奶前幼齡反芻動物飼喂高熱量母乳替代品有關(guān)[45]。此外，與人工飼養(yǎng)的羔羊相比，母乳飼養(yǎng)的羔羊在斷奶時瘤胃微生物群更成熟。由于原蟲只能通過與成年動物直接接觸經(jīng)唾液傳遞給后代，因此由人工飼養(yǎng)的羔羊在斷奶時瘤胃中幾乎不存在原蟲，相反，母乳飼養(yǎng)促進(jìn)了多種多樣的原蟲在羔羊瘤胃中的早期定植[8,25,46]。

瘤胃中的真菌占瘤胃微生物總量的5%～20%，在纖維消化中起著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，在所有的飼養(yǎng)系統(tǒng)中，羔羊瘤胃的核心真菌群落均由相同的真菌屬代表，包括厭氧真菌Caecomyces、Neocallimastix和Piromyces，需氧真菌Phaeosphaeria、Alternaria和Filobasidium，但隨著羔羊年齡的增加，母乳飼養(yǎng)羔羊瘤胃的核心真菌群落比人工飼養(yǎng)羔羊更多樣化[42]。自然飼養(yǎng)促進(jìn)了斷奶時瘤胃厭氧真菌群落的早期發(fā)展，厭氧真菌如Neocallimastix、Buwchfawromyces和Anaeromyces的豐度增加，其中Neocallimastix和Buwchfawromyces能夠分解植物細(xì)胞壁，并觸發(fā)其他瘤胃微生物對飼料的早期定植[42,47]。

3.4 母體妊娠期飼糧組成

母體在妊娠期間的飼糧組成影響后代微生物群的獲取。例如，在母羊妊娠后期飼糧中添加脂質(zhì)(4%椰子油)降低了原蟲Isotrichidae、Ophryoscolecidae的數(shù)量，且羔羊出生后，脂質(zhì)(4%椰子油)組羔羊瘤胃原蟲種群以及每日甲烷產(chǎn)量均顯著減少，這種情況一直持續(xù)到5月齡[48]。除了飼糧中的脂肪含量外，母體妊娠期對蛋白質(zhì)、纖維和微量元素的攝入量也會對初生動物胃腸道微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，母體妊娠期較高的脂肪攝入量與新生兒腸道微生物群中較高豐度的厚壁菌門和較低豐度的變形菌門顯著相關(guān)，而較高的纖維和植物蛋白質(zhì)攝入量與較低豐度的擬桿菌門相關(guān)[49-50]。此外，母體妊娠期營養(yǎng)會影響幼齡反芻動物瘤胃微生物的豐度和多樣性，即使此時幼齡反芻動物的瘤胃微生物功能發(fā)育不全。研究發(fā)現(xiàn)，正常喂養(yǎng)組母牛后代與營養(yǎng)限制組母牛后代瘤胃的整體微生物多樣性存在差異，正常喂養(yǎng)組的犢牛和營養(yǎng)限制組的犢牛共有8個OTU的豐度存在差異，營養(yǎng)限制組中較正常飼喂組豐富的類群共有4個，它們均屬于擬桿菌門，其中3個類群為普雷沃氏菌屬[14]。研究表明，妊娠期營養(yǎng)限制會導(dǎo)致后代出生時體重較小，而低出生體重的幼兒胃腸道中的普雷沃氏菌屬更豐富[51-53]。Hummel等[54]研究了營養(yǎng)限制和礦物質(zhì)補(bǔ)充對妊娠晚期母牛及其后代微生物的影響，結(jié)果顯示營養(yǎng)限制減少了胎盤微生物的多樣性，而補(bǔ)充礦物質(zhì)對胎盤微生物群影響甚微，但補(bǔ)充礦物質(zhì)改善了胎兒腸道微生物的多樣性。目前，關(guān)于母體妊娠期飼糧組成影響后代微生物群的機(jī)制仍不清楚。有報道稱妊娠期間的母體營養(yǎng)有可能是影響后代微生物群早期建立的因素，妊娠期營養(yǎng)可影響胎兒器官發(fā)育，特別是胃腸道發(fā)育[55-57]。由于胃腸道的生理機(jī)能與胃腸道中存在的微生物群密切相關(guān)，因此母體營養(yǎng)的改變可能會改變胃腸道微生物群。此外，母乳的微生物組成可能會受到母體飼糧的影響，母體飼糧對母仔微生物的垂直傳播具有重要意義，需要進(jìn)一步的研究來探索飼糧影響母仔微生物的垂直傳播的作用機(jī)制。

3.5 母體飼料添加劑

通過不同的飼料添加劑調(diào)控瘤胃微生物群是提高瘤胃發(fā)酵、增強(qiáng)動物生長和健康的有效方法。有機(jī)酸、益生菌、酶和植物化學(xué)物質(zhì)等添加劑顯示出了降低動物甲烷排放的潛力，此外，它們也對微生物群對的飼料降解、吸收以及瘤胃發(fā)酵參數(shù)產(chǎn)生了重大影響[58]。各種飼料添加劑對動物性能的影響也會隨母體傳遞給后代。有研究報道，在母羊飼糧中添加葉酸提高了后代羔羊瘤胃總揮發(fā)性脂肪酸含量以及腸道消化酶活性，還提高了生長激素和胰島素樣生長因子-1的濃度，從而提高了羔羊的生長性能和瘤胃發(fā)酵功能[59]。Elolimy等[11]發(fā)現(xiàn)，給妊娠后期母牛飼喂蛋氨酸可以誘導(dǎo)后代的微生物組成改變并使瘤胃代謝向更高效的方向轉(zhuǎn)變，給妊娠后期母牛飼喂蛋氨酸使得后代犢牛斷奶前的菌群中富含抗生素生物合成相關(guān)的功能基因，而這有助于減少微生物病原體的數(shù)量，并提高犢牛的生長性能；此外，母體飼喂蛋氨酸后提高了后代犢牛瘤胃中小類桿菌屬的豐度，降低了放線菌屬、伯克霍爾德氏菌目的豐度，而高豐度小類桿菌屬和低豐度放線菌屬是健康狀況良好的標(biāo)志。Dewanckele等[60]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，給妊娠后期山羊飼喂富含二十二碳六烯酸的微藻增加了后代羔羊瘤胃中擬桿菌目、梭菌屬和丁酸弧菌屬的相對豐度。綜上所述，不同飼料添加劑通過母體直接或間接影響后代出生后瘤胃微生物群的定植和發(fā)育，并影響其生命早期代謝、內(nèi)分泌和生長性能的發(fā)展。

4 小結(jié)與展望

母體微生物群是后代微生物群的重要來源，受到多種因素的影響。關(guān)于母體微生物對后代的傳播方式和貢獻(xiàn)程度仍需要大量的研究。測序技術(shù)的不斷進(jìn)步使我們能夠檢測和了解到微生物群，但我們?nèi)孕枰M(jìn)一步的對微生物群進(jìn)行分析，以此確定母仔微生物傳播的重要性和準(zhǔn)確性。未來需要有針對性地開展研究使母仔微生物群的傳播得到調(diào)控，使在生命早期定植的微生物能夠被人為選擇，而不是讓初生動物偶然獲得微生物。關(guān)于促進(jìn)或抑制微生物傳播以及生命早期微生物選擇的內(nèi)部或外部驅(qū)動因素仍然需要更多的研究。此外，還需要更多的證據(jù)證明垂直傳播的母體微生物對后代的影響。