梁曉偉，徐曉峰

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

1 反芻動(dòng)物瘤胃微生物組成

1.1 瘤胃細(xì)菌

瘤胃細(xì)菌是瘤胃微生物中數(shù)量及種類(lèi)最多，代謝最為活躍的一類(lèi)，大約有22個(gè)屬性、63個(gè)種類(lèi)。在門(mén)水平下，瘤胃細(xì)菌相對(duì)含量最多的菌門(mén)為擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）；在屬水平上，相對(duì)含量最多的菌屬為普雷沃氏菌屬（Prevotella）[1]。瘤胃細(xì)菌中革蘭氏陰性菌占大多數(shù)，并且在高能量日糧飼喂的條件下革蘭氏陰性菌有增加的趨勢(shì)[2]。擬桿菌門(mén)屬于革蘭氏陰性菌，基因組中富含大量碳水化合物活性酶基因，能夠利用飼糧中的多種可溶性多糖；同時(shí)含有多種產(chǎn)維生素和輔酶的基因，可生成多種維生素和輔酶，在營(yíng)養(yǎng)成分的利用中發(fā)揮重要作用[3]。普氏菌屬是一類(lèi)嚴(yán)格厭氧的多形態(tài)桿菌，大約40%的瘤胃微生物屬于普雷沃氏菌科，它能將糖發(fā)酵成有機(jī)酸，如乙酸、丙酸和琥珀酸[4]。

1.2 瘤胃原蟲(chóng)和真菌

瘤胃原蟲(chóng)種類(lèi)較少，但其體積大，約占瘤胃內(nèi)50%的生物量。瘤胃原蟲(chóng)分為兩個(gè)主要亞類(lèi)，即纖毛蟲(chóng)綱（Cliate）和鞭毛蟲(chóng)綱（Flagellate）。纖毛原蟲(chóng)體內(nèi)的酶類(lèi)物質(zhì)，可以降低瘤胃酸中毒發(fā)生的概率。此外，纖毛原蟲(chóng)可清除氧氣，調(diào)節(jié)微生物區(qū)系，同時(shí)將微生物氮傳遞給宿主[5]。鞭毛蟲(chóng)綱主要存在于幼齡反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)，它們具有維持瘤胃微生態(tài)平衡的作用[6]。瘤胃厭氧真菌的數(shù)量不足原蟲(chóng)的十分之一，但它能消化反芻動(dòng)物日糧中40%～70%的植物物質(zhì)[7]。Swift等通過(guò)活性真菌和細(xì)菌轉(zhuǎn)錄驗(yàn)證，共同培養(yǎng)24h后發(fā)現(xiàn)當(dāng)細(xì)菌存在時(shí)，真菌的染色質(zhì)重塑發(fā)生，兩者之間存在拮抗關(guān)系，能夠產(chǎn)生一種具有潛在抗菌活性的真菌化合物[8]。另外，瘤胃真菌可以深入至植物纖維組織內(nèi)部，為細(xì)菌充分分解和利用纖維物質(zhì)創(chuàng)造了條件。

2 反芻動(dòng)物瘤胃微生物與宿主生產(chǎn)性能

2.1 瘤胃微生物與產(chǎn)奶量

除種間遺傳外，瘤胃微生物的組成和功能對(duì)宿主的生產(chǎn)性能起重要作用。瘤胃中埃氏菌能將乳酸轉(zhuǎn)化為丁酸和丙酸，提高瘤胃pH值，促進(jìn)部分有益細(xì)菌的增殖，如纖維溶弧菌。這類(lèi)細(xì)菌負(fù)責(zé)亞油酸的生物氫化，通過(guò)改變瘤胃生物氫化途徑，產(chǎn)生有益的生物氫化中間體反-1,1（順-9，反-1,1的前體）和順-9，反-1,1，可脫離瘤胃微生物實(shí)現(xiàn)完全的生物氫化，然后被吸收到牛奶和肉類(lèi)中[9]。促進(jìn)瘤胃內(nèi)乳酸菌的繁殖、增加瘤胃纖毛原蟲(chóng)的數(shù)量，不僅可以提高飼料淀粉的消化率，而且可顯著提高奶牛的產(chǎn)奶量[10]。Shih-Te通過(guò)Spearman相關(guān)性研究表明，干奶牛的普雷沃氏菌屬豐度可以反映前一個(gè)泌乳期的產(chǎn)奶量并與產(chǎn)奶量呈正相關(guān)，而甲烷短桿菌屬、瘤胃球菌屬和鏈球菌屬的豐度與產(chǎn)奶量呈負(fù)相關(guān)[11]。Madison等通過(guò)進(jìn)行16S rRNA測(cè)序和ITS擴(kuò)增子測(cè)序發(fā)現(xiàn)普雷沃氏菌1在高產(chǎn)奶牛中更豐富，而普雷沃氏菌7在低產(chǎn)奶牛中更豐富，并且得出瘤胃細(xì)菌群落是影響宿主生產(chǎn)效率的主要微生物驅(qū)動(dòng)因素[12]。沈義媛等對(duì)奶牛瘤胃微生物進(jìn)行16S rRNA高通量測(cè)序分析，發(fā)現(xiàn)在相同日糧條件下，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)菌屬的含量高于低產(chǎn)奶牛[13]。

2.2 瘤胃微生物與乳成分

吳鑫等利用宏基因組測(cè)序鑒定瘤胃微生物組在奶牛乳蛋白和乳脂肪合成中的潛在作用，發(fā)現(xiàn)在營(yíng)養(yǎng)和管理?xiàng)l件相同的荷斯坦牛中乳蛋白和乳脂肪含量較高組瘤胃液中普雷沃氏菌的豐度最高，約占68.8%[14]。趙亞波等研究發(fā)現(xiàn)奶牛瘤胃液中，隨著布氏普雷沃氏菌和易北普雷沃氏菌數(shù)量的下降，可能會(huì)抑制瘤胃微生物對(duì)蛋白質(zhì)的降解，從而間接降低乳中的蛋白水平；隨著白色瘤胃球菌數(shù)量的平緩上升，能夠促進(jìn)瘤胃微生物對(duì)纖維的降解能力，提高奶牛對(duì)粗飼料的消化率[15]。瘤胃微生物群的改變，對(duì)乳脂肪合成前體物質(zhì)的生成和利用起到一定的調(diào)節(jié)作用。嗜淀粉瘤胃桿菌屬、牛鏈球菌屬、溶淀粉琥珀酸單胞菌屬、反芻獸新月形單胞菌屬等細(xì)菌，以及瘤胃內(nèi)部分原蟲(chóng)、厭氧真菌幾乎全部可以產(chǎn)生α-淀粉酶，將淀粉水解為麥芽糖后降解為單糖供機(jī)體利用，充足的乳脂肪前體物質(zhì)可以促使牛乳中脂肪的含量提高[16]。Samantha等對(duì)奶牛瘤胃細(xì)菌和古菌群落組成進(jìn)行了研究：發(fā)現(xiàn)未分類(lèi)擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）和毛螺菌科（Lachnospiraceae），與乳脂率相關(guān)；瘤胃球菌科（Ruminococcus）和未分類(lèi)瘤胃球菌科（Ruminococcaceae），與乳蛋白率相關(guān)[17]。目前瘤胃微生物也已被證明對(duì)廣泛的植物毒素和真菌毒素有代謝和解毒的能力，瘤胃微生物群可以通過(guò)簡(jiǎn)單的水解步驟或多種代謝反應(yīng)來(lái)解毒，并能夠適應(yīng)、利用有毒的次生代謝產(chǎn)物[18]。在改善反芻動(dòng)物健康和生產(chǎn)方面具有商業(yè)潛力，并為開(kāi)發(fā)預(yù)防性益生菌奠定了基礎(chǔ)。

3 反芻動(dòng)物瘤胃微生物與宿主甲烷排放

反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)由于甲烷的生成，部分能量被損失，致使飼料的利用率降低，并且對(duì)環(huán)境和氣候造成一定的壓力。瘤胃內(nèi)微生物之間的相互制約、相互依存，使瘤胃內(nèi)環(huán)境達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡并進(jìn)行厭氧發(fā)酵。甲烷（CH4）生成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅受產(chǎn)甲烷菌的影響，還包括微生物組的其他成分。經(jīng)對(duì)瘤胃和腸道產(chǎn)甲烷菌數(shù)據(jù)庫(kù)（Rumen and Intestinal Methanogen-Database）中的不同分類(lèi)水平的產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行排序分析發(fā)現(xiàn)，古菌群落均以廣古菌門(mén)為主，克雷那古菌占古菌總數(shù)的1%，甲烷菌屬的產(chǎn)甲烷菌最為顯著[19]。瘤胃中產(chǎn)生的甲烷，大多數(shù)是產(chǎn)甲烷菌利用細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣將二氧化碳還原為甲烷[20]。Hassan等發(fā)現(xiàn)有效減少瘤胃產(chǎn)甲烷菌和原生動(dòng)物的數(shù)量，可以降低腸道甲烷的產(chǎn)量[21]。Matthews等研究發(fā)現(xiàn)，瘤胃微生物區(qū)系可以通過(guò)改變氫氣的通量，從而減少宿主動(dòng)物產(chǎn)生的甲烷[22]。Hassan等[23]認(rèn)為使瘤胃中代謝氫最大限度地遠(yuǎn)離甲烷，流向揮發(fā)性脂肪酸（VFA），可提高反芻動(dòng)物的生產(chǎn)效率，降低其對(duì)環(huán)境的影響。有研究發(fā)現(xiàn)乳酸鹽及與其相關(guān)的細(xì)菌種類(lèi)和基因，可能代表了產(chǎn)生VFA的一個(gè)中間途徑，能在一部分動(dòng)物中自然富集，可作為甲烷生成的替代物[24]。瘤胃古菌在清除瘤胃氫方面發(fā)揮重要作用，從而促進(jìn)瘤胃發(fā)酵。Mahmood等在體外研究中，利用16S rRNA對(duì)瘤胃固相（主要含有低密度飼料顆粒纖維物質(zhì)的固體物質(zhì)）和液相（瘤胃發(fā)酵液）進(jìn)行測(cè)序分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)酵罐中99.8%以上的瘤胃古菌屬于廣泛古菌門(mén)，并且甲烷短桿菌屬（Methanobrevibacter）和甲烷桿菌屬（Methanobacterium）分別與甲烷的形成呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）[25]。瘤胃微生物種群在體外發(fā)酵，添加乳酸菌后顯著增加了纖維素分解細(xì)菌（琥珀酸纖維桿菌、纖溶丁酸弧菌和黃瘤胃球菌）、原生動(dòng)物、產(chǎn)甲烷菌和古菌的種群[26]。瘤胃體外發(fā)酵添加丙二醇（PG）時(shí)發(fā)現(xiàn)，PG的添加顯著降低了甲烷產(chǎn)量，同時(shí)對(duì)Negativicutes類(lèi)的分析表明，實(shí)驗(yàn)組解琥珀酸菌屬（Succiniclasticum）的相對(duì)豐度有增加的趨勢(shì)，而硒單胞菌（Selenomonas）的相對(duì)豐度有降低的趨勢(shì)[27]。Montero等通過(guò)PCA發(fā)現(xiàn)真核生物（原生動(dòng)物和真菌）是門(mén)、綱、目、科和屬的第一個(gè)組成部分，相對(duì)豐度與腸道甲烷產(chǎn)量呈正相關(guān)[28]。Mahfuzul等通過(guò)GreenFeed測(cè)定CH4排放量、胃管采集瘤胃液樣品，發(fā)現(xiàn)millerae甲烷短桿菌的CH4產(chǎn)量和CH4強(qiáng)度要高于olleyae甲烷短桿菌[29]。李玉琪等總結(jié)發(fā)現(xiàn)，厭氧真菌能夠刺激產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，維持產(chǎn)甲烷菌的多樣性。同時(shí)，產(chǎn)甲烷菌提高了厭氧真菌降解纖維的能力，刺激了真菌氫酶體的代謝途徑[30]。Sabry等發(fā)現(xiàn)原蟲(chóng)的數(shù)量不影響甲烷的生成量[31]。

4 反芻動(dòng)物瘤胃微生物的調(diào)控

影響瘤胃微生物區(qū)系的因素很多，針對(duì)瘤胃微生物區(qū)系的調(diào)控，現(xiàn)階段主要集中在飼糧及添加劑上。瘤胃微生物對(duì)反芻動(dòng)物極為重要，瘤胃微生物組的穩(wěn)定有利于維持宿主自身健康和生產(chǎn)性能，反之則會(huì)導(dǎo)致宿主免疫力降低。郝楊一等通過(guò)試驗(yàn)得出飼糧成分（CP、NDF、EE和淀粉）對(duì)瘤胃細(xì)菌群落變異的定量影響為32.49%，是主要的影響因素[32]。據(jù)Faniyi等[33]報(bào)道，在飼喂谷物飼料時(shí)，瘤胃液中厚壁菌門(mén)（Firmicutes）是最主要的；而飼喂干草飼料時(shí)，擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）是最主要的，有時(shí)兩者的相對(duì)豐度都在80%或以上。蘇峰祥等的研究發(fā)現(xiàn)，在奶牛瘤胃液中添加微藻不影響瘤胃細(xì)菌組成與數(shù)量，但會(huì)使瘤胃液中原蟲(chóng)總數(shù)顯著降低（P＜0.05），并且總厭氧真菌的數(shù)量也呈下降趨勢(shì)[34]。王亞平等采用瘤胃微生物16S和代謝組學(xué)相結(jié)合的方法，研究不同劑量過(guò)瘤胃葡萄糖（RPG）對(duì)泌乳早期奶牛瘤胃微生物組成和代謝產(chǎn)物的影響，經(jīng)瘤胃液代謝組學(xué)分析表明添加RPG可顯著調(diào)節(jié)瘤胃原蟲(chóng)消化氨基酸的合成，與其他組相比，添加MRPG具有顯著的優(yōu)勢(shì)，顯著提高了細(xì)菌的豐富度和多樣性，促進(jìn)了瘤胃微生物的生長(zhǎng)和能量代謝[35]。在特定的日糧條件下，飼料添加劑和環(huán)境都是調(diào)控瘤胃微生物的重要途徑之一。

5 結(jié)論與展望

了解瘤胃微生物多樣性和瘤胃動(dòng)態(tài)不僅是優(yōu)化宿主效率的關(guān)鍵，也是調(diào)節(jié)反芻動(dòng)物溫室氣體排放的必要條件。對(duì)于反芻動(dòng)物而言，瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定對(duì)維持其自身的健康和生產(chǎn)具有十分重要的意義，而該動(dòng)態(tài)受動(dòng)物個(gè)體、微生物組、飼糧、環(huán)境等多種因素的影響。本文綜述了反芻動(dòng)物瘤胃微生物菌群組成和調(diào)控等兩個(gè)方面，旨在為深入開(kāi)展瘤胃微生物多樣性及其功能研究提供經(jīng)驗(yàn)積累，為反芻動(dòng)物生產(chǎn)性能的提高以及改善飼料利用率提供一定的基礎(chǔ)條件。近年來(lái)，已有諸多研究者嘗試調(diào)節(jié)和優(yōu)化瘤胃微生物，試圖通過(guò)日糧、添加劑等來(lái)調(diào)控瘤胃微生物組，并取得不同程度的成功，但此領(lǐng)域還有待不斷的探索與研究。