瘤胃微生物对反刍动物饲料效率和甲烷排放的影响及其营养调控研究进展

牛化欣，胡宗福，常 杰，张 颖，WANG Yuxi

（1.内蒙古民族大学动物科学技术学院，内蒙古通辽 028000；2.Lethbridge Research and Development Centre,Agriculture and Agri-Food Canada Research Centre,Lethbridge T1J 4B1,AB,Canada）

瘤胃微生物能够降解低质饲料，为反刍动物提供能量和提高饲料效率做出了重要贡献，对其生产效率和健康状况以及温室气体排放起着至关重要的作用[1-2]。应用新的检测方法和技术来研究反刍动物瘤胃微生物的结构、组成及其功能，在改善反刍动物营养物质的利用、提高饲料效率和经济效益方面越来越重要[3-4]。目前，全世界养殖的反刍动物约有36亿头，主要包括牛和羊等[5]。这些反刍动物的代谢过程是由瘤胃厌氧环境中繁多复杂的微生物群落所驱动，它们可以分泌多种纤维和蛋白分解酶产生协同作用生成短链脂肪酸（SCFA）和微生物蛋白（MP），为宿主提供主要的能量和氨基酸。除种间遗传外，瘤胃微生物的组成和功能主要由日粮决定[6-8]。近年来，越来越多的研究表明瘤胃微生物与其对反刍动物饲料效率和甲烷排放的影响之间相互关联，这使得瘤胃微生物研究处于养殖动物领域的最前沿。本文综述了瘤胃微生物对反刍动物饲料效率和甲烷排放的影响及其营养调控的最新进展，以期为克服瘤胃微生物调节障碍、提高反刍动物饲料效率和减少甲烷排放提供营养途径。

1 瘤胃微生物及其研究方法

反刍动物有一个复杂的消化道微生物群落，特别是瘤胃内，每毫升瘤胃液中包含约1010个细菌、107个古细菌、108个原虫和103个真菌，但不同种类的丰度和组成不同，构成了一个复杂的共生厌氧生态环境，参与反刍动物机体日粮的消化、营养物质的吸收、能量的供应、必需维生素的生成、胃肠道稳态的维持等重要生理过程，对反刍动物的维持、生长、免疫功能和生产效率至关重要。日粮作为反刍动物胃肠道与外界最直接的联系，其影响瘤胃微生物的基因及其组成，瘤胃微生物在反刍动物饲料效率中也发挥着重要作用。不同日粮组成及不同配比的瘤胃优势菌群及其代谢产物差异明显，影响着瘤胃菌群的结构和功能、瘤胃上皮组织的营养吸收、反刍动物的生产性能、饲料效率和甲烷排放[7-8]。

近年来，随着基因组学、现代分子技术结合现代仪器及生物信息学分析在各个领域的应用，微生物多组学（宏基因组学、宏转录组学、蛋白组学、代谢组学、多组学）应运而生，逐渐得到快速发展，以上各种组学的具体方法已有大量报道和应用，当然，应用多组学技术在反刍动物瘤胃微生物方面的研究日益成为关注热点[3-4,9]。因此，全世界开展反刍动物瘤胃微生物的大项目有“Hun gate1000”、“AgResearch”、“Global Rumen Census”、“RuminOmics”、“SMEthane”等。

2 瘤胃微生物与饲料效率的关联性

剩余采食量（RFI）和饲料转化率（FCR）是评定肉牛饲料效率的有效指标，两者具有较高的相关性（R=0.45～0.85）[10]。低RFI表示反刍动物饲料利用效率高，反之表示低效，根据RFI评估，在肉牛、奶牛和绵羊中，瘤胃微生物的多样性、丰度与饲料效率的高低有关（表1）。相对饲料效率低的肉牛，饲料效率高的肉牛瘤胃微生物结构存在更大的相似性，且饲料效率低的肉牛瘤胃普雷沃氏菌Prevotella相对丰度较高[11]。Carberry等[14]确定了肉牛瘤胃细菌组成与饲料效率（高、低RFI）之间的关联，这种关联在高粗饲日粮中更为明显，低RFI白色瘤胃球菌Ruminococcus albus丰度显著高于高RFI。Myer等[16]采用16S rRNA高通量扩增子测序技术分析表明，高精日粮条件下不同饲料效率的肉牛瘤胃产琥珀酸菌属Succiniclasticum、乳酸杆菌Lactobacillus、瘤胃球菌属Ruminococcus、普雷沃氏菌Prevotella和韦荣球菌科Veillonellaceae差异明显，肉牛瘤胃细菌结构组成与日增重（ADG）、日采食量（ADFI）、饲料效率相关联，并对肉牛的生产性能产生潜在影响。从奶牛瘤胃微生物组成和功能分析，可以预测反刍动物饲料效率的变异（91%的准确度），并发现瘤胃微生物多样性减少，但主要的微生物种类丰度高，核心菌种可为宿主发挥更高的生产效率[17]。高饲料效率的奶牛产琥珀酸丝状杆菌Fibrobacter succinogenes可产生多种酶来降解纤维素、半纤维素等多种类型的碳水化合物，生成乙酸、丁酸等，为宿主提供能量，其丰度与RFI存在负相关[19]。肉牛瘤胃微生物操作分类单元（OTUs）属于Prevotellaceae和Lachnospiraceae科水平，可以预测27.7%ADFI和32.5%ADG变异值[21]。瘤胃微生物结构、组成是影响饲料效率的重要因素，阐明瘤胃微生物、代谢功能，为提高饲料效率提供新的思路。因此，瘤胃微生物与反刍动物饲料效率关联紧密，在不同日粮配比、组成等条件下，瘤胃微生物组成与饲料效率关联机制有待于进一步认识和挖掘。

除探明与饲料效率相关的瘤胃微生物结构动态变化之外，弄清这些菌群的功能和代谢产物，也有助于了解反刍动物获得能量的变化和饲料效率的差异。瘤胃代谢活动的不同与饲料效率差异相关联，高效牛瘤胃丙酸、丁酸、戊酸、异戊酸和总SCFA的浓度更高[17]，瘤胃丁酸浓度增加与牛饲料效率的提高正相关，低RFI公牛瘤胃内含有更高浓度的丁酸，且具有较高的瘤胃上皮厚度[29]，低RFI牛瘤胃中较高丁酸浓度可能会增加瘤胃表面吸收面积，从而增加SCFA的吸收和能量的提供，瘤胃上皮细胞对SCFA的吸收增加与高饲料效率有关[30]，低RFI的牛瘤胃上皮细胞转录活性上调也表明，营养吸收率更高，瘤胃产丁酸的丁酸弧菌属与RFI呈负相关[19]。此外，与饲料效率相关的瘤胃微生物功能分析表明，微生物多个基因参与宿主-微生物相互作用酶的生成、氨基酸和维生素的合成、氨基酸和蛋白质的降解、遗传信息处理相关酶和膜的生成[31]。反刍动物和瘤胃微生物之间的共生关系对于将低质量饲料转化为高质量的最终产品至关重要。基于瘤胃微生物宏基因组和代谢组检测技术，认识、阐明和丰富了特定的瘤胃微生物结构、代谢功能，为深入开展瘤胃微生物属、种多样性及其代谢物研究提供了重要的技术借鉴和经验积累，可为改善饲料效率提供新的机会。

3 瘤胃微生物与甲烷排放的关联性

甲烷是一种温室气体，其全球温室效应变暖潜力是CO2的28倍，而反刍动物的甲烷排放量约占畜牧业总甲烷排放量的81%，其中90% 是由瘤胃微生物甲烷菌产生[32]。瘤胃是反刍动物甲烷的主要来源，其相关的瘤胃微生物结构与甲烷排放量密切相关（表2）。

3.1 产甲烷菌与甲烷排放 古菌是甲烷排放最密切相关的瘤胃微生物种类，在瘤胃中所占比例较小，约占1.7%。瘤胃产甲烷古菌Methanogenesis属于一类进化独特、生长缓慢的厌氧古菌[42]。瘤胃甲烷的生成主要有2种途径，均由产甲烷菌参与进行。其一是H2-CO2氧化还原途径，将原虫、细菌和真菌产生的H2和CO2转化为甲烷，主要通过甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）的Mbb.smithii、Mbb.gottschalkii、Mbb.millerae、Mbb.Thaueri、Mbb.ruminantium和Mbb.olleyae等转化，还有Methanosphaera、Methanimicrococcus和Methanobacterium属；其二由甲酸、乙酸、丁酸等挥发性脂肪酸和甲醇、乙醇等的甲基作为甲烷菌的底物产生甲烷，是由少量的Methanosarcinales、Methanosphaera和Methano massiliicoccaceae等产甲烷菌产生[43]。一些研究采用宏基因组学和Q-PCR技术测定表明，瘤胃甲烷菌的总丰度与甲烷排放量在奶牛和绵羊中没有相关性[34,36]，在肉牛中相关性不大[33,35]。反刍动物甲烷排放量与瘤胃古菌群落组成及其各自的丰度有关，但与其总丰度相关性不大[43]。许多研究表明，Methanobrevibacter相对丰度与甲烷排放之间存在正相关关系[34,44-45]。而绵羊瘤胃Methanosphaeraspp在总古菌中的比例与甲烷产量呈负相关[46]。因此，甲烷的排放量至少部分是由于瘤胃内某一种或某些中产甲烷古菌丰度的变化而引起的。

表1 瘤胃微生物与饲料效率关联性

表2 瘤胃微生物与甲烷排放关联性

3.2 纤毛原虫 纤毛原虫降解瘤胃中的碳水化合物可产生大量的代谢H2，而甲烷菌主要利用这些H2还原CO2生成甲烷，所以甲烷菌为了更有效获得H2，需要紧密附着在纤毛虫表面或进入纤毛虫胞体内共生[24,47]。瘤胃原虫的数量与甲烷排放量之间是否存在相关性尚有争议[48]。Guyader等[49]采用meta分析发现，原虫数量与甲烷排放量存在着极强的正相关（R=0.96），从瘤胃驱除纤毛原虫来减少甲烷的排放研究取得了一定效果。但也有些报道驱除原虫对减少甲烷排放的效果并不理想[50]。与古菌类似，某一种或某一些原虫的属或种及其相关的古菌可能与甲烷的生成相关联。一般来说，原虫定植的古菌是由Methanobrevibacterspp控制，原虫定植的古菌和原虫非定植古菌的丰度存在差异[51]，不同原虫定植的古菌丰度也不同，可能是导致生成甲烷不同的原因。因此，评估瘤胃原虫与甲烷生产量的关系时，进一步证实与其定植的古菌组成和丰度非常必要。

3.3 甲烷生成相关细菌 Kittelmann等[46]报道了绵羊丙酸生成菌Quinella ovalis、乳酸和琥珀酸生成菌Fibrobacterspp.、Kandleria vitulina、Olsenellaspp.、Prevotella bryantii和Sharpea azabuensis丰度与甲烷排放负相关，Ruminococcus、Lachnospiraceae、Catabact eriaceae、Coprococcus、Prevotella和Alphaproteobacteria丰度与甲烷排放正相关。不同OTUs的Prevotella与甲烷的生成存在正或负相关[34,52]。Ross等[53]研究发现在奶牛日粮中添加单宁可显著提高瘤胃Faecalibacterium prausnitzii的丰度，降低甲烷排放。

3.4 厌氧真菌 厌氧真菌像原虫一样，可以在瘤胃内降解碳水化合物产生H2、CO2、甲酸、乙酸和乳酸等代谢产物，而产甲烷菌则利用这些代谢产物生成甲烷。Kittelmann等[46]观察绵羊甲烷排放与真菌群落结构没有相关性。然而，在RuminOmics项目中统计结果初步表明，2种Caecomyces communis和Neocallimastix frontalis真菌与产甲烷作用呈负相关[35]。Newbold等[52]通过meta-分析指出，瘤胃真菌丰度下降是降低甲烷排放量的重要因素之一，这种减少是否是由真菌引起甲烷降低的主要或直接原因尚不清楚。

4 营养调控

4.1 饲料效率与甲烷 甲烷不能被反刍动物利用而被排放到环境中，其排放也就意味着机体能量的损失，占总摄入能的2%～12%，这些能量在饲料转化为瘤胃发酵产物的能量守恒理论上可用于动物的生产[54]，因此降低甲烷排放不仅有助于提高动物的生产效率还有利于环境保护。对肉牛来说，饲料效率与甲烷产量负相关，饲料效率高的肉牛产生较低的甲烷量[55]，且有研究发现肉牛饲料效率和瘤胃微生物丰度的改变引起了某些普雷沃氏菌变化[14,16]，因此阐明瘤胃普雷沃氏菌的作用及其不同种类对瘤胃发酵和甲烷的产量非常必要。Shabat等[17]在饲料效率低的奶牛瘤胃中发现埃氏巨型球菌丰度较高，该菌能发酵多种可溶性碳水化合物，利用丙烯酸途径将乳酸分解为丙酸，表明该菌在乳酸的生产和利用中引入了一种无效的循环和能量效率低的过程，增加了甲烷生成。通过营养调控瘤胃微生物，改善饲料效率和减少甲烷排放是反刍动物生产增效减排的有效措施[51]。

4.2 瘤胃微生物营养调控 瘤胃微生物可将低质量的纤维植物粗饲料转化为可吸收的单糖和SCFA，为反刍动物提供主要的能量。研究表明，即使瘤胃微生物组成发生微小的变化，也会对反刍动物的营养利用、生产效率和甲烷排放产生巨大影响[56]。调节、移植和重建肉牛瘤胃微生物的诸多研究表明（表3），评估瘤胃微生物的组成和功能、代谢产物及瘤胃上皮组织吸收营养物质的机制，是通过有效调控瘤胃微生物来提高肉牛饲料效率和减少甲烷排放的必要途径和技术手段。

已有诸多研究尝试调节和优化瘤胃微生物，但至今仍存在挑战和争议（表3）。近年来，人们对此领域不断探索，试图改变日粮来调节和调控瘤胃微生物，已经取得了不同程度的成功，但还没有实现持久的变化。而日新月异的技术手段使得分析瘤胃微生物对反刍动物特性精细的影响成为可能。日粮是影响反刍动物瘤胃微生物组成最大的外部因素[5]。当然，在一特定的日粮组成条件下，添加适宜的饲料添加剂也是调节和调控瘤胃微生物和反刍动物特性的重要途径之一。以往的生产和研究表明，使用饲料添加剂可以改变反刍动物的生产特性，这可能改变了瘤胃微生物群落结构及丰度。饲料添加剂也可用于直接改变瘤胃微生物群，进而改善反刍动物的生产性能和甲烷排放。通常使用的饲料添加剂包括抗生素（莫能菌素等）[57]、益生菌（真菌类、芽孢杆菌类和乳酸菌类等）[58-59]、植物次级代谢物（单宁、皂甙、挥发性油等）[64-66]，这些饲料添加剂已被广泛用于改变瘤胃发酵、微生物群落和反刍动物营养生理，以多种方式起作用来提高反刍动物的饲料效率和生产性能，但应用效果不尽相同，其主要原因可能是日粮粗精比不同及其粗饲料质量的差异引起的。借鉴人体肠道成功定植细菌的研究[67]，因不同生境微生物生态学原理具有相似性，可能对接种稳定的微生物来调节瘤胃微生态系统开辟一条新途径。因此，根据反刍动物摄食不同的日粮作为瘤胃微生物发酵底物，添加不同的瘤胃调节剂是改变瘤胃微生物组成、改善瘤胃发酵和代谢物、增加瘤胃微生物蛋白合成、提高营养物质利用率、饲料效率和减少甲烷排放的有效营养途径。

表3 调控瘤胃微生物的相关研究

5 小 结

瘤胃微生物生存于特殊的生境条件下，采用宏基因组学（特别是高通量扩增子测序）的优势在于其成本低，能够将每个样品获得数百万个读数序列来表征微生物群落信息，但微生物的功能特征和代谢机制尚未得到很好诠释。然而，随着宏转录组学和代谢组学等技术的发展，在瘤胃微生物研究方面也逐渐得到充分的探索和应用，这一局限性也在不断解决，增加了人们对微生物生态学的理解。因此，未来各个组学技术可以揭示微生物与瘤胃生态环境特征、反刍动物各性状之间的联系，这些认知即可被用来估计多种因素对瘤胃微生物组成及其丰度的影响，也可提供瘤胃环境系统对宿主代谢响应的见解。利用宏基因组学、代谢组学与生物信息学及微生物纯培养技术相结合，可具体探究瘤胃环境中一种类或一属类微生物的代谢与作用机制。此外，以往的研究仅关注瘤胃细菌，忽略了作为真核生物的真菌和原虫对瘤胃的影响。这些微生物相互作用对反刍动物的生产效率和甲烷排放影响非常大，若不考虑真核生物，一定会对瘤胃微生物组代谢功能的理解和认知有所限制。利用多组学技术加深研究和探索瘤胃微生物、反刍动物瘤胃下游的消化道部分-其他胃和肠道微生物及相互作用的了解，对探索和开发改善畜牧反刍动物的生产效率和减少环境污染影响的新方法至关重要。因此，可以使用以上日益成熟的组学方法结合不断发展的仪器分析和生物信息技术，进一步揭示反刍动物“瘤胃黑箱”微生物组-营养代谢-饲料效率、甲烷排放-宿主深层的关联机制。