瘤胃液移植技术及应用的研究进展

张定然，吴 燕，邢小光，徐鸿润，齐智利

（华中农业大学动物科技学院，湖北武汉 430070）

瘤胃作为反刍动物特有的消化器官，栖息在瘤胃中数量巨大且复杂多样的微生物群与宿主以共生关系构成了一个“复杂有机体”。瘤胃菌群可以降解牧草中难以被宿主消化分解的纤维素、半纤维素、木质素和果胶等复杂结构多糖[1]，产生宿主生长、维持、繁殖等生理活动所必需的营养物质，对反刍动物免疫功能和整体生产效率的维持发挥着至关重要的作用。瘤胃菌群会受到宿主的生理状况、日粮、环境等多种因素影响，对瘤胃微生物群落进行干预调整来提高宿主饲料利用率、改善机体健康状态、改变生产产品特点等。瘤胃液移植（Rumen Fluid Transplantation，RT）是指将供体动物瘤胃液所包含的微生物群落作为整体经过一定手段移植到受体瘤胃内，以改变或重塑受体动物瘤胃内的微生态结构[2]。本文从反刍动物瘤胃微生物的组成与功能、瘤胃液移植的方法及应用进行综述，以期为后续通过瘤胃液移植改善肠道菌群紊乱、提高生产性能、治疗营养代谢疾病等提供理论参考。

1 瘤胃微生物的组成与功能

1.1 瘤胃微生物的组成 瘤胃是一个复杂的动态生态系统，主要由厌氧细菌、原虫、厌氧真菌、产甲烷古菌和噬菌体组成[3]。每毫升的瘤胃液中有1010～1011个细菌，占瘤胃微生物数量的95% 以上[4]。Henderson 等[5]对来自世界各地的742 个样本进行了瘤胃和前肠微生物群落组成的测定，结果发现细菌中最丰富的7 种细菌组占所有细菌序列数据的67.1%，可以认为是瘤胃的“优势菌”，分别是普氏菌属（Prevotella）、丁酸弧菌属（Butyrivibrio）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）、未分类毛螺菌科（Lachnospiraceae）、疣微菌科（Rumin ococcaceae）、拟杆菌目（Bacteroidales）、梭菌目（Clostri diales）。瘤胃古细菌主要由严格厌氧的产甲烷的微生物组成，被称为产甲烷菌，且大部分（92.3%）可分为3 个属级类群，分别是甲烷短杆菌（Methanobrevibacter）（61.6%）、甲烷微菌属（Methanomicrobium）（14.9%）、未被培养的瘤胃古细菌群（RCC）（15.8%）[6]。每毫升的瘤胃液中原虫数是105～106个，虽然数量较少，但占瘤胃生物量近50%[7]，由纤毛虫和鞭毛虫组成，大多数是纤毛虫，内毛虫属（Entodinium）是瘤胃原虫的优势属[8]。真菌可能占瘤胃微生物生物量的5%～20%[7]。

1.2 瘤胃微生物与宿主生产性能 瘤胃中复杂的共生菌群是饲料成分分解的主要原因，反刍动物约70% 的代谢能来源于饲料微生物发酵[9]。有多项研究表明，瘤胃微生物群与反刍动物的饲料效率[10]、产奶量和奶成分[11]等生产性能有关。Li[12]研究发现，低饲料效率肉牛中毛螺菌科（Lachnospiraceae）、乳杆菌科（Lactobacillaceae）和韦荣球菌科（Veillonellaceae）的丰度显著高于高饲料效率肉牛。Mu 等[13]对高产奶牛和低产奶牛的肠道细菌典型特征和瘤胃代谢物图谱分析发现，与低产奶牛相比，高产奶牛的细菌丰富度和物种均匀度较低，但在门水平上，高产奶牛组变形杆菌门（Proteobacteria）丰度显著增加，降低了拟杆菌门（Bacteroidetes）、微菌门（Verrucomicrobia）、广古菌门（Euryarchaeota）、浮霉菌门（Planctomycetes）和绿弯菌门（Chloroflexi）丰度降低；而在属水平，高产奶牛组瘤胃液中丁酸弧菌属（Butyrivibrio）、毛螺菌属（Lachnospira）和小杆菌属（Dialister）含量显著高于低产奶牛组。Jami 等[14]通过对奶牛的生产参数与瘤胃微生物的组成分析发现，厚壁菌门（Firmicutes）与拟杆菌门（Bacteroidetes）的比率与牛奶日乳脂率密切相关。对不同饲料效率的牛瘤胃微生物群进行研究发现，不同组之间的厚壁菌门（Firmicutes）和黏胶球形菌门（Lentisphaerae），以及琥珀酸乳杆菌属（Succiniclasticum）、乳酸菌属（Lactobacillus）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）和普氏菌属（Prevotella）的种群数量发生了显著变化，表明瘤胃菌群组成与结构影响肉牛的饲料效率[15]。研究表明，虽然奶牛的饲料消化率和产奶量相似，但其甲烷（CH4）的产生量不同，这与个体间的瘤胃菌群差异有关，与CH4高排放奶牛相比，CH4低排放奶牛的变形杆菌门（Proteobacteria）的丰度较高[16]。通过反刍动物瘤胃菌群与生产性能的相关性研究，可阐述不同菌群对生产性能的贡献进而通过特定菌群进行精准调控。

1.3 瘤胃微生物与宿主健康 共生菌群在哺乳动物胃肠道中具有多重作用，其通过与黏膜表面的直接或间接作用而有益于宿主生理[17]。瘤胃在出生时是无菌状态，分娩后，微生物在无菌的哺乳动物胃肠道中定殖。微生物定植是一个复杂的过程，受宿主与微生物之间的双向互作，以及包括母体微生物群、分娩过程、饮食和抗生素等多种外部因素的影响。在最初定植之后，持续暴露于宿主特异性微生物不仅对于宿主黏膜免疫系统的发育和成熟至关重要，而且对动物的营养和健康也至关重要[18]。黏膜免疫系统包括物理屏障（黏膜层、上皮）、化学屏障（抗菌肽、分泌型IgA）和模式识别受体[toll 样受体（TLR）、NOD 样受体]，以及一系列免疫细胞[19]。微生物组成在维持瘤胃微生物生态系统的稳定性方面起着重要作用，微生物-TLR-细胞因子轴参与了维持胃肠道生态系统的稳定性[20]。瘤胃上皮-血管界面吸收微生物发酵产物，也作为选择性屏障，防止细菌、细菌毒素和免疫原性因子的易位和全身性传播。当瘤胃微生物失衡时瘤胃酸度和渗透压增加，甚至导致上皮和血管内皮屏障完整性的破坏，从而促进细菌或细菌抗原进入门静脉诱发局部或全身性炎症[21]。瘤胃发育中的菌群定植过程是瘤胃功能实现的关键，而瘤胃功能是断奶的先决条件，进而影响消化的效率和稳定性。瘤胃发育不良或不足会对营养物的消化吸收产生不利影响，甚至会导致呼吸道疾病和腹泻等疾病[22]。在瘤胃的早期发育中，微生物也发挥重大作用，其驱动的乙酸和丁酸的产生介导了瘤胃上皮中与生长相关信号通路的调控，促进了瘤胃上皮生长和乳头形态发育[23]，进而提高幼龄反刍动物断奶期对能量和营养物质的吸收和利用。

2 瘤胃液移植的方法

稳定性和可塑性是瘤胃微生物的特点，稳定性保证反刍动物正常的生理机能状态和生产性能，可塑性为调控瘤胃微生物提供了条件。在人类和其他单胃动物的研究中，粪菌移植已经成功用于治疗复发性艰难梭菌感染[24]、结肠炎[25]等，胃肠道微生物对于机体健康的作用越来越受到重视，粪菌移植成为治疗肠道菌群失调的一种重要治疗方法。瘤胃液移植相较于粪菌移植起步较晚，之前一直备受争议，但是随着对瘤胃微生物研究的深入，瘤胃液移植成为提高反刍动物生产性能，改善机体健康的可行方法。

瘤胃液移植没有严格的执行标准，应用目的不同时可采用不同的瘤胃液采集方式。当用于移植的瘤胃液需要量较少时，可以通过健康动物嘴里的反刍食团获得，或者通过采样胃管经反刍动物食管插入瘤胃中抽取[26]。对于移植瘤胃液需要量比较大时，一般将供体牛屠宰或者经过瘤胃瘘管来获得移植的瘤胃液[27-28]。安装有瘤胃瘘管的动物作为供体和受体，可以方便获取大量的瘤胃液，且比未安装瘤胃瘘管的动物通过采样胃管获取瘤胃液造成的应激小。需要注意的是，在屠宰场获得的供体瘤胃需要提前进行筛选，以免引入禽型分支杆菌、沙门氏菌、隐孢子虫或大肠杆菌等感染性病原体[26]。

用于移植的瘤胃液pH 应在5.5 或者更高，低pH会降低瘤胃液中的原虫数量，且应避免使用泡沫较多的瘤胃液。收集好的瘤胃液用无菌纱布或大筛子过滤掉大颗粒物后，保证里面含有足量的细菌、原虫和真菌。在条件允许的情况下，最好将处理后的瘤胃液立即移植给受体动物，建议在瘤胃液采集之后30 min 内[2]，同时操作要尽量迅速，减少受体牛的应激反应，注意动作轻柔，不要对肠道壁造成损伤。但也有研究将瘤胃液在冷冻条件下保存，使用冻干瘤胃液进行移植[29]。使用冷冻后的瘤胃液要注意厌氧条件下操作，避免损失过多的厌氧菌，影响移植结果。

3 瘤胃液移植的应用

3.1 瘤胃液移植对生产性能的调控 瘤胃微生物的组成和功能特点与反刍动物的生产性能密切相关，通过瘤胃液移植，能更加了解瘤胃微生物与宿主间的相互作用，更好发挥动物的生产性能。野牛与肉牛相比具有更强的消化纤维的能力，对低质量（粗蛋白质＜7%）日粮的利用能力更强[27]。Ribeiro 等[27]将野牛的瘤胃内容物2次移植到肉牛瘤胃中，替换了肉牛瘤胃中70%内容物，发现移植后肉牛的纤维消化率没有改变，但改变了肉牛瘤胃的微生物组成和代谢，提高了蛋白质消化率和氮保留率，改变了挥发性脂肪酸的比例，改善了瘤胃发酵指标。He 等[30]将野牛瘤胃内容物移植给肉牛，结果表明移植有利于肉牛对纤维饲料的消化。蒋涛[2]将泌乳高峰期健康奶牛的瘤胃液移植给干奶期奶牛，发现受体瘤胃和直肠中微生物生态结构和相对成熟度迅速接近供体奶牛，奶牛食欲增强，采食行为变得积极，从而改善了机体的代谢。Weimer 等[31]将产奶效率不同的3 对奶牛进行大约95% 瘤胃内容物的交换，发现瘤胃液交换会导致交换双方产奶效率的改变，提示通过瘤胃液移植可以改善奶牛的产奶效率。

3.2 瘤胃液移植对幼龄动物生长发育的影响 反刍动物早期胃肠道微生物定植对宿主胃肠道发育和成熟至关重要，许多研究都倾向于通过早期饮食干预来调控牲畜的胃肠微生物组，以改善宿主的营养和健康，近年来瘤胃液移植对早期微生物定植的作用受到重视。Yu 等[32]将从成年绵羊收集的瘤胃液经软硅胶管多次接种（断奶前或断奶期间）到幼羊羔的瘤胃，影响了羔羊瘤胃微生物的聚集，断奶前接种促进羊肚菌（Moryella）、无针毛菌属（Acetitomaculum）、毛细菌属4（Tyzzerella 4）、琥珀色毛细菌属（Succiniclasticum）等的定植，断奶期接种促进了乳酸菌属（Succiniclasticum）、普雷沃氏菌科UCG-003（PrevotellaceaeUCG-003）、普氏菌1（Prevotella 1）等的定植。张鑫[33]给新生犊牛多次灌服健康成年牛的瘤胃液，发现接种瘤胃微生物降低了犊牛的腹泻率，显著改变了瘤胃发酵挥发性脂肪酸的比例，且趋向于促进瘤胃乳头发育的发酵模式，还促进了十二指肠的发育。Yu 等[29]的研究表明，将从成熟反刍动物身上获得的冻干瘤胃液接种给新生羔羊，显著提高了断奶前羔羊对饲料干物质和粗蛋白质的表观消化率，且断奶后羔羊对粗蛋白质的表观消化率仍高于对照羔羊，还促进了羔羊下消化道（盲肠和结肠）和肝脏的发育。综上，幼龄反刍动物的瘤胃微生物群具有相当大的可塑性，接种成年动物的瘤胃液可以促进形成完整成熟的瘤胃微生物区系，潜在促进动物生长。

3.3 瘤胃液移植对消化紊乱的影响 酸中毒是反刍动物常见的瘤胃消化系统疾病，能够扰乱瘤胃微生物稳态和降低瘤胃上皮功能，最终导致动物生产性能显著下降，带来巨大的经济损失。目前，瘤胃液体移植已成功应用于治疗反刍动物的消化紊乱，但其在瘤胃微生物稳态和宿主功能中的作用机制尚不清楚。Liu 等[28]对低聚果糖输注诱发瘤胃乳酸性酸中毒的绵羊进行瘤胃液移植，结果发现移植可引起瘤胃发酵的动态变化，增加总挥发性脂肪酸的浓度，但降低瘤胃中乳酸和脂多糖（LPS）含量，减轻急性瘤胃酸中毒引起的瘤胃上皮的损伤，使机体从酸中毒状态加速恢复到与供体相似的健康水平，促进了瘤胃细菌稳态的快速重建。Jasmin 等[34]对2 只绵羊仅饲喂小颗粒饲料，导致其出现瘤胃酸中毒相一致的临床体征，并伴有瘤胃运动性降低、厌食、瘤胃原虫数量下降等，给试验羊移植正常健康羊的瘤胃液后，试验羊的瘤胃消化功能很快完全恢复。瘤胃液移植还可作为皱胃左移恢复手术之后的辅助治疗。Rager 等[35]发现，术后进行瘤胃液移植奶牛的干物质采食量和产奶量高于对照组，且酮尿症程度更低。

对经典饮食（高精料/低粗料）引起的乳脂降低的奶牛进行瘤胃液移植，发现乳脂降低牛恢复正常乳脂的速度有所加快，说明瘤胃微生物菌群移植可有效干预饮食引起的乳脂减少的代谢紊乱[36]。瘤胃液移植还对抗生素导致的奶牛胃肠道微生物紊乱具有改善作用[37]，这为解决受到抗生素干扰的胃肠道菌群恢复提供了思路。对经过长时间运输的牛进行瘤胃液口服移植能够提高其干物质采食量，降低运输应激的影响[38]。

4 小 结

反刍动物瘤胃微生物群结构和功能的变化对其健康和生产性能有重要影响。通过瘤胃液移植改变或重塑受体瘤胃或肠道微生物群落结构，对反刍动物的生产性能、消化紊乱和幼龄动物生长发育等方面都有着积极的作用。瘤胃液移植虽然目前还处于起始阶段，但其作为重要的营养调控手段越来越受到重视。瘤胃液移植过程中，理想供体的选择、瘤胃微生物的宿主特异性、供体肠道微生物结构的抗性、微生物间的相互作用及不同种属微生物瘤胃定植能力的差异等问题都需要进一步研究，以提高移植效率。瘤胃液移植发挥作用的同时，应对供体及受体动物移植前后的微生物区系进一步分析，更好地了解发挥功能的特异性菌群及宿主与微生物间的相互作用，以便通过胃肠道微生物区系对反刍动物进行更加精准的调控。随着多组学技术和高通量测序等生物技术手段的发展，以及对瘤胃液中具有特定功能的菌群进行选择及体外培养研究，瘤胃微生物的定植发育和结构功能将更加明确，瘤胃液移植也将走向特异性功能菌群移植的方向。