高精料饲粮对反刍动物消化道结构与功能的影响研究进展

■陈乐祥 杨 斌 萨茹丽 敖长金

（1.内蒙古农业大学动物科学学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区农牧业科学院兽医研究所，内蒙古 呼和浩特 010031）

近年来，反刍动物养殖业正以优品质、高产量、早出栏、快育肥的养殖基调迅速发展，但优质粗饲料资源匮乏是长期以来制约牛羊业发展的“卡脖子”问题。在现代畜牧业发展中，为了快速提升家畜的生产性能和弥补优质粗饲料缺乏的现状，生产者会在饲粮中大幅提升精料的使用比例以达到生产目的。但长时间饲喂高精料饲粮会使反刍动物瘤胃内产生大量的挥发性脂肪酸（VFA），导致瘤胃pH下降，造成反刍动物采食量下降、腹泻、瘤胃酸中毒（SARA）、蹄叶病、肝脏脓肿病变等一系列不良反应与并发症（Snyder等，2017；Oetzel 等，2017；柳君辉等，2018）。胃肠道pH的非正常改变直接导致原有正常微生物区系组成改变，其中革兰氏阴性菌死亡释放的大量脂多糖（LPS）通过破损的上皮屏障进入血液，血液中LPS 浓度升高使细胞免疫处于主导位置，进而引发全身炎症与病变（Aperce 等，2016；Li 等，2018；张芮铭等，2020）。全身性的炎症反应会使机体将所摄取的营养物质及原有的储备重新分配，使更多的营养用于合成免疫物质，造成生产性能下降（Zhou等，2014）。

高精料饲粮无固定精粗比例，大部分学者将饲粮精粗比低至55∶45、高至80∶20的范围都统称为高精料饲粮（孙福昱等，2019；Xue 等，2020；Neubauer 等，2018；田靖，2016；高雨飞，2016），有研究表明牛（潘晓花等，2013）、羊（李弘伟等，2017）采食高精料饲粮精粗比分别为70∶30和60∶40时会引起亚急性瘤胃酸中毒。因此，研究高精料饲粮对反刍动物胃肠道组织形态、微生物区系和上皮屏障等的影响及其作用途径，能更准确把握饲粮中精粗比例的配制，对提高反刍动物的机体健康水平和养殖业经济效益具有重要意义。

1 高精料饲粮对反刍动物瘤胃结构与功能的影响

1.1 对瘤胃组织形态的影响

瘤胃的乳头长度、角质层厚度、上皮总厚度等表观组织形态是衡量瘤胃消化吸收功能的重要指标。长期饲喂高精料饲粮对山羊瘤胃上皮细胞会造成较为严重的结构性破坏，表现为瘤胃上皮角质层过度角化或角化不全，以及细胞大量坏死脱落，颗粒层细胞厚度降低，细胞间连接性减弱，不再致密，棘状层与基底层细胞坏死。在不超过21 d的高精料短期饲喂中，瘤胃上皮没有出现细胞坏死现象（Steele 等，2012；Steele等，2009；Steele等，2011）。

Suarez等（2006）研究表明，长期饲喂高精料饲粮会使犊牛瘤胃上皮角化不全、瘤胃乳头结块、吸收面积减小。王龙等（2013）用高精料饲喂犊牛，发现瘤胃上皮角化不全且呈黑褐色，瘤胃乳头受损并异常脱落。翁秀秀等（2013）以玉米秸秆加高精料饲粮饲喂奶牛，发现瘤胃乳头角质层有脱皮现象，颗粒层细胞间隙变大，致密性减弱，影响了瘤胃正常发育。在邬宇航（2013）的研究中，奶山羊发生SARA后，瘤胃角质层厚度以及瘤胃乳头的长度和宽度均显著降低。而在关于角质层厚度的研究中，程萌等（2016）试验结果则表明SARA会使瘤胃上皮角质层变厚；在关于瘤胃乳头的研究中，刘军华（2014）的研究则表明长期饲喂高精料饲粮导致瘤胃乳头长度增加，宽度变窄。在关于其他瘤胃上皮组织形态方面的研究中，如SARA会使瘤胃上皮颗粒层、棘状层、基底层和瘤胃上皮总厚度显著降低，经大量试验研究已成为大多研究者共识（Penner等，2010；Klevenhusen等，2013；Steele等，2012；姜雅慧等，2021）。

1.2 对瘤胃微生物区系的影响

瘤胃微生物区系的改变与饲粮组成、饲养管理模式息息相关。反刍动物长期采食高精料饲粮会造成瘤胃pH下降，大量瘤胃微生物因无法适应下降的pH而死亡，从而导致瘤胃微生物区系丰富度和多样性降低（Zhang等，2017）。Ji等（2016）通过给断奶羔羊饲喂不同精粗比的饲粮，研究对瘤胃微生物区系的影响，饲喂高精料饲粮的断奶羔羊瘤胃内细菌总数显著高于放牧组断奶羔羊，这表明断奶羔羊采食高精料有助于促进细菌生长和瘤胃的生态稳定。徐晓锋等（2019）研究表明，奶牛采食高精料饲粮导致瘤胃中细菌总数和多样性显著下降。Kim等（2018）研究表明，奶牛采食不同精粗比饲粮对瘤胃细菌多样性的影响差异性显著，精料比例提高瘤胃中微生物的多样性显著降低，与徐晓锋等（2019）研究结果一致。韩郭皓等（2021）研究了SARA 对绵羊瘤胃菌群的影响，在门的水平下高精料组中厚壁菌门、放线菌门和变形菌门丰度升高，拟杆菌门丰度降低。林波等（2016）研究表明，精粗比50∶50组与全粗料组相比，在科水平下瘤胃球菌科、黄杆菌科和双歧杆菌科丰度升高，普雷沃氏科丰度降低。Mao等（2016）研究表明，山羊采食占比50%的精料饲粮，瘤胃中厚壁菌门和绿弯菌门丰度高于无精料组，而拟杆菌门丰度低于无精料饲粮。李小玉等（2019）发现山羊发生SARA时厚壁菌门丰度增加，拟杆菌门丰度降低，与毛勇胜等（2015）研究结果相同。Plaizier 等（2017）研究表明，通过对奶牛瘤胃液的菌群进行高通量测序，采食高精料饲粮增加了厚壁菌门和放线菌门的相对丰度，降低了拟杆菌门和蓝细菌门的相对丰度。何玉鹏等（2014）对瘤胃甲烷产量的研究中发现，随着饲粮中精料比例的提高，甲烷产量显著降低，说明高精料饲喂可使影响瘤胃产生甲烷的甲烷短杆菌属的丰度降低。在对水牛瘤胃产甲烷菌区系的研究中发现，饲粮精粗比对瘤胃产甲烷菌在属水平上的组成无影响（林波等，2014）。

在饲喂高精料饲粮对瘤胃真菌区系变化的相关性研究中，胡丹丹等（2016）通过对奶牛瘤胃真菌区系的研究中发现，高精料饲粮极显著增加了瘤胃中新美鞭菌属、毕赤酵母属和瘤胃壶菌属的相对丰度，极显著降低了厌氧鞭菌属、曲霉属、根囊鞭菌属和枝梗鞭菌属的相对丰度。韩旭峰（2015）在山羊瘤胃真菌区系的研究结果中表明，饲粮中精料比例提高，根囊鞭菌属、瘤胃壶菌属、新美鞭菌属的丰度呈减少趋势。

1.3 对瘤胃发酵参数的影响

VFA主要由饲粮中的碳水化合物发酵而来，其中的95%为乙酸、丙酸和丁酸，因此可根据3种酸的浓度来判断瘤胃发酵程度，VFA的大量堆积又会引起瘤胃内pH 下降。氨态氮（NH3-N）为瘤胃微生物生长提供氮源，能反映饲料蛋白降解与微生物蛋白合成的动态平衡情况。秦正军等（2018）报道奶牛饲粮中精料水平越高，瘤胃内TVFA浓度、丙酸含量、NH3-N含量越高，而瘤胃pH、乙酸浓度则呈下降的趋势。杨艳等（2021）在牛瘤胃体外发酵试验中发现，随着发酵底物中精料水平的提高，乙酸浓度降低，TVFA、丙酸和丁酸浓度升高。另外添加一定量烟酸能够提高瘤胃pH、NH3-N、TVFA和丙酸浓度，降低了乙酸/丙酸值，具有调控瘤胃酸代谢类型的 作 用。Polyorach 等（2014）和GIger-Reverdin 等（2014）研究发现，瘤胃中TVFA、丙酸和丁酸含量变化与饲粮中精料比例呈正相关，而乙酸含量变化趋势呈现负相关。杨靖等（2019）研究发现，奶牛在高精料饲粮模式下乙酸/丙酸值和瘤胃pH 显著降低，丙酸浓度显著提高，TVFA浓度呈现上升趋势，乙酸浓度呈现下降趋势。艳城等（2019）对细毛羊的研究表明，当饲粮中非纤维性碳水化合物（NFC）/中性洗涤纤维（NDF）值水平增加时，瘤胃中乙酸浓度随之下降，TVFA、丙酸和丁酸浓度随之上升，与瘤胃中VFA吸收相关的基因DRA和NHE3的表达量显著上调，基因NCT4的表达量下调。

瘤胃pH受饲粮构成、VFA浓度、反刍次数等的影响，是衡量瘤胃发酵水平的最直观指标（耿春银等，2016）。孙福昱等（2019）研究表明，高精料饲喂组pH与低精料饲喂组相比较低，同时作者试验证明在高精料饲粮中添加海带粉可以有效提高瘤胃pH，降低NH3-N 浓度。Serment 等（2011）研究发现，随着精料水平的提高，山羊瘤胃中NH3-N 的浓度和瘤胃pH 逐渐降低。陈志龙等（2016）研究结果表明随着精料比例的提高，在绵羊的体外发酵中瘤胃VFA浓度随之增加，瘤胃pH 和NH3-N 浓度随之减少。在不同精粗比的基础上添加甘露寡糖，结果显示甘露寡糖对瘤胃NH3-N浓度影响甚微，其主要受精粗比例的影响。李岚捷等（2017）研究发现增加饲粮中非纤维性碳水化合物/中性洗涤纤维（NFC/NDF）值的水平可增加微生物的活性，提高饲料中蛋白质的利用率使瘤胃中NH3-N浓度降低。而戴文东等（2021）通过饲喂不同精粗比饲粮对育肥前期牦牛瘤胃发酵参数影响的研究中发现，提高饲粮中精料水平会产生大量VFA，导致瘤胃液pH降低。精粗比80∶20组的NH3-N含量显著高于精粗比65∶35组，高精料饲喂限制了瘤胃微生物的生长与定植，菌体蛋白（MCP）合成速率下降，导致高精料组中NH3-N 含量高于其他组。在刘洁等（2012）和丁静美等（2018）的研究结果中同样证明了NH3-N与NFC/NDF 值具有明显相关性，NH3-N 浓度会随着饲粮中NFC/NDF 值水平的提高而显著上升。一部分学者持有随着饲粮中NFC/NDF值水平的增加，NH3-N浓度随之降低的观点，认为饲粮中NFC/NDF 值水平的增加，增强了微生物利用NH3-N合成菌体蛋白的能力，导致NH3-N 浓度降低。而另一部分学者持有随着饲粮中NFC/NDF值水平的增加，NH3-N浓度会随之增加的观点，认为NFC/NDF 值水平的增加，微生物利用饲料蛋白质生成NH3-N 的速率高于微生物利用NH3-N生成菌体蛋白的速率。另外在瘤胃低pH环境下NH4+不易被瘤胃壁吸收，使瘤胃中NH3-N浓度增加。

1.4 对瘤胃屏障功能的影响

正常生理状态下，瘤胃上皮屏障具有限制有毒有害物质进入血液循环或其他组织器官的功能。然而饲喂高精料饲粮诱导产生的SARA 会损伤反刍动物的瘤胃上皮屏障，由SARA引起的瘤胃上皮高通透性和低pH 促进了脂多糖（LPS）和其他抗原等易位进入血液引起炎症反应，诱发乳房炎、蹄叶病、繁殖障碍等疾病（Aschenbach 等，2011；Gao 等，2016）。SARA 发生后会以破坏瘤胃上皮组织结构和改变导电性两种方式来影响瘤胃上皮的屏障功能（姜雅慧等，2021）。Steele 等（2009，2011，2012）用高精料诱导产生SARA后发现，瘤胃上皮总厚度明显降低，瘤胃颗粒层桥粒数目减少，细胞黏附程度降低，细胞间连接减少，使瘤胃上皮细胞间隙增大，上皮屏障遭到破坏。王娟等（2012）研究发现，饲喂高精料饲粮组的奶牛从形态学方面发现瘤胃上皮细胞间隙增大，上皮细胞间连接疏松，从基因检测方面发现紧密连接跨膜蛋白基因Claudin-1、Claudin-4、Occludin，间隙连接蛋白基因connxin43 和桥粒连接蛋白基因DSG1 mRNA 的表达量都相对减少，膜内连接蛋白基因ZO-1 mRNA 的表达量显著下调，影响了瘤胃上皮屏障功能。杨淑青（2014）对瘤胃上皮屏障功能的研究结果表明，发生SARA后奶山羊瘤胃上皮细胞间紧密连接蛋白Occlu⁃din、Claudin-1、ZO-1 mRNA 表达量和蛋白表达量与对照组相比均显著下降。Liu等（2013）研究表明山羊在高精料组中紧密连接蛋白Occludin、Claudin-4、ZO-1 mRNA 的表达量极显著下调，而Claudin-1 mRNA的表达量在长期高精料饲粮的饲喂条件下极显著上调，与上述研究结果不一致。Zhang 等（2019）研究表明，饲喂高精料饲粮导致的瘤胃上皮角质层脱落、上皮总厚度降低、细胞间连接性降低等情况可通过添加硫胺素缓解，同时饲粮中添加硫胺素可以下调基因MMP-2和MMP-9的表达，从而增强瘤胃上皮的屏障功能。Klevenhusen 等（2013）研究了SARA 对瘤胃上皮屏障功能的影响，SARA 发生后瘤胃上皮组织中的组织导电性和短路电流升高，在Penner等（2010）的研究结果中，组织导电性同样升高，但短路电流降低。

2 高精料饲粮对反刍动物肠道结构与功能的影响

2.1 对肠道组织形态的影响

小肠的绒毛高度、隐窝深度、黏膜厚度是评价小肠上皮组织消化吸收功能的典型指标，绒毛高度与小肠吸收面积呈正向相关，绒毛高度升高和绒毛高度/隐窝深度值上升均能反映出小肠消化吸收能力的提高。关于隐窝深度有学者认为隐窝深度变浅代表肠道上皮细胞的成熟率更高，分泌消化液的能力增强（吕小康等，2019；Li等，2002；朱晓春等，2014），而另一部分学者认为隐窝深度变浅时，表明分化成熟的上皮细胞消化吸收能力减弱，黏膜功能下降（Eid等，2003；魏子维等，2021）。

占金舜等（2019）在饲喂山羊不同精粗比饲粮的研究中发现，精料比例提高，十二指肠的绒毛高度/隐窝深度值和空肠的绒毛高度/隐窝深度值显著降低，回肠的绒毛高度、隐窝深度与低精料组相比无显著差异。李蒋伟等（2020）研究表明，精粗比70∶30的高精料饲粮饲喂藏羔羊可显著提高小肠绒毛高度以及促进隐窝发育，另外作者表示随着饲粮中精料比例的提高，藏羔羊小肠肌层、黏膜厚度随之增高，但并非精料越高越好，数据显示精粗比70∶30最有利于肠道发育。薛春旭（2017）对山羊采食高精料饲粮的研究结果显示，十二指肠、空肠、回肠的绒毛高度和隐窝深度都极显著提高，表明饲喂高精料饲粮有利于小肠上皮组织生长，空肠的绒毛高度/隐窝深度值降低，说明空肠黏膜受到一定损伤。王梦雅（2019）研究结果表明奶山羊发生SARA后，十二指肠和空肠的绒毛高度、隐窝深度和黏膜厚度均显著性提高，降低了十二指肠和空肠的绒毛高度/隐窝深度值，通过观察组织切片发现盲肠和结肠上皮表面出现严重的细胞凹陷和隐窝坏死。

2.2 对肠道微生物区系的影响

反刍动物肠道内存在着不同种类的微生物，它们通过相互间的竞争或协同作用维持着肠道内环境的稳态。目前，大部分学者对瘤胃内微生物区系的研究较为广泛，而涉及肠道内微生物群落的相关报道较为少见，Mao 等（2015）利用高通量测序法对荷斯坦奶牛后段肠道菌群进行研究，研究结果表明后段肠道中丰度最高的3 个菌群为厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门。通过对肉牛肠道中微生物测序产生的30 315个序列进行分析，厚壁菌门在小肠和大肠及粪便中占主导位置（De 等，2013），在厚壁菌门中，梭菌科（Clostridiaceae）在小肠中数量最多，瘤胃菌科（Ruminococcaceae）在大肠中数量最多（La等，2018）。高精料饲粮的饲喂模式下会改变反刍动物肠道内容物中细菌的丰度和多样性，对肠道的生态系统造成严重的负面影响（Wetzels，2015）。薛春旭等（2016）研究发现，饲喂高精料饲粮后拟杆菌门的基因表达量在山羊回肠中显著降低，在空肠中无显著影响；与干草组相比，高精料组中厚壁菌门的基因表达量在回肠、空肠中均无明显变化。Ye 等（2016）分别使用干草和精粗比为75∶25 的饲粮作为对照组和试验组，研究发现饲喂高精料饲粮后结肠黏膜上拟杆菌门数量增加，在属水平，Blautia含量增加而芽孢杆菌、肠球菌和乳球菌含量降低。在Tao等（2018）的研究中发现，饲喂高精料饲粮会引起属水平细菌的剧烈变化，在结肠内容物中，turicibacter、梭菌属、颤菌属、普氏菌属和拟杆菌属的丰度随着精料比例的提高而增加；然而瘤胃球菌属、Bulridia、5-7N15、mogibacterium和Blautia的丰度随着精料比例的增加而降低。在盲肠内容物中，梭菌属、turicibacter、SMB53、Mogibacteri⁃um、YRC22和Pseudoramibacter的丰度随着精料比例的增加而增加；而颤螺菌属、粪球菌属、Parabacteroides的丰度随着精料比例的增加而降低。Liu等（2014）分别使用纯干草组和高精料饲粮组作为对照组和试验组，研究表明饲喂高精料饲粮后盲肠内容物中的细菌丰度和多样性均降低，而在盲肠黏膜中并没有明显变化。

2.3 对肠道屏障功能的影响

完整的肠道屏障能有效阻止细菌、毒素等进入血液，在上皮屏障中完整的黏膜层、细胞间的紧密连接对维护肠道屏障功能起关键作用。有报道指出，山羊饲喂高精料饲粮可导致其结肠和盲肠表层上皮脱落、细胞间紧密连接蛋白mRNA 表达量下降，缝隙变宽、细胞核降解以及线粒体凹陷等形态结构的变化，从而影响上皮的屏障功能（Yan，2013；Tao，2015）。许婷婷（2014）研究推断，大量的可发酵碳水化合物进入盲肠使pH 下降、微生物区系发生改变、LPS 浓度升高，这些变化都可能破坏盲肠上皮屏障，诱发局部炎症发生。LPS可刺激肠上皮细胞上的TLR-4因子表达，诱导促炎性因子的产生介导黏膜组织损伤，进而导致肠道屏障损伤（Liu 等，2011）。饲喂高精料饲粮会导致肠道上皮促凋亡基因caspase-3和caspsae-8的表达量上调，结肠和盲肠上皮出现明显的细胞脱落和黏膜损伤现象，并且上皮细胞间隙明显增大，影响后肠上皮组织的紧密连接及通透性（Tao等，2014）。研究发现高精料饲粮能够降低盲肠黏膜上皮中增殖指标MK167、CCND2和Sox9基因的表达量，由此可见高精料饲喂能够抑制盲肠黏膜上皮细胞的增殖和细胞凋亡后的修复。然而，在结肠黏膜中并未检测到上述现象，出现此种现象可能是由于结肠和盲肠的生理功能、组织结构和微生物群落等不同所造成的（陶诗煜，2018）。

3 总结

饲喂高精料饲粮是满足家畜营养需求和提高生产性能较为直接有效的方式，但长期以此模式饲喂会使胃肠道内环境紊乱、损伤胃肠道结构、影响胃肠道功能以致发生营养代谢病。随着精料比例的提高，微生物菌群的丰度和多样性多呈下降趋势，对胃肠道屏障也造成了一定损伤。目前大多学者都以瘤胃来展开研究，笔者认为后期研究不应只局限于某一特定组织器官，应从整个消化系统入手，探索器官与器官之间的竞争作用和协作作用，使用代谢组学、基因组学等技术从整体上寻求突破。另一方面，可以通过寻找合适的植物提取物以及探索合理的饲料加工方式来缓解高精料饲粮对家畜产生的不良影响。