牦牛瘤胃微生物研究進展

梁澤毅，張劍搏，李 晨，丁學智

（中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所，蘭州 730050）

瘤胃是目前已知纖維素類物質降解速率最快的生物反應器，而牦牛作為常年生活于低壓缺氧、嚴寒、食物匱乏的青藏高原上的大型家畜，較其他反芻動物擁有更快的纖維素降解速率。相關研究表明，瘤胃發酵的效率越高，所合成的發酵終產物就越好。目前，研究者們采用傳統分離鑒定方法和分子生物學技術對牦牛瘤胃微生物的種類和數量進行了大量研究。發現牦牛瘤胃內部的微生物包括細菌、原菌、古菌、原蟲以及噬菌體等，若以細胞個數計算，瘤胃微生物的總細胞數是反芻動物自身細胞數的10倍以上［1］，通常情況下每毫升瘤胃內容物中有不同種類細菌數量1010～1011個、原蟲數量 105～106個、厭氧真菌（游離孢子數為 103～105個）和少數噬菌體它們相互作用與反芻動物共生［2］。Xue等［3］應用細菌16S rRNA基因和mcrA基因克隆文庫的高通量測序來研究瘤胃原核生物群落結構發現，牦牛瘤胃原核生物群落由29門，40綱，63目，77科和79屬組成，其中數量最多的是厚壁菌門、擬桿菌門以及變形菌門。Chevalier等［4］研究發現，疣微菌門可以幫助牦牛在寒冷脅迫下提高自身的能量轉化效率以抵御寒冷。但是瘤胃內的微生物關系錯綜復雜，這一巨大的微生物資源有待進一步發掘。因此，本文對牦牛瘤胃微生物的研究進展進行了綜述，旨在為牦牛瘤胃微生物資源利用提供參考。

1 不同品種牛瘤胃微生物間的差異

牦牛是世界上唯一能夠在海拔3 000～5 000 m的高山地區和亞高山地區生活的大型反芻動物，其天然的獨特性，引發科研人員的研究興趣。Ding等［5］研究發現，牦牛瘤胃中甲烷菌的多樣性高于其他反芻家畜。更早的研究證明，牦牛在長期進化過程中形成了適應青藏高原極端環境的特定機制，使其消化和代謝與其他反芻家畜有較大差異，這可能也是牦牛甲烷排放量較低的原因。安登弟［6］通過對牦牛瘤胃微生物基因組文庫構建16S rDNA生物多樣性的研究發現，牦牛瘤胃微生物以降解纖維素的微生物為主，降解淀粉的微生物較少；而黃牛的瘤胃中則分解纖維素的微生物較少，分解淀粉的微生物較多，這可能與牦牛生存環境和其采食有關。劉開朗等［7］通過對魯西肉牛、荷斯坦奶牛、晉南牛、牦牛、黃牛和Hanwoo六個不同品種牛的瘤胃微生物群落進行了比較分析，發現牛的品種是造成瘤胃細菌群落差異的重要因素，且品種對瘤胃細菌群落的影響大于日糧或其他因素。

2 不同年齡段牦牛瘤胃微生物的變化

在整個生命周期中，牦牛瘤胃微生物的數量、種類處于一種動態平衡狀態。反芻動物出生時其消化道微生物并不像成年反芻動物那樣豐富，出生時消化道內不存在厭氧細菌、厭氧真菌和原蟲，在與母體及外界環境不斷接觸的過程中，微生物區系才在瘤胃及其他消化道部位逐漸建立起來。?Rskov等［8］研究發現，每一生長階段的牦牛瘤胃微生物的數量和種類都存在差異，在哺乳階段牦犢牛瘤胃并未發育完全，只能通過食管溝反射將乳汁直接導入皺胃進行消化吸收，此階段牦牛的消化代謝方式與其他單胃動物相似，主要以化學消化為主，但隨著其年齡的增長、采食方式的改變以及各類瘤胃微生物的定植，逐漸形成了以分解纖維素類的微生物為主的瘤胃微生物。Mao等［9］研究發現，成年牦牛和老年牦牛瘤胃微生物古菌序列不僅有公共的序列，同時也有各自的特有序列，表明成年牦牛和老年牦牛的瘤胃微生物的種類存在差異。Jiao等［10］的研究結果表明，厚壁菌門在3個優勢種群（厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門）中所占的比例最高，不同年齡組之間維持在50%左右，而其他反芻動物則是以擬桿菌門為優勢菌群。但是擬桿菌門的增加呈現出了階梯式的增長，這也從另一方面證明瘤胃微生物的增長并不是只與年齡有關，也可能和采食的日糧類型有著密切的關系［11］。廣古菌門在牦牛瘤胃細菌/甲烷菌定植過程中隨年齡呈增加的趨勢。變形菌門主要負責降解日糧中的可溶性糖、脂肪和氨基酸。幼年牦牛以母乳作為唯一日糧，乳中富含這些營養成分。但是當牦牛開始采食牧草，其瘤胃微生物中變形菌門迅速降低。放線菌門和梭桿菌門也呈現出隨著年齡的增加而降低的趨勢，但是它們在牦牛瘤胃中的比例要高于其他反芻動物，在反芻動物出生時，瘤胃并不是嚴格的厭氧環境，需要高比例放線菌門來促使牦牛瘤胃更迅速地消耗掉瘤胃內的氧氣并建立厭氧的環境，讓牦犢牛更快形成穩定、成熟的瘤胃微生物環境，以適應惡劣的生長條件。Jami等［12］飼喂給6月齡和2周歲牛相同的飼料，發現2組牛的瘤胃微生物仍然存在顯著差異，表明在6月齡時，飼料種類對瘤胃微生物的影響明顯低于年齡對其的影響。Van［13］研究發現，在幼年和成年動物瘤胃中的細菌群落幾乎沒有共同的菌屬。這可能是因為在出生的最初幾天其瘤胃尚未開始活動，故沒有參與飼料的消化。細菌群落中的同組相似性隨著年齡的增長而增加。這表明成熟的瘤胃環境雖然更加多樣化，但是相對于原始環境，是一個更加特殊、更加均質的細菌群落。牦牛瘤胃微生物在牦牛的不同生長時期存在變化，這與其生長階段和營養來源有著密切的關系。

3 瘤胃微生物隨季節變化的規律

牦牛主要分布在青藏高原，其主要植被為高寒草甸，但是由于牧草冷季遠比暖季長，牧草生長期較短而枯草期較長，且牦牛飼養方式基本以放牧為主，致使牦牛處于“夏飽、秋肥、冬瘦、春乏”的循環［14］。在枯草期，牧草中的纖維含量高于暖季（夏季），牦牛為了生存就必須擁有更高效的消化系統，而瘤胃作為消化系統中主要的消化器官，其內部的微生物群系會伴隨著季節變化而產生微小的變動。有研究發現，反芻動物瘤胃中的疣微菌門在冷季的比例要高于暖季，大量的疣微菌可幫助機體在寒冷脅迫下提高機體的能量轉化效率，而黏膠球形菌門也有類似的趨勢，這兩種菌門可能在應對寒冷脅迫方面作用相同。牦牛瘤胃微生物的季節變化主要受所采食的牧草營養成分和環境氣溫變化。米見對［11］從門水平上研究了牦牛瘤胃微生物受季節影響的情況，發現不同季節牦牛瘤胃微生物的豐富度存在差異，見圖1。姚軍等［15］通過研究牦牛和藏羊瘤胃內纖毛蟲在冷季和暖季的變化，發現牦牛、藏羊瘤胃內的纖毛蟲在冷季時的數量明顯少于暖季，并且纖毛蟲的組成也存在明顯差異；纖毛蟲中降解纖維素的雙毛屬、前毛屬、頭毛屬在冷季占比高于暖季。牦牛瘤胃季節性的變化表明與外界環境有著密切關系。在食物短缺的冷季牦牛需要更多的能量維持生存，瘤胃中降解纖維素的菌種數量增多，纖毛蟲數量減少。

圖1 不同季節牦牛瘤胃細菌/古菌門水平的組成［11］

4 牦牛瘤胃微生物的影響因素

瘤胃作為一個重要的天然發酵罐，依賴瘤胃內大量微生物群體的協同作用，將反芻動物攝入的纖維類物質快速降解轉化成一系列機體所需的營養物質。瘤胃微生物作為可降解、轉化植物纖維素類物質效率最高的天然體系，也受各種因素的影響。Shanks等［16］的研究結果表明，不同飼喂條件下牛腸道內的微生物群落結構和種類都存在差異，且在不同飼糧條件下的微生物群體結構有明顯的不同。Shanks等［17］在體外人工模擬瘤胃發酵試驗中，采用特定氨基酸缺省底物的方法研究了微生物自身的限制性氨基酸，結果表明，氨基酸限制性作用的大小排序：支鏈氨基酸＞芳香族氨基酸＞蛋氨酸＞賴氨酸；細菌和原蟲內部菌群結構也發生了相應的變化。Bao等［18］研究發現，瘤胃正常發揮功能，主要依靠的是內環境的穩定，而pH值和揮發性脂肪酸對瘤胃內環境的穩定發揮著重要的作用，牦牛瘤胃內pH值保持在6～7，pH值的變化直接影響纖維素降解菌的活性。當pH值低于6.2時，纖維素的降解會受到抑制。許黛君［19］研究發現，揮發性脂肪酸也為瘤胃微生物提供了適宜的生存條件，牦牛瘤胃內的碳水化合物經過發酵產生揮發性脂肪酸，它是牦牛主要的能量來源，也是牦牛合成乳脂和體脂的原料。同時揮發性脂肪酸的存在又在調節瘤胃滲透壓和pH值等方面發揮了作用，為瘤胃微生物降解纖維素提供了良好的保障。瘤胃微生物的組成也受日糧精粗比的影響，精料飼養模式會增加瘤胃淀粉降解菌的數量，而粗料的供給會促進纖維降解菌的生長。楊宏波等［20］的研究表明，高精料全價顆粒飼料雖然對犢牛瘤胃TVFA、乙酸、丁酸和乙酸/丙酸的水平起到促進作用，但對瘤胃纖維降解菌和厭氧真菌有顯著的抑制作用，適當的粗料供給會有利于瘤胃健康發育和反芻行為的形成［21］。但需要注意的是幼年動物對于纖維物質的降解功能尚不完善，若過早或過多地飼喂粗飼料，不利于反芻動物瘤胃的發育。Jiao等［22］采用對比試驗研究了放牧和圈養2種不同飼養方式對山羊瘤胃功能和微生物定植的影響，發現不同管理模式與山羊瘤胃中的相關酶類、生理形態以及微生物的定植有密切關系。綜上所述，影響牦牛瘤胃微生物的變化因素，一方面是源于自身，如受遺傳因素、自身瘤胃的調節、生長發育階段、年齡等的影響；另一方面來源于外界環境，如采食日糧的種類、季節的變化、生長的環境氣候等。因此，牦牛瘤胃能否健康而快速的發育，取決于是否有健康的微生物定植于瘤胃系統，而不同的管理模式和飼養水平對瘤胃微生物的定植過程有重要影響，其具體影響作用有待詳細研究。

5 小結

瘤胃作為反芻動物體消化道內的黑匣子，其內部大量的微生物之間相互作用成為一個密不可分的整體，構成了一個生態系統。隨著生物技術的快速發展，人們利用宏基因組學將所有瘤胃微生物的基因看作整體進行分析，越來越多的微生物功能已被發現。未來隨著宏基因組、宏轉錄組學、宏蛋白組學以及代謝組學的相互結合，從基因、轉錄、轉錄后、翻譯及翻譯后的水平上共同研究牦牛瘤胃微生物群落的結構、代謝功能和調控規律已成為可能。從不同年齡、不同季節瘤胃微生物以及犢牛瘤胃微生物的定植結果來看，在未來的研究中，將某一消化功能較強的反芻瘤胃微生物移植到這方面較弱的反芻動物體內，或是按照前一種動物的瘤胃微生物的分布對后一種動物瘤胃微生物進行調控是可行的。