反芻動物瘤胃發(fā)育研究進展

祁敏麗（譯），張乃鋒（校）（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，農(nóng)業(yè)部飼料生物技術(shù)重點開放實驗室，北京 100081）

反芻動物瘤胃發(fā)育研究進展

祁敏麗（譯），張乃鋒（校）
（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，農(nóng)業(yè)部飼料生物技術(shù)重點開放實驗室，北京 100081）

反芻動物瘤胃從非反芻到反芻發(fā)育的過程是微生物、組織形態(tài)以及瘤胃代謝共同發(fā)生發(fā)展的過程。瘤胃發(fā)育對反芻動物后期生長發(fā)育至關(guān)重要，文章從微生物、組織形態(tài)、瘤胃代謝3個層面對反芻動物瘤胃發(fā)育研究進展進行了綜述。

反芻動物；瘤胃發(fā)育；微生物；組織形態(tài)；瘤胃代謝

反芻動物瘤胃從非反芻到反芻發(fā)育的過程是微生物、組織形態(tài)以及瘤胃代謝共同發(fā)生發(fā)展的過程。目前對這三個過程如何發(fā)生以及如何影響幼齡反芻動物生長和營養(yǎng)物質(zhì)代謝的了解仍然非常有限，但是它們對反芻動物后期生長發(fā)育至關(guān)重要。

犢牛出生時胃腸道發(fā)育不成熟，不具備反芻功能。從非反芻到反芻功能的轉(zhuǎn)變是以瘤胃發(fā)酵能力為中心的。犢牛出生時瘤胃不具備發(fā)酵能力，這種發(fā)酵能力的建立依賴于5個關(guān)鍵要素：瘤胃微生物區(qū)系的建立、基底物質(zhì)可獲得性、瘤胃液體的出現(xiàn)、瘤胃組織的吸收能力和瘤胃內(nèi)物質(zhì)向后段腸道的流動。盡管已知這些是瘤胃發(fā)育的必要因素，但還不了解瘤胃產(chǎn)生這些代謝變化以支撐其發(fā)酵能力的分子機制。瘤胃微生物在什么時候、什么環(huán)境下，如何定居于瘤胃，或者說犢牛斷奶前后日糧的改變?nèi)绾螌?dǎo)致瘤胃微生物種群的變化。所有這些過程都可能影響瘤胃的發(fā)育和發(fā)酵能力，甚至影響動物終生的生產(chǎn)性能。當然，這種影響包括正、負兩個方面。

反芻動物出生時已經(jīng)具備4個胃室，但并不是每個胃室都具有相應(yīng)的功能。成年反芻動物的瘤胃就像一個大的厭氧發(fā)酵罐，里面的瘤胃微生物（細菌、原蟲、真菌）對植物進行發(fā)酵降解，或者使不易消化的植物性飼料轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VFA），主要為乙酸、丙酸和丁酸。瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的VFA和微生物蛋白質(zhì)共同滿足反芻動物維持、生長、生產(chǎn)的能量需要。成年反芻動物的瘤胃內(nèi)壁排列著許多的乳頭狀突起，這些瘤胃乳頭是由多細胞層組成的上皮結(jié)構(gòu)，主要功能是增加瘤胃吸收表面積并吸收VFA，而讓微生物蛋白流向后段腸道進行消化。瘤胃乳頭通過被動和易化擴散作用吸收VFA進入血液循環(huán)。大部分乙酸和丙酸能完整地進入門脈循環(huán)，而高達85％～90％的丁酸進入門脈循環(huán)前就被氧化生酮，主要被氧化為β-羥基丁酸（BHBA），小部分氧化為乙酰乙酸鹽。因此，丁酸被認為是瘤胃上皮細胞的能量底物并且與瘤胃乳頭生長有關(guān)。

1 瘤胃微生物定植

成年反芻動物瘤胃內(nèi)有著復(fù)雜的微生物區(qū)系，其中細菌占主導(dǎo)地位［1］。新生犢牛的瘤胃是無菌的，但出生1～2d瘤胃內(nèi)便出現(xiàn)了大量的微生物［2］。新生反芻動物瘤胃內(nèi)微生物的定植引起宿主一系列生長和發(fā)育的變化，最終使其成為真正的反芻動物。早期使用培養(yǎng)的方式研究奶犢牛的瘤胃微生物定植過程，在綱水平上發(fā)現(xiàn)了多個微生物種類（如纖維素降解菌，淀粉降解菌，蛋白質(zhì)降解菌，乳酸利用菌），并且這些微生物種類隨犢牛年齡［2］和日糧［2-3］的改變而改變。Li等［4］使用宏基因組研究了犢牛瘤胃微生物區(qū)系建立的時序性。這是瘤胃微生物在種水平層面研究的第一次報道［5］。

犢牛采食固體飼料的時間越早，其瘤胃微生物區(qū)系的形成越早，隨之而來的是較高的瘤胃代謝活性和瘤胃內(nèi)容物總VFA濃度［2］，這反映了瘤胃微生物對營養(yǎng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的要求。牛奶、代乳品和干草可以磨損犢牛的瘤胃上皮細胞。飼料進入犢牛瘤胃的過程是可以調(diào)控的。無論是利用奶嘴、奶瓶或者桶給犢牛飼喂牛奶或者代乳品，均會反射性地引起食管溝關(guān)閉。使得牛奶越過瘤網(wǎng)胃進入皺胃，避免了采食的牛奶或者代乳品在瘤胃被發(fā)酵。采食固體飼料及牛奶或代乳品“溢出”是飼料進入瘤胃并發(fā)酵的唯一途徑。瘤胃乳頭發(fā)育也受固體飼料采食的影響。Heinrichs等［6］研究表明，僅飼喂牛奶或代乳品的犢牛瘤胃乳頭和肌肉發(fā)育遲緩。因此，瘤胃乳頭發(fā)育的生長促進劑不是單獨的瘤胃微生物或固體飼料，而是發(fā)酵終產(chǎn)物丁酸［7］。這也通過口腔或瘤胃丁酸灌注［7-9］及犢牛飼料添加丁酸［10-13］的試驗研究得到進一步證實。但是，這些做法并不具有普遍性，并且忽略了瘤胃微生物本身產(chǎn)丁酸的潛力及其對瘤胃微生態(tài)平衡的重要性。

2 瘤胃組織形態(tài)發(fā)育

瘤胃組織形態(tài)的發(fā)育主要指的是瘤胃乳頭形態(tài)、肌肉厚度和器官重量［14］。新生反芻動物的瘤胃內(nèi)壁已經(jīng)具有肉眼可見的乳頭。并且乳頭長度、寬度和表面積隨著日齡增長而增加，同時也受日糧和丁酸的影響。觀察瘤胃乳頭的微觀形態(tài)，從腔表面開始依次可以看到4個不同的層：角質(zhì)層、顆粒細胞層、棘狀細胞層、基底層（圖1）。飼喂動物高發(fā)酵飼料［15］、顆粒飼料［15-17］，或者灌注丁酸［18］都可以引起瘤胃乳頭形態(tài)的改變。目前，丁酸通過未知的途徑刺激瘤胃乳頭生長，雖然有許多推論存在，但具體機制還有待進一步闡明。

3 瘤胃代謝發(fā)育

瘤胃代謝的發(fā)育集中在瘤胃上皮細胞吸收發(fā)酵終產(chǎn)物VFA并生成酮體的能力。Aschenbach等［19］研究表明，VFA通過易化擴散和被動擴散轉(zhuǎn)運進入瘤胃上皮細胞，其具體方式取決于瘤胃乳頭上皮細胞層，而且這種運輸過程需要膜轉(zhuǎn)運蛋白的參與。奶牛上研究的VFA的轉(zhuǎn)運載體主要是溶質(zhì)載體家族（SLC）。這些轉(zhuǎn)運載體包括腺瘤下調(diào)基因（DRA；SLC26A3）、特定陰離子轉(zhuǎn)運載體（PAT1；SLC26A6）、一元羧酸轉(zhuǎn)運蛋白1，2和4（MCT-1，SLC16A1，MCT-2，SLC16A7；MCT-4，SLC16A3）［20-24］。

圖1 瘤胃乳頭分層

較低的瘤胃pH值可以促進丁酸和其他VFA（未離解的形式）以被動擴散的方式進入瘤胃上皮細胞［25］。未解離的VFA進入瘤胃上皮細胞后在細胞內(nèi)發(fā)生解離可以增加細胞內(nèi)H+濃度。伴隨著DRA的轉(zhuǎn)運使細胞內(nèi)的HCO3-與VFA-交換而損失，瘤胃細胞內(nèi)pH值進一步降低。瘤胃上皮細胞具有Na+/H+轉(zhuǎn)運蛋白（NHE）以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的pH值。Graham等［26］確定了3個NHE亞型，分別為NHE1、NHE2和NHE3。但是，犢牛瘤胃VFA轉(zhuǎn)運蛋白（DRA，PAT1，MCT-1，MCT-2，MCT-4）以及協(xié)助VFA吸收的轉(zhuǎn)運蛋白（NHE1，NHE2和NHE3）的表達和定位還沒有得到很好的闡述，年齡以及日齡對其濃度的影響也知之甚少。進一步研究以填補這些空白對了解VFA吸收和細胞內(nèi)pH值調(diào)節(jié)具有重要意義。

新生反芻動物的瘤胃不具備生酮作用，這意味著犢牛出生時瘤胃組織無法氧化丁酸（瘤胃上皮細胞的主要生酮底物）成為BHBA或乙酰乙酸鹽，因此，這些代謝物在血液中的濃度很低。僅飼喂母乳的羔羊42日齡以前BHBA比較少，隨后，僅飼喂母乳的42日齡羔羊的瘤胃上皮細胞BHBA的產(chǎn)量相當于飼喂母乳和固體飼料的56日齡羔羊的瘤胃上皮細胞的產(chǎn)量［26］。生酮功能是反芻動物瘤胃成熟的標志。顯然瘤胃組織生酮的能力和年齡有關(guān)，與固體飼料采食量或者瘤胃內(nèi)的揮發(fā)性酸濃度無關(guān)，即使它們是瘤胃組織形態(tài)發(fā)育的刺激者［26-27］。Lane等［27］研究表明，羔羊49日齡前3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A合成酶（HMG-CoA合成酶）的RNA濃度和生酮作用是一起增加的，并且他認為HMG-CoA合成酶為生酮的限速酶。HMG-CoA合成酶目前發(fā)現(xiàn)了2個亞型，即，在胞質(zhì)里的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A合成酶1（HMGCS1），在線粒體里的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A合成酶2（HCS2）［28］。Naeem等［22］認為，犢牛生成BHBA的主要途徑為線粒體生酮。HMGCS2基因的啟動子包含一個過氧化物酶體增殖物激活受體元件，并且它的RNA轉(zhuǎn)錄受過氧化物酶體增殖物激活受體-α（PPAR-α）的調(diào)控［29］。PPAR-α是核受體；它的已知配體包括脂肪酸，大部分是丁酸。新的觀點認為瘤胃不具備生酮作用時，瘤胃內(nèi)丁酸甚至是少量的丁酸似乎可以刺激特定基因的轉(zhuǎn)錄并最終調(diào)控瘤胃成熟。Penner等［30］利用免疫組化方法沒有在瘤胃上皮中發(fā)現(xiàn)瘤胃生酮酶，但是他們認為產(chǎn)生瘤胃生酮酶的細胞應(yīng)該在具有大量線粒體的基底層細胞中。因此，目前研究犢牛瘤胃何時開始生酮及這些酶的產(chǎn)生位置是一個非常好的機會。

4 結(jié)束語

對于反芻動物瘤胃發(fā)育的研究，目前應(yīng)用研究主要集中在探討粗飼料飼喂水平及粒度或者代乳品飼喂等方面，基礎(chǔ)研究主要集中在瘤胃發(fā)育的新技術(shù)、瘤胃微生物組成及細胞水平上的瘤胃功能作用機制等方面。然而，對于犢牛等幼齡反芻動物瘤胃微生物、形態(tài)和代謝的了解還遠遠不夠。因此，對瘤胃發(fā)育的研究有以下幾點建議：首先，使用最新最有效的科技研究瘤胃發(fā)育；第二，應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究應(yīng)該共同致力于某一研究方向，合作研究有利于得到統(tǒng)一的研究結(jié)果；第三，應(yīng)更多地研究細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的功能，畢竟，蛋白質(zhì)是細胞內(nèi)各種功能的執(zhí)行者；第四，應(yīng)用研究中需要重視試驗設(shè)計的科學(xué)性，以避免出現(xiàn)相互矛盾的結(jié)果；最后，需要整體考慮宿主-微生物的相互關(guān)系，這樣有利于揭示瘤胃細菌與宿主免疫系統(tǒng)相互作用對瘤胃發(fā)育及功能的影響。

本文譯自Daniels，K Mand Yohe，T T的《What do we know about rumen development？》.2015 Virginia State Feed Association＆Nutritional Management“Cow”College.

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Review on Rumen Development

Qi Minli（translator），Zhang Naifeng（checker）
（Feed Research Institute ofChinese AcademyofAgricultural Sciences，KeyLaboratoryofFeed Biotechnologyofthe MinistryofAgriculture，Beijing100081，China）

Synchronized microbial，tissue morphological and metabolic developments ofthe rumen are three vital processes in the transformation frompre-ruminant toruminant.This is critical tothe later adult ruminants.In this paper，the rumen development in microbial，morphological and metabolic developments were reviewed.

ruminant rumen development；microbes；tissue morphology；metabolism

S823

A

2095-3887（2015）05-0062-04

10.3969/j.issn.2095-3887.2015.05.017

2015-06-15

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303143）

祁敏麗（1990-），女，碩士研究生。

張乃鋒，副研究員，研究生導(dǎo)師。