奶牛瘤胃微生物的研究進(jìn)展

馬健，范雪，陳暉，余雄

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052）

反芻動(dòng)物胃腸道中的微生物數(shù)量龐大，并且組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)隨著宿主的不斷生長(zhǎng)表現(xiàn)出與宿主協(xié)同互利的關(guān)系[1]。胃腸道微生物在維持宿主消化道穩(wěn)態(tài)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收、行為、生產(chǎn)性能以及免疫健康等方面發(fā)揮著重要作用[2～5]，與此同時(shí)，宿主的日糧組成、生理狀態(tài)以及外界環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)胃腸道內(nèi)的微生物群落產(chǎn)生影響[6,7]。健康的胃腸道微生物可以促進(jìn)宿主的健康生長(zhǎng)，相反，胃腸道微生物的紊亂會(huì)導(dǎo)致宿主機(jī)能紊亂，因此，維持胃腸道微生物的穩(wěn)態(tài)具有重要意義。

瘤胃是奶牛的天然發(fā)酵罐，其內(nèi)存在著復(fù)雜多樣的微生物，這些微生物互相作用，維持奶牛的健康生長(zhǎng)。許多研究證實(shí)，奶牛不同的生理階段其微生物的組成結(jié)構(gòu)不同，這種微生物隨奶牛生理狀態(tài)變化而變化的模式有助于維持奶牛的健康和產(chǎn)生性能[8～10]。另有研究表明，針對(duì)一些病理狀態(tài)，可以通過(guò)微生物移植重塑宿主的胃腸道微生物組成，進(jìn)而達(dá)到人工干預(yù)消化道微生物組成、維持宿主健康的目的[11,12]。Ribeiro等[13]研究指出，通過(guò)重塑瘤胃微生物群落，可以明顯改變瘤胃發(fā)酵，提高采食量。隨著科技的發(fā)展，瘤胃微生物移植技術(shù)在奶牛上的應(yīng)用也來(lái)越來(lái)越多，已經(jīng)初步被證實(shí)可以有效地調(diào)控胃腸道菌群組成。本文闡述了奶牛瘤胃微生物的功能及影響因素，綜述了國(guó)內(nèi)外瘤胃微生物移植的研究現(xiàn)狀，以供奶牛養(yǎng)殖從業(yè)者參考。

1 奶牛瘤胃微生物的功能

奶牛瘤胃微生物區(qū)系不是一出生就存在的，而隨著奶牛與外界環(huán)境的不斷接觸，經(jīng)過(guò)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，逐步定植、存活和繁殖的[14]。在奶牛瘤胃中棲息的這些微生物具有種類多樣性及相互作用復(fù)雜性的特點(diǎn)，對(duì)消化日糧中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起主要作用。

1.1 瘤胃微生物的構(gòu)成

瘤胃微生物主要包括細(xì)菌、真菌、古菌和原蟲(chóng)四大類，狹義上指的是細(xì)菌[15]。有研究指出，每克瘤胃內(nèi)容物約有1011個(gè)細(xì)菌，200個(gè)種類，纖毛蟲(chóng)104～106個(gè)，涵蓋24個(gè)屬，厭氧真菌有102～104個(gè)，包括5個(gè)屬[16]。瘤胃微生物的組成在奶牛上研究較多，Jami等[17]對(duì)不同年齡奶牛的瘤胃微生物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)瘤胃菌群中的優(yōu)勢(shì)菌隨著奶牛年齡變化而出現(xiàn)了顯著變化，但在組成上主要還是擬桿菌門(mén)、變形菌門(mén)和厚壁菌門(mén)。Henderson等[18]對(duì)世界各國(guó)的742頭反芻動(dòng)物瘤胃微生物進(jìn)行了研究，指出品種、分布區(qū)域以及日糧都會(huì)影響瘤胃中微生物的種類，但核心菌群是反芻動(dòng)物所共有的，在屬水平上，優(yōu)勢(shì)菌為瘤胃球菌、普氏菌和丁酸弧菌，在科水平上，優(yōu)勢(shì)菌為毛螺菌和瘤胃球菌，在目水平上，優(yōu)勢(shì)菌為梭菌和擬桿菌；此外還發(fā)現(xiàn)，瘤胃中古菌群相似度較高，優(yōu)勢(shì)菌為兩種甲烷短桿菌。瘤胃內(nèi)的這些微生物相互作用，共同維持瘤胃內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)以及對(duì)飼料的消化能力。

1.2 瘤胃微生物的功能

過(guò)去的幾年，在瘤胃微生物的研究領(lǐng)域有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)闡述了奶牛瘤胃微生物發(fā)酵的本質(zhì)以及瘤胃發(fā)酵對(duì)奶牛的重要性。瘤胃微生物與奶牛機(jī)體共同進(jìn)化，宿主為微生物提供一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境，微生物則協(xié)助宿主完成多種多樣的生理功能。瘤胃微生物將飼料中的纖維物質(zhì)轉(zhuǎn)化為人類可以食用的奶制品和肉類，產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸為奶牛自身提供能量，此外，瘤胃微生物還可以合成一些B族維生素以及維生素K，滿足奶牛自身的需要[19]。Flint等[20]報(bào)道，瘤胃內(nèi)的細(xì)菌在分解植物多糖中起非常重要的作用；Hobson等[21]指出，瘤胃內(nèi)的真菌能穿透角質(zhì)層及木質(zhì)化的細(xì)胞壁，可以對(duì)纖維進(jìn)行有效降解；Hess等[22]也認(rèn)為，瘤胃微生物在降解植物纖維的過(guò)程中扮演關(guān)鍵角色。瘤胃內(nèi)的毛蟲(chóng)屬能吞食淀粉，可以調(diào)控瘤胃pH值，還能增加微生物蛋白的合成，研究表明，高能日糧能提高瘤胃內(nèi)毛蟲(chóng)的豐度[23]。

瘤胃微生物的變化還會(huì)影響奶牛的生產(chǎn)性能，Jewell等[24]監(jiān)測(cè)了奶牛連續(xù)2個(gè)泌乳周期，發(fā)現(xiàn)瘤胃內(nèi)的菌群是動(dòng)態(tài)變化的，優(yōu)勢(shì)菌群的變化與產(chǎn)奶量高低相關(guān)。Lima等[8]也指出，奶牛的產(chǎn)奶量以及乳品質(zhì)與瘤胃微生物的變化顯著相關(guān)。Elie等[25]報(bào)道，瘤胃微生物多樣性與牛奶產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)與乳脂率存在顯著的相關(guān)性。Chiquette等[26]在奶牛日糧中添加布氏普雷沃菌屬作為益生菌，發(fā)現(xiàn)瘤胃中乳酸產(chǎn)量以及牛奶的乳脂率降低。這些研究均表明瘤胃微生物對(duì)奶牛產(chǎn)奶量和乳品質(zhì)有一定的影響。此外，瘤胃中的布氏普雷沃菌屬和丁酸弧菌屬在瘤胃發(fā)酵中起到非常重要的作用，與產(chǎn)奶量呈顯著正相關(guān)。

有研究表明，瘤胃微生物的組成與奶牛的飼料轉(zhuǎn)化率有關(guān)，這說(shuō)明瘤胃微生物具有調(diào)控飼料轉(zhuǎn)化率的功能[24]。Li等[27]應(yīng)用宏基因組技術(shù)檢測(cè)高、低飼料轉(zhuǎn)化率組牛的瘤胃微生物組成和代謝通路，結(jié)果顯示，低飼料轉(zhuǎn)化率組牛的瘤胃微生物的活動(dòng)性比高飼料轉(zhuǎn)化率組高。Shabat等[28]測(cè)定了146頭奶牛的生產(chǎn)性能、飼料轉(zhuǎn)化率以及瘤胃微生物組成，結(jié)果表明，瘤胃微生物豐度與飼料轉(zhuǎn)化率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過(guò)瘤胃微生物的種類可以預(yù)測(cè)飼料轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)性能，對(duì)微生物種類進(jìn)行優(yōu)化可以提高奶牛對(duì)能量的利用率，減少甲烷的排放。Ross等[29]也認(rèn)為奶牛瘤胃微生物的變化與甲烷的排放相關(guān)。由此可見(jiàn)，奶牛瘤胃微生物具有多種功能，在奶牛生長(zhǎng)發(fā)育以及生產(chǎn)性能的發(fā)揮中起著非常重要的作用，通過(guò)對(duì)瘤胃微生物進(jìn)行分析，不僅能反映奶牛機(jī)體狀況，還有助于為人類帶來(lái)更多的畜產(chǎn)品資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

2 影響奶牛瘤胃微生物組成的因素

瘤胃內(nèi)的微生物具有穩(wěn)定性和可變性的特點(diǎn)，穩(wěn)定性是奶牛健康的保障，可變性為人為調(diào)控瘤胃微生物組成提供了條件，人們可以通過(guò)日糧、抗生素、飼料添加劑以及微生物植入等方式改變奶牛瘤胃內(nèi)環(huán)境，從而使奶牛生產(chǎn)性能達(dá)到最大。

2.1 奶牛品種和年齡

奶牛的品種和年齡不同，其瘤胃微生物組成也不同。Cersosimo等[30]比較了荷斯坦牛、娟姍牛及其雜交一代牛的瘤胃微生物組成，發(fā)現(xiàn)荷斯坦牛和雜交一代牛瘤胃中的產(chǎn)甲烷菌平均豐度顯著高于娟姍牛。Jami等[31]也指出奶牛不同個(gè)體間核心菌群的差異變化較大，反芻真桿菌的豐度相對(duì)穩(wěn)定，而埃氏巨球菌在不同個(gè)體間的豐度差異很大。Jami等[17]還指出，瘤胃微生物多樣性隨著年齡的增加而逐步增加，變化趨勢(shì)為好氧菌和兼性厭氧菌減少，厭氧菌增加，還發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物的穩(wěn)定性有隨著年齡增加而增加的趨勢(shì)。Li等[32]指出，犢牛瘤胃中的優(yōu)勢(shì)菌群為擬桿菌門(mén)、變形菌門(mén)和厚壁菌門(mén)，瘤胃發(fā)育對(duì)微生物變化有顯著的影響，隨著小母牛的成熟，瘤胃中的這些優(yōu)勢(shì)菌群呈現(xiàn)顯著性變化。以上研究可以看出，奶牛瘤胃微生物會(huì)因品種和年齡的不同而出現(xiàn)顯著性變化。

2.2 日糧

日糧是影響奶牛瘤胃微生物多樣性的重要因素。Anderson等[33]試驗(yàn)表明，后備奶牛瘤胃微生物隨著日糧變化而發(fā)生顯著變化，瘤胃微生物的變化有助于奶牛逐漸適應(yīng)高精日糧。Monteils等[34]給奶牛交替飼喂以干草和玉米青貯作為基礎(chǔ)的兩種日糧，發(fā)現(xiàn)日糧改變了瘤胃發(fā)酵參數(shù)，微生物多樣性發(fā)生變化，重復(fù)日糧變化會(huì)使變化加劇。董瑞陽(yáng)[35]指出，隨著日糧中玉米青貯比例的增加，瘤胃原蟲(chóng)、真菌、黃色瘤胃球菌以及產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量逐漸減少。Fernando等[36]試驗(yàn)表明，奶牛采食高粗日糧時(shí)，瘤胃中的纖維桿菌門(mén)豐度較高，而采食高精日糧時(shí)，瘤胃中的擬桿菌門(mén)豐度較高，由高粗日糧轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔占Z后，瘤胃中的牛鏈球菌、普氏菌和埃氏巨型球菌顯著升高，而產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌和丁酸弧菌顯著降低。Rico等[37]研究指出，奶牛采食高脂肪低纖維日糧，瘤胃的微生物區(qū)系在采食8h后發(fā)生變化，原蟲(chóng)和真菌數(shù)量降低90%，普雷氏菌屬豐度降低66%，琥珀酸絲狀桿菌豐度下降97%，牛鏈球菌屬豐度升高350%，這種變化可引起牛奶乳脂率降低。Zhao等[38]指出，瘤胃微生物結(jié)構(gòu)會(huì)隨著奶牛日糧中粗飼料的改變而發(fā)生變化，進(jìn)而影響瘤胃微生物代謝，改變揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量和微生物蛋白合成。以上研究證實(shí)了日糧對(duì)瘤胃微生物的影響，通過(guò)改變?nèi)占Z組成可以調(diào)控奶牛瘤胃微生物的組成，從而維持其健康水平，提高生產(chǎn)性能。

2.3 抗生素

許多研究證實(shí)，抗生素及一些藥物的使用會(huì)導(dǎo)致奶牛瘤胃中的微生物區(qū)系發(fā)生變化。Li等[39]用經(jīng)巴氏殺菌處理的抗生素牛奶、抗生素牛奶和新鮮牛奶飼喂2月齡、3月齡和6月齡犢牛（3種奶均飼喂），試驗(yàn)表明，飼喂巴殺抗生素牛奶時(shí)，犢牛瘤胃微生物中厚壁菌門(mén)的豐度逐漸升高，而擬桿菌門(mén)的豐度逐漸降低，此外，變形菌門(mén)在不同牛奶組中呈現(xiàn)顯著差異。辛杭書(shū)等[40]試驗(yàn)表明，日糧中添加海南霉素能顯著降低奶牛瘤胃中的原蟲(chóng)、真菌及丁酸弧菌含量，而對(duì)產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌、黃色瘤胃球菌、產(chǎn)甲烷菌和白色瘤胃球菌無(wú)顯著影響。Shen等[41]試驗(yàn)也指出，莫能菌素和乳酸鏈球菌素均能降低細(xì)菌、真菌和產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量。不可否認(rèn)的是抗生素抗菌功能強(qiáng)大，但同時(shí)抗生素的使用也損害了瘤胃中定植的有益菌，改變了瘤胃微生物的穩(wěn)態(tài)，因此，在奶牛生產(chǎn)中要合理地使用抗生素。

2.4 飼料添加劑

添加劑可以改善奶牛瘤胃微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)而對(duì)奶牛起到積極有益的作用。Malekkhahi等[42]研究指出，日糧中添加鈉蘋(píng)果酸鈣和活性干酵母能提高奶牛瘤胃中大腸桿菌和纖維桿菌屬，而在亞急性瘤胃酸中毒時(shí)，活性干酵母組的埃氏巨型球菌豐度高于鈉蘋(píng)果酸鈣組。王聰[43]在其研究中指出，隨著日糧中蒙脫石添加量的增加，奶牛瘤胃中普氏菌屬、棲牙普氏菌屬和黃單胞菌屬增加，梭菌屬和突柄桿菌屬減少，并指出日糧中添加量不超過(guò)2.5%時(shí)，可以降低瘤胃纖維分解菌和腸道病原菌數(shù)量，降低腹瀉的發(fā)生。趙士萍等[44]指出，日糧中添加30g/（頭·d）茶皂素可以有效抑制奶牛瘤胃原蟲(chóng)的生長(zhǎng)。除此以外，一些益生菌的添加也會(huì)影響奶牛瘤胃微生物區(qū)系。Foditsch等[45]在第1、2周給嚴(yán)重腹瀉的初生犢?？诜绽缶?，發(fā)現(xiàn)在第3、5周試驗(yàn)組犢牛瘤胃中普拉梭菌的豐度顯著高于對(duì)照組。王曉旭[46]指出給圍產(chǎn)期健康奶牛和酮病奶牛灌服微生態(tài)制劑，可以促進(jìn)奶牛瘤胃纖維素分解菌、產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌及一些厭氧菌的生長(zhǎng)和繁殖，抑制乳酸桿菌的生長(zhǎng)，降低分娩后健康奶牛及酮病奶牛的β-羥丁酸濃度。眾多研究證明，添加劑可以改善瘤胃微生物群落的組成，增強(qiáng)奶牛免疫力，維持奶牛健康。

除了以上因素之外，外界環(huán)境也是影響奶牛瘤胃微生物的一個(gè)重要因素。總之，在奶牛生產(chǎn)中要綜合考慮各方面的因素，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖效益最大化。

3 瘤胃微生物移植現(xiàn)狀

瘤胃微生物移植是指將供體動(dòng)物瘤胃內(nèi)的微生物群落作為一個(gè)整體移植到受體動(dòng)物瘤胃內(nèi)，以期達(dá)到重塑受體動(dòng)物瘤胃微生物群落的目的。目前，對(duì)瘤胃微生物移植的研究也越來(lái)越多，主要用于治療動(dòng)物消化不良以及真胃移位術(shù)后的恢復(fù)。

3.1 瘤胃微生物移植的條件

主要有以下4種方法獲得供體動(dòng)物的瘤胃微生物（瘤胃液）：通過(guò)反芻動(dòng)物口腔取得食團(tuán)；經(jīng)胃管從瘤胃中抽取；經(jīng)瘤胃瘺管從瘤胃中抽?。粡耐涝缀蟮膭?dòng)物瘤胃中獲取。因口腔獲得的食團(tuán)較少，屠宰場(chǎng)的動(dòng)物健康狀況未知，胃管應(yīng)激較大，因此試驗(yàn)常用安裝永久性瘤胃瘤管的方法進(jìn)行瘤胃微生物移植研究。不同動(dòng)物所需移植瘤胃液的體積不一樣，一般來(lái)說(shuō)犢牛所需瘤胃液體積為1L，成年牛為8～16L。用于移植的瘤胃液pH值應(yīng)當(dāng)在6以上，這是因?yàn)樵诘蚿H值條件下，瘤胃液中的原蟲(chóng)數(shù)量會(huì)降低。為此，在收集瘤胃液之前可以用便攜式pH計(jì)對(duì)瘤胃液進(jìn)行檢測(cè)。此外，應(yīng)避免使用泡沫多的瘤胃液進(jìn)行移植，條件允許的話，應(yīng)對(duì)瘤胃原蟲(chóng)的活性進(jìn)行觀察。一般來(lái)說(shuō)，瘤胃液在收集以后應(yīng)該立即進(jìn)行移植，Shanks[47]指出，瘤胃液采集后在30min內(nèi)應(yīng)完成移植。但也有研究者認(rèn)為，在適當(dāng)?shù)臈l件下，瘤胃液可以保存一定的時(shí)間。Mould等[48]報(bào)道，當(dāng)保存瘤胃液時(shí)，厭氧環(huán)境的失敗會(huì)導(dǎo)致纖毛原蟲(chóng)數(shù)量降低，并且纖維降解酶的活性降低。因此，應(yīng)該盡快移植供體瘤胃液給受體動(dòng)物。

3.2 瘤胃微生物移植研究進(jìn)展

瘤胃微生物對(duì)動(dòng)物的采食量、消化代謝及生產(chǎn)性能等都有重要的影響，瘤胃微生物移植是用于治療奶牛消化不良等疾病的有效措施。早在1948年，Pounden等[49]就給斷奶前的犢牛接種食團(tuán)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在犢牛3周齡時(shí)瘤胃中出現(xiàn)了細(xì)菌和原蟲(chóng)，而對(duì)照組只有細(xì)菌。之后，Pounden等將瘤胃微生物移植用于治療斷奶前犢牛便血性腹瀉的研究，提高了犢牛的健康水平，降低了死亡率。Imai等[50]將含有9種纖毛原蟲(chóng)的瘤胃液移植到去原蟲(chóng)的犢牛瘤胃中，發(fā)現(xiàn)14d后9種纖毛原蟲(chóng)全部在瘤胃中定植。Weimer等[51]通過(guò)交換受體奶牛95%以上的瘤胃內(nèi)容物來(lái)研究瘤胃微生物群落，試驗(yàn)表明，供體奶牛瘤胃微生物在受體奶牛中迅速重塑，受體奶牛瘤胃pH值和揮發(fā)性脂肪酸濃度在24h內(nèi)恢復(fù)到了交換前水平，但微生物組成卻需要61d才能恢復(fù)。Depeters等[52]指出，瘤胃微生物移植可以緩解因日糧轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致的采食量降低。

瘤胃微生物移植還常用于手術(shù)后的恢復(fù)治療。Rager等[53]將真胃移位手術(shù)后的奶牛分為瘤胃液移植組和對(duì)照組，在手術(shù)后第0、1天，分別移植10L健康奶牛的瘤胃液，研究表明，瘤胃液移植3～5d后，移植組奶牛血液中β-羥基丁酸含量顯著低于對(duì)照組，手術(shù)后需要注射的葡萄糖總量也顯著低于對(duì)照組，且采食量和產(chǎn)奶量顯著高于對(duì)照組。此外，Ji等[54]試驗(yàn)指出，瘤胃微生物移植可以有效地恢復(fù)抗生素導(dǎo)致的瘤胃微生物紊亂。蔣濤[55]試驗(yàn)表明，移植泌乳高峰期奶牛瘤胃微生物給圍產(chǎn)后期奶牛，可以重塑其瘤胃微生物結(jié)構(gòu)，并且提高奶牛的采食量，有利于維持圍產(chǎn)期奶牛健康。以上研究可以看出，瘤胃微生物移植在奶牛生產(chǎn)中可以發(fā)揮重要的作用，是維持奶牛健康水平的可靠手段。

4 小結(jié)

瘤胃微生物具有多種功能，在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化和維持奶牛機(jī)體健康方面發(fā)揮著重要的作用。瘤胃微生物受到很多因素的影響，有效調(diào)控瘤胃微生物群落的組成，可以更好地使奶牛發(fā)揮其自身的生產(chǎn)性能。瘤胃微生物移植可以重塑瘤胃微生物群落，提高奶牛健康水平，目前這項(xiàng)技術(shù)還處于起步階段，今后可以利用代謝組學(xué)針對(duì)瘤胃微生物的代謝進(jìn)行更加合理的研究。此外，能否在體外大規(guī)模培養(yǎng)瘤胃微生物用于移植，還需要進(jìn)一步探索。