短鏈脂肪酸促進犢牛瘤胃發(fā)育的作用機制

范雪，馬健,，陳暉，Ali Mujtaba Shah，馬晨

（1.新疆農業(yè)大學動物科學學院，烏魯木齊 830052；2.四川農業(yè)大學動物營養(yǎng)所，成都 611130）

犢牛階段是奶牛一生中非常重要的時期，這個時期犢牛各器官的生長發(fā)育與其未來生產性能的發(fā)揮有著密切關系，其中瘤胃的發(fā)育至關重要。犢牛剛出生時，主要通過皺胃和小腸吸收葡萄糖獲取能量，隨著機體逐漸生長發(fā)育，瘤胃吸收短鏈脂肪酸（SCFA）提供能量成為成年動物獲取能量的主要方式[1]。這種生理功能的變化與瘤胃的發(fā)育有密切關系，由于新生犢牛的瘤胃發(fā)育功能不健全，瘤胃體積小，因此，如何促進犢牛瘤胃的健康發(fā)育是確保其未來生產性能發(fā)揮的關鍵。反芻動物瘤胃內SCFA 的含量為60～150mmol/L，以乙酸、丙酸和丁酸為主，其中乙酸為60%～70%，丙酸占15%～20%，而丁酸占10%～15%，主要在瘤胃內消化吸收，為機體提供約75%的能量[2]。瘤胃內的HCO3-可以與H+中和進而降低瘤胃pH值，對瘤胃上皮的發(fā)育具有促進作用，而瘤胃內高濃度的SCFA可以促進瘤胃上皮細胞HCO3-的分泌[3]。因此，瘤胃內的SCFA不僅可以為機體提供能量，還能促進瘤胃的健康發(fā)育[4,5]，這對犢牛的生長發(fā)育具有重要意義。

1 SCFA直接刺激犢牛瘤胃發(fā)育

瘤胃在經歷多種代謝途徑的變化后，在瘤胃發(fā)酵產物SCFA的刺激下，瘤胃上皮具有了生酮的能力，SCFA在瘤胃上皮通過陰離子交換和擴散作用被吸收，機體由依賴葡萄糖為主要能量來源轉化為以SCFA為主要能量來源[2]。因此，瘤胃的成熟過程是能量吸收代謝及細胞基因分化表達的結果。研究證實，外源添加支鏈SCFA可以促進犢牛瘤胃的發(fā)酵[6]。添加丙酸對犢牛瘤胃上皮細胞具有刺激作用，可促進上皮細胞的增殖，進而導致瘤胃乳頭形態(tài)及分支的變化[7]，此外，丙酸還影響參與瘤胃上皮發(fā)育相關基因的表達，可提高瘤胃乳頭的長度和寬度，進而增大瘤胃上皮的吸收表面積[4]。一元羧酸轉運蛋白（MCT1）已經被證實具有轉運SCFA的功能[8]，而經對犢牛體外細胞的試驗表明，正常水平的SCFA處理瘤胃上皮細胞，有助于提高MCT1的蛋白表達水平和轉運能力，而過多的SCFA則會抑制MCT1的表達和轉運能力[9]。

相比于丙酸和乙酸，丁酸在瘤胃上皮能更快地通過離子交換和擴散作用被吸收，轉化為酮體為上皮細胞提供能量，因此，生產中常用補喂丁酸的方式來促進犢牛瘤胃發(fā)育。日糧中添加丁酸可以提高瘤胃上皮細胞的有絲分裂指數(shù)，增強細胞的增殖能力，進而提高瘤胃乳頭長度[10]。國內也有相似的研究，日糧中添加丁酸鈉可以顯著提高犢牛斷奶前后瘤胃絨毛長度和寬度，并可緩解斷奶應激對瘤胃發(fā)育的影響[11]。另有研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽能夠上調瘤胃上皮細胞SCFA跨膜轉運蛋白MCT1和MCT4的mRNA表達，并上調葡萄糖載體蛋白、缺氧誘導因子及環(huán)氧酶的基因表達水平，對瘤胃發(fā)育具有促進作用[12]。此外，異丁酸能提高瘤胃上皮 膜組織中的羥甲基戊二酰輔酶A合酶及生長激素受體（GHR）的mRNA相對表達量，進而促進犢牛瘤胃乳頭長度和寬度的發(fā)育[5]。SCFA對犢牛小腸發(fā)育也具有促進作用，添加丙酸鈣可以上調小腸 膜組織中GHR、鈉葡萄糖共轉運載體及胰島素受體的mRNA相對表達量，進而促進小腸 膜的發(fā)育[4]。

由于犢牛瘤胃發(fā)育的不成熟，其代謝活性很高，SCFA可以通過簡單擴散作用以非離子的形式在瘤胃內被上皮組織吸收轉運，此外，SCFA還可以通過轉運載體的幫助進行轉運。Borthakur等[13]發(fā)現(xiàn)，丁酸可以激活Caco2和HT-29細胞系中MCT1啟動子區(qū)域，NF-κB信號途徑抑制劑可顯著抑制丁酸對MCT1啟動子的上調作用，同時丁酸處理可以促進Caco2細胞質中NF-κB轉錄調控因子進入細胞核，而丙酸、乙酸則無此效果，說明丁酸可通過NF-κB途徑促進MCT1表達。但對犢牛瘤胃相關轉運蛋白以及具體轉運機制目前仍不清楚，外源添加SCFA刺激瘤胃發(fā)育的作用仍有待進一步探索。

2 SCFA影響瘤胃微生物進而促進犢牛瘤胃發(fā)育

犢牛早期的瘤胃未發(fā)育完全，相比于成熟瘤胃較為齊全的功能，早期瘤胃在微生物種類和數(shù)量上都不如成熟瘤胃。犢牛瘤胃微生物的定植過程是非常復雜的，日糧及生理狀態(tài)的改變都會影響微生物的定植。在最初的定植之后，這些特異性微生物不僅對 膜組織的發(fā)育和成熟具有調節(jié)作用，而且對機體的營養(yǎng)和健康具有重要意義[14]。SCFA與瘤胃微生物之間的關系是相輔相成的，SCFA既可以促進有益微生物的生長，同時還可以抑制大腸桿菌和沙門菌等有害微生物的生長，并且這些有益微生物的增長也會反過來刺激增加SCFA 的合成[15]。瘤胃上皮細胞HCO3-分泌量與SCFA密切相關，因此，SCFA可降低瘤胃pH值，使瘤胃維持一個較為理想的酸性環(huán)境[3]，利于微生物定植，隨著微生物的逐漸定植，進一步發(fā)酵飼料產生SCFA，進而使瘤胃處于良性循環(huán)狀態(tài)。

近幾年關于異丁酸對犢牛微生物影響的研究較多，Wang等[5]研究證實，對斷奶前后的犢牛補喂異丁酸，可以增加瘤胃產琥珀酸絲狀桿菌及溶纖維丁酸弧菌數(shù)量，并可以提高斷奶前生黃瘤胃球菌的細菌總數(shù)，這對犢牛更快地適應固體飼料具有積極的作用。補喂異丁酸對犢牛瘤胃中纖維二糖酶、濾紙酶、羧甲基纖維素酶及木聚糖酶的活力具有促進作用，可以明顯改善瘤胃發(fā)酵[16]。瘤胃中纖維分解菌菌群的生長與纖維分解酶的活力密切相關，纖維分解酶的活力高能促進瘤胃纖維分解菌的生長及活性[17]。瘤胃中的異丁酸是日糧支鏈氨基酸在瘤胃中的降解產物，可被用來重新合成支鏈氨基酸，同時也是瘤胃微生物，尤其是纖維分解菌生長所必需的營養(yǎng)因子[18]。異丁酸通過提高犢牛瘤胃內木聚糖酶、纖維二糖酶、果膠酶及羧甲基纖維素酶的活性，進而促進了白色瘤胃球菌、黃色瘤胃球菌、產琥珀酸絲狀桿菌及溶纖維丁酸弧菌的生長繁殖，提高了纖維分解酶的活力，及犢牛對日糧養(yǎng)分的利用率，從而改善了瘤胃發(fā)酵，促進了犢牛瘤胃發(fā)育及生長[19]。

由于新生犢牛瘤胃發(fā)育不完善，瘤胃內的微生物種類少，并且豐度相對較低，通過瘤胃微生物發(fā)酵日糧產生的SCFA很少，因此外源添加SCFA已經在犢牛研究上被較多應用。SCFA在降低瘤胃pH值、促進犢牛有益微生物定植、抑制有害微生物定植上均展現(xiàn)出一定的效果，但其相關代謝途徑仍需要進一步研究，或許通過對瘤胃液進行代謝組學檢測能揭示這一現(xiàn)象。

3 小結

通過以上綜述可以看出，SCFA在促進犢牛瘤胃發(fā)育方面展現(xiàn)了良好的應用效果。SCFA對提高犢牛生長性能和瘤胃發(fā)育具有重要意義，在日糧中添加SCFA可以提高犢牛生產性能，這主要是由于SCFA不僅可以促進瘤胃體積和乳頭的生長，還在維持瘤胃乳頭形態(tài)及肌層厚度等瘤胃形態(tài)方面也具有重要作用；同時SCFA還可以促進瘤胃上皮細胞SCFA的吸收和轉運，提高相關轉運蛋白的相對表達量；此外，SCFA還可以提高瘤胃內相關酶活力，改善瘤胃內環(huán)境，進而促進有益微生物的定植。盡管SCFA在犢牛日糧中已有部分相關研究，但是對其作用機理仍然缺乏了解。犢牛瘤胃發(fā)育不完善，微生物群落結構不穩(wěn)定，易發(fā)生腹瀉等疾病，因此，需進一步系統(tǒng)地研究SCFA影響犢牛瘤胃微生物定植以及瘤胃發(fā)育的機制，利用宏基因組及代謝組學等現(xiàn)代分子生物學技術，針對犢牛瘤胃上皮營養(yǎng)物質吸收轉運、相關代謝機制及微生物群落結構進行深入探討，研究瘤胃組織形態(tài)、SCFA吸收轉運及微生物群落三者間的相互作用機制。這將對進一步指導犢牛健康養(yǎng)殖，降低腹瀉率，充分發(fā)揮犢牛生長潛能，進而提高其成年期的生產性能具有重要的科學意義。