反芻動物瘤胃內(nèi)普雷沃氏菌的研究進(jìn)展

張 潔， 張力莉， 徐曉鋒

（寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川 750021）

瘤胃是牛、羊等重要的消化代謝器官，其中所包含的瘤胃微生物則決定著營養(yǎng)物質(zhì)被利用的效率，反芻動物將碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)多以短鏈揮發(fā)性脂肪酸的形式進(jìn)行吸收，并以這種方式供給機(jī)體所需能量的70%～80%。瘤胃微生物還可通過將劣質(zhì)的植物性蛋白轉(zhuǎn)換為較優(yōu)質(zhì)的菌體蛋白，將優(yōu)質(zhì)的動物性蛋白轉(zhuǎn)化為菌體蛋白，來調(diào)控其蛋白質(zhì)的生物學(xué)效價。轉(zhuǎn)化后的微生物菌體蛋白隨食糜進(jìn)入到小腸后被吸收，為動物機(jī)體提供營養(yǎng)物質(zhì)。瘤胃內(nèi)微生物主要由細(xì)菌、厭氧真菌、古細(xì)菌、原蟲組成，其中以細(xì)菌豐度最高，從屬水平上分析，基本上所有的反芻動物瘤胃細(xì)菌群落中的優(yōu)勢菌屬均為擬桿菌門的普氏菌屬（Bowen 等 ，2018；Wang 等 ，2017；Pitta 等 ，2014；Huo等，2014； Jami等，2013）。 普雷沃氏菌（Prevotella）是瘤胃中最具代表性的細(xì)菌屬（Henderson等，2015），在瘤胃微生物中占據(jù)著重要的地位。

1 普雷沃氏菌的分類及生長條件

1.1 普雷沃氏菌的分類 普雷沃菌在分類水平上屬于擬桿菌門、擬桿菌綱、擬桿菌目、普雷沃氏菌科，已從許多環(huán)境中分離出來，包括人類口腔（Downes等，2010）、人類皮膚膿腫（Sakamoto 等，2007）和土壤（Ueki等，2007）等。 普雷沃菌也普遍存在于食草動物和雜食動物的瘤胃和胃腸道內(nèi)。Bryant等（1958）最初描述了用于建立瘤胃普氏菌群的細(xì)菌分離株，根據(jù)對血紅素的營養(yǎng)需求，初步分為兩個亞種，即Bacteroides ruminicola subsp.ruminicola（type strain 23）和B.ruminicola subsp.brevis（type strain GA33）。

1.2 普雷沃氏菌的生長條件 普雷沃氏菌為多形態(tài)桿菌，不產(chǎn)芽孢，不運動，嚴(yán)格厭氧。營養(yǎng)方式為化能有機(jī)營養(yǎng)，具有中等的糖分解能力，在葡萄糖肉湯中生長時容易形成光滑或線狀的沉淀，最低生長pH可達(dá)4.5。葡萄糖的利用率為30%～39%。盡管普雷沃氏菌分解糖的能力弱于擬桿菌屬，但普雷沃氏菌在富含氨基酸和小肽的條件下均能生長（Shah 等，1990）。

乙酸和琥珀酸及少量的異丁酸、異戊酸和乳酸是普雷沃氏菌的主要發(fā)酵產(chǎn)物。其最適生長溫度為37℃，但有些菌株在25℃或47℃也能夠生長。具有較弱的氨基酸利用能力，吲哚試驗呈陰性（Hayashi等，2007）。

2 普雷沃氏菌在瘤胃中的功能

2.1 普雷沃氏菌對碳水化合物降解的作用 碳水化合物是牛、羊所需營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源，動物機(jī)體對于碳水化合物的消化吸收能力會直接影響畜產(chǎn)品的產(chǎn)出和動物機(jī)體的健康狀況。而瘤胃中廣泛存在著降解和利用淀粉的普雷沃氏菌，其雖不能直接降解纖維素，但通過共培養(yǎng)普雷沃氏菌與纖維降解菌可有效地利用木聚糖和果膠（Rosenberg，2014）。普雷沃氏菌不僅含有高活性的半纖維分解菌（Kamra等，2005），還可對半纖維素的降解起作用，且對于非結(jié)構(gòu)性的碳水化合物降解具有重要的作用 （Purushe等，2010；Bekele等，2010）。普雷沃氏菌對牛、羊消化和利用淀粉、木聚糖和果膠同樣發(fā)揮著不可忽視的作用（Schofield 等，2018；Mcgregor等，2016；Matsui等，2000）。此外，普雷沃氏菌具有降解植物細(xì)胞壁的作用（Bekele等，2010）。纖維消化率的高低也會影響普雷沃氏菌屬在瘤胃內(nèi)的豐度（周美麗，2016）。王祿祿（2017）發(fā)現(xiàn)Prevotellaceae_UGG_001、Prevotellaceae_UGG_003這兩個菌屬會隨著山羊采食日糧中中性洗滌纖維（NDF）水平的升高豐度呈現(xiàn)出遞增的變化規(guī)律，也有研究證明這兩種菌屬于普雷沃氏菌科，通過與纖維的共培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，該菌可間接地促進(jìn)反芻動物對纖維的降解（Morotomi等 ，2009；Schwingel 等 ，1996）。 在 Zhao 等（2017）對小公犢牛糞便群落的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，纖維消化率高低會影響這兩個菌在瘤胃中的豐度。綜上可知，普雷沃氏菌通過直接或間接的方式對牛、羊瘤胃消化吸收碳水化合物發(fā)揮著作用，而普雷沃氏菌在瘤胃內(nèi)的豐度可間接反映動物機(jī)體對碳水化合物的消化水平。

2.2 普雷沃氏菌對蛋白質(zhì)降解的作用 布氏普雷沃氏菌、普雷沃氏短桿菌和棲瘤胃普雷沃氏菌等均屬于普雷沃氏菌科，這幾種菌均具有蛋白酶活性和纖維素酶基因（Kopecny等，2003）。同樣，Rosenberg（2014）報道稱普雷沃氏菌具有分泌蛋白酶的活性。徐愛秋等（2010）研究特定氨基酸缺省對蛋白質(zhì)降解的影響時發(fā)現(xiàn)，棲瘤胃普雷沃氏菌是蛋白質(zhì)降解菌的一種。此外，Xu和Gordon（2003）的研究結(jié)果表明，棲瘤胃普雷沃氏菌是牛、羊瘤胃中的蛋白質(zhì)降解菌。以上研究表明，普雷沃氏菌對于蛋白質(zhì)的降解發(fā)揮著積極的作用，瘤胃內(nèi)較高的普雷沃氏菌豐度可提高蛋白質(zhì)的降解利用水平。

2.3 普雷沃氏菌對瘤胃內(nèi)環(huán)境的改善作用 瘤胃內(nèi)環(huán)境具有一定的自我調(diào)節(jié)能力，使瘤胃內(nèi)維持動態(tài)的平衡狀態(tài)，而其中的瘤胃微生物對于穩(wěn)態(tài)的維持發(fā)揮著不可忽視的作用。普雷沃氏菌作為瘤胃優(yōu)勢菌屬，Chiquette 和 Allison（2012、2008）在高產(chǎn)奶牛上對其進(jìn)行試驗，以評價其預(yù)防亞急性酸中毒的作用。研究結(jié)果表明普雷沃氏菌雖然對預(yù)防瘤胃酸中毒無效，但可以改善瘤胃內(nèi)環(huán)境（Fraga等，2018）。由此可知，普雷沃氏菌在瘤胃內(nèi)的存在不僅具有營養(yǎng)方面的作用，可能同樣對動物機(jī)體瘤胃內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)發(fā)揮著作用。

3 瘤胃普雷沃氏菌豐度及變化

3.1 瘤胃普雷沃氏菌豐度 普雷沃氏菌在反芻動物瘤胃內(nèi)豐度頗高，據(jù)報道普雷沃氏菌屬可達(dá)瘤胃微生物總量的42%～60%（Stevenson等，2009）。伊福泉等（2018）在飼用不同精粗日糧的雷州山羊試驗中發(fā)現(xiàn)，瘤胃微生物細(xì)菌菌群中普雷沃氏菌_1屬和Rikenellaceae-RC9gutgroup豐富度最高，約占所有菌屬的62.88%。同樣，韓旭峰（2015）在研究110日齡陜北白絨山羊瘤胃微生物時發(fā)現(xiàn)，屬水平上占比例最高的為未分類瘤胃細(xì)菌，其次以普雷沃氏菌和理研菌為主要細(xì)菌。林波等（2016）的研究結(jié)果同樣表明，普雷沃氏菌為水牛瘤胃中主要優(yōu)勢菌。此外，胡丹丹等（2018）以及郭婷婷等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，泌乳早期奶牛瘤胃普雷沃氏菌屬占瘤胃總細(xì)菌豐度的56.05%與51.48%，未注釋的瘤胃普雷沃氏菌屬占3.85%與2.51%，同樣為奶牛瘤胃優(yōu)勢菌屬。以上研究均表明，在牛、羊瘤胃內(nèi)普雷沃氏菌具有較高的豐度，以其絕對的優(yōu)勢存在。

在不同的動物體瘤胃中，菌群具有其特異性和共有性。在Jami等（2012）的研究中發(fā)現(xiàn)，動物個體即使不同但細(xì)菌在分類上仍存在有半數(shù)以上的相似性，其中普雷沃氏菌屬的數(shù)量最多，但對于該菌具體的種類、數(shù)量、分布及未被培養(yǎng)的菌株作用，目前在本研究領(lǐng)域內(nèi)都還處于未知階段。在不同物種、不同生長條件、不同生長階段的牛、羊瘤胃中，普雷沃氏菌存在的具體含量可能存在細(xì)微的差別，但與其他菌種相比仍均具有極大的優(yōu)勢，為牛、羊瘤胃內(nèi)細(xì)菌菌群的主要優(yōu)勢菌。

3.2 瘤胃普雷沃氏菌豐度的變化 Ellison等（2017）及 Granja-Salcedo 等（2016）研究表明，日糧中粗蛋白質(zhì)、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的差異和瘤胃內(nèi)pH均會造成牛、羊瘤胃內(nèi)普雷沃氏菌物種和豐度的差異。 同樣，Jami等（2012）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)日糧中的纖維和淀粉含量發(fā)生改變時，哺乳奶牛瘤胃細(xì)菌群落中屬水平上豐度最高為普雷沃氏菌，而普雷沃氏菌所屬的擬桿菌門在門分類水平上豐度最高達(dá)51%。Pitta等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給水牛飼喂100%粗飼料時，纖維桿菌屬和球菌屬細(xì)菌要顯著高于精料與粗飼料比例為1∶1時，并且普雷沃氏菌屬數(shù)量是最多的。但Carberry等（2012）報道稱飼喂草料的小母牛比飼喂高精料小母牛瘤胃普雷沃氏菌更豐富，可能原因是普雷沃氏菌目前沒有系統(tǒng)的分類，具體菌屬的豐度變化不清。由上述一系列研究可知，采食日糧的精粗比對于瘤胃區(qū)系中普雷沃氏菌的豐度具有明顯的影響作用，但具體的機(jī)理目前鮮有報道。

日糧是影響牛、羊瘤胃微生物菌群的最關(guān)鍵因素，所以目前瘤胃微生物多樣性的研究和報道主要集中在不同粗飼料種類和日糧的精粗比方面。魏園（2018）發(fā)現(xiàn)不同粗飼料源日糧同樣會對瘤胃微生物區(qū)系產(chǎn)生明顯的影響。徐俊等（2015）研究稻草、苜蓿草、燕麥草和羊草4種不同粗飼料種類組成的日糧對奶牛瘤胃細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果顯示不同的粗飼料類型對瘤胃細(xì)菌的作用不同，稻草組和苜蓿組擬桿菌門的豐度顯著高于燕麥草組和羊草組，其中燕麥草組豐度最低；在屬水平上，能夠降解纖維的普雷沃氏菌屬和纖維桿菌屬仍為各處理組奶牛瘤胃細(xì)菌的兩大優(yōu)勢菌屬，各處理組中相對豐度最高的菌屬仍均為普雷沃氏菌屬。由此可知，采食日糧中不同的粗飼料來源會對普雷沃氏菌在瘤胃內(nèi)的豐度產(chǎn)生影響，可能與不同粗飼料結(jié)構(gòu)組成及營養(yǎng)成分含量有關(guān)。

牛、羊日糧中能量和蛋白質(zhì)的消化吸收與瘤胃微生物的生長存在著緊密的聯(lián)系 （Walker等，2005；Clark 等，1992），但據(jù) Cecava 等（1990）報道可知，日糧不同的能量水平對瘤胃細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)的組成影響較小。王堯悅（2017）研究日糧蛋白質(zhì)水平對瘤胃微生物的影響發(fā)現(xiàn)，隨著日糧蛋白質(zhì)水平的提高，屬水平上的棲瘤胃普雷沃氏菌（P.ruminicola）發(fā)生了顯著的變化，普雷沃氏菌屬的數(shù)量呈現(xiàn)線性增長的趨勢。據(jù)此可知，采食日糧中的蛋白質(zhì)水平會影響牛、羊瘤胃內(nèi)普雷沃氏菌的豐度，與蛋白質(zhì)水平呈正相關(guān)，這可能與普雷沃氏菌具有分泌蛋白酶的活性有關(guān)。

菌群區(qū)系的穩(wěn)定取決于多種因素，普雷沃氏菌的豐度同樣受到多種因素的作用。不同的動物品種、不同生理周期、不同的健康狀態(tài)也會使菌群存在差異（張為鵬等，2007）。普雷沃氏菌作為瘤胃優(yōu)勢菌屬，其種類和含量也會發(fā)生顯著的變化。在添加抗生素維吉尼亞霉素后，會導(dǎo)致肉牛瘤胃中的蛋白降解菌和淀粉降解菌數(shù)量產(chǎn)生明顯的下降（Poudel等，2018；郭同軍等，2009），普雷沃氏菌作為蛋白降解菌和淀粉降解菌的一種，豐度相應(yīng)產(chǎn)生變化。氨濃度過高也同樣會限制普雷沃氏菌的生長（Kim 等，2017），徐愛秋等（2010）研究不同的特定氨基酸缺省對蛋白降解菌的影響時發(fā)現(xiàn)，對棲瘤胃普雷沃氏菌的生長限制性作用 （相對于全量氨基酸組）排序為支鏈氨基酸＞芳香族氨基酸＞蛋氨酸＞賴氨酸。另外，魏園（2018）研究發(fā)現(xiàn)，普雷沃氏菌屬對濃縮的單寧具有耐受性，且張梅梅（2015）研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加不同水平單寧后雷沃氏菌顯著低于未添加組；添加聚乙二醇（PEG）后普雷沃氏菌顯著高于2%和6%單寧添加組，牛羊進(jìn)食日糧中單寧的存在對普雷沃氏菌的相對豐度亦會有一定的影。近年來，研究發(fā)現(xiàn)功能性寡糖具有調(diào)控動物胃腸道微生物生長和改變微生物區(qū)系組成的作用，郭成等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，泌乳早期奶牛日糧中添加異麥芽糖（60 g/頭·天），瘤胃普雷沃氏菌屬具有增加的趨勢。添加寡糖的種類不同，對菌群影響結(jié)果不同。胡丹丹等（2018）以及郭婷婷等（2018）研究結(jié)果表明，泌乳早期奶牛瘤胃普雷沃氏菌屬并未發(fā)生顯著性變化。綜上可知，普雷沃氏菌豐度會因動物機(jī)體自身因素、日糧成分和添加劑變化、抗生素的使用情況、動物機(jī)體氨基酸及抗?fàn)I養(yǎng)因子的存在等多種因素而發(fā)生變化，不同的影響因素所帶來的結(jié)果不盡相同，但具體的作用機(jī)理尚不明確。

4 展望

普雷沃氏菌是奶牛瘤胃優(yōu)勢菌屬，同時也存在多樣性，目前普雷沃氏菌生長和功能機(jī)理未能完全的探究清楚，今后的研究將趨于利用微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、分子生物學(xué)、組學(xué)等綜合技術(shù)，從普雷沃氏菌培養(yǎng)條件方法、互作效應(yīng)功能機(jī)理等方面著手，進(jìn)行普雷沃氏菌群功能的深入探索。