反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系建立的影響因素

孫武，馬世科，鄒小玉，馬玉紅

(青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，西寧 810016)

成年反芻動(dòng)物的瘤胃是消化道的重要器官，在營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收過程中占有十分重要的地位。瘤胃在其整個(gè)消化道消化吸收的功能中起到發(fā)酵的作用，而瘤胃中的微生物在瘤胃發(fā)揮其發(fā)酵功能時(shí)又具有重要的作用。瘤胃中含有復(fù)雜的微生物區(qū)系，主要是由細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和病毒組成，在成年反芻動(dòng)物瘤胃中微生物的生物量主要是由細(xì)菌組成(1010～1011個(gè)細(xì)胞/1g瘤胃液)[1,2]。特定的微生物區(qū)系不僅幫助宿主消化本身所不能消化的物質(zhì)，為宿主的生長發(fā)育提供所需要的能量和養(yǎng)分，而且產(chǎn)生的代謝物也可以滿足自身生長的營養(yǎng)需求。瘤胃中特定的環(huán)境也是微生物存在所必須的條件，如酸性環(huán)境、無氧條件等，這一系統(tǒng)的高效性在于其生理結(jié)構(gòu)，瘤胃為微生物的生長和發(fā)酵提供了穩(wěn)定的條件。瘤胃中的微生物與宿主之間的交互作用，有助于提高宿主的健康狀況、生產(chǎn)性能以及對疾病的抵抗力[3-5]。瘤胃微生物與宿主之間的關(guān)系以及宿主對瘤胃微生物區(qū)系產(chǎn)生的重要作用在最近的研究中越來越多[3,6]。反芻動(dòng)物通過瘤胃微生物的發(fā)酵可以利用大量植物纖維性飼料。近年來，隨著分子測序技術(shù)及多組學(xué)的飛速發(fā)展,瘤胃微生物的調(diào)控已成為反芻動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。在反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系建立的早期，進(jìn)行人為干預(yù)能夠使得微生物與宿主之間獲得比較穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡，從而保證動(dòng)物的健康發(fā)育。因此,研究反芻動(dòng)物瘤胃微生物的定植規(guī)律對科學(xué)調(diào)控瘤胃功能具有重要意義?；诖?本文先是探討了剛出生的反芻動(dòng)物瘤胃微生物的植入途徑，然后對反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系的建立過程進(jìn)行了綜述(主要是隨著日齡的變化微生物區(qū)系所產(chǎn)生的變化)，又從日糧這個(gè)影響瘤胃微生物區(qū)系建立的主要因素論述了最新的研究進(jìn)展。因此，探究反芻動(dòng)物瘤胃中微生物的定植、植入規(guī)律及其影響因素，對動(dòng)物健康利用飼草料實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)最大化具有重要的指導(dǎo)意義。此外，為反芻動(dòng)物早期科學(xué)飼養(yǎng)管理、營養(yǎng)調(diào)控以及斷奶期間的精細(xì)養(yǎng)殖提供參考依據(jù)。

1 新生反芻動(dòng)物瘤胃中微生物的定植

剛出生后的反芻動(dòng)物瘤胃中是不含有微生物的它們，后來通過與母體和環(huán)境接觸經(jīng)過媒介傳播給幼齡動(dòng)物。Curtis的研究結(jié)果表明，新出生的反芻動(dòng)物瘤胃中初始微生物植入的途徑主要包括陰道分娩、母體唾液、初乳和常乳[7]。母體在完成分娩的過程中，因?yàn)檠蛩泻写罅康奈⑸?，因此陰道分娩?huì)成為新生反芻動(dòng)物瘤胃植入微生物的第一步。新生反芻動(dòng)物出生后，母畜會(huì)舔去新生動(dòng)物身上的羊水，這樣就會(huì)通過母畜的唾液將微生物傳播給新生動(dòng)物。新生動(dòng)物出生后通過吮吸母畜的乳頭獲得初乳，母畜的乳頭上會(huì)有一定的微生物存在，這部分微生物就會(huì)進(jìn)入反芻動(dòng)物的瘤胃完成定植。初乳和常乳中除了含有營養(yǎng)物質(zhì)外也含有部分微生物，雖然乳液可以通過食管溝繞開瘤胃避免營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，但由于食管溝有時(shí)閉合不完整，所以仍然有部分乳液側(cè)漏進(jìn)入瘤胃[8]。新生反芻動(dòng)物通過與外界環(huán)境的接觸也會(huì)使得一部分微生物進(jìn)入體內(nèi)，最終在瘤胃內(nèi)定植。所有的植入途徑相互之間都不是獨(dú)立存在的，是通過許多植入途徑共同完成微生物的定植。綜上所述，新生反芻動(dòng)物的瘤胃中是無菌的,但出生后1d～2d 瘤胃內(nèi)便出現(xiàn)微生物,微生物的定植會(huì)引起宿主營養(yǎng)物質(zhì)消化代謝的變化。幼齡反芻動(dòng)物從以消化母乳為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵暳蠟橹鳎谶@一過程中瘤胃微生物的種類與數(shù)量也隨之發(fā)生改變[9]。最終幼齡反芻動(dòng)物成年后，發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物區(qū)系趨于穩(wěn)定，種類和數(shù)量變化不大。

2 瘤胃中微生物日齡變化規(guī)律

最近，一則研究14日齡和42日齡小牛瘤胃中微生物區(qū)系的報(bào)道表明，瘤胃中的微生物與功能隨著日齡而產(chǎn)生變化[10]。幼齡反芻動(dòng)物瘤胃在厭氧條件下功能的建立以及微生物的測定已經(jīng)能夠早達(dá)2日齡。Fonty[12]的動(dòng)物飼養(yǎng)試驗(yàn)表明，羔羊瘤胃中微生物的植入這一過程發(fā)生在2日～7日齡之間。幼齡反芻動(dòng)物出生后的一周內(nèi)，瘤胃中兼性厭氧菌和需氧菌包括乳酸發(fā)酵菌占據(jù)主導(dǎo)地位，但是到出生后3～6周就會(huì)下降到成年動(dòng)物的水平[12-15]。蛋白降解菌在10周齡之前占總菌的1%～2%，到12周齡占到的比例能達(dá)到10%，淀粉分解菌所占的比例隨著日齡的增加而增加[14]。在反芻動(dòng)物出生后的最初幾天，微生物種群以及瘤胃的功能剛剛開始建立，但是關(guān)于這方面的資料卻比較少[11]。許多研究表明，在幼齡反芻動(dòng)物瘤胃的發(fā)育過程中，微生物的植入是一個(gè)確定漸進(jìn)的建立過程。動(dòng)物剛出生后，瘤胃會(huì)植入?yún)捬?、兼性厭氧和好氧?xì)菌，但是隨日齡增長它們逐漸會(huì)被專性厭氧菌所取代。在未攝入固體飼料的幼齡羔羊(2d～4d)未發(fā)育的瘤胃中，產(chǎn)甲烷古菌和纖維素分解菌就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，在出生后日齡達(dá)到10d左右，瘤胃中的這兩類菌的數(shù)量幾乎接近成年動(dòng)物[16]。

在反芻動(dòng)物出生后的第一周，因?yàn)閯?dòng)物攝入的乳液幾乎全部會(huì)通過食管溝繞過瘤胃直接進(jìn)入皺胃，因此瘤胃并沒有發(fā)揮功能[17]。幼齡反芻動(dòng)物瘤胃的消化吸收功能與成年動(dòng)物相比是不健全的，因?yàn)槠渖斫Y(jié)構(gòu)還不夠完整，例如瘤胃壁上的乳頭[14,17]。日齡是瘤胃結(jié)構(gòu)和生理特性發(fā)生變化的主要因素，瘤胃的變化又可以聯(lián)系到瘤胃中微生物的變化，例如瘤胃的發(fā)酵產(chǎn)物為微生物生長提供環(huán)境和營養(yǎng)，因此日齡是影響瘤胃中微生物變化的重要因素[18,19]。早期關(guān)于新生反芻動(dòng)物瘤胃中微生物群落出現(xiàn)的研究表明，在幾乎接近剛出生時(shí)，需氧菌和兼性厭氧菌就開始在瘤胃中定植，在6～8周齡時(shí)逐漸下降并被厭氧菌所代替[12,13,20]。但是具有降解纖維素能力的細(xì)菌在出生后3d～5d才出現(xiàn)，直到2～3周數(shù)量和種類才變得豐富[11,19]。反芻動(dòng)物的瘤胃發(fā)育完整后，瘤胃中的微生物區(qū)系會(huì)達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。雖然斷奶期間反芻動(dòng)物瘤胃微生物群落比新生幼畜更趨同于成年動(dòng)物，但斷奶期間的幼齡反芻動(dòng)物瘤胃和成年動(dòng)物瘤胃之間存在相當(dāng)大的差異[21,22]，需在多種因素的共同作用下逐漸發(fā)育形成成熟穩(wěn)定的微生物區(qū)系。然而，這些研究都是基于經(jīng)典的微生物學(xué)方法并且所得到的結(jié)果都是相對于總菌的一個(gè)比例值，并沒有得出絕對值[23]。因此，關(guān)于新生反芻動(dòng)物瘤胃中微生物的初級(jí)群落系統(tǒng)以及瘤胃中成分的研究就會(huì)受到限制[24,25]。

3 日糧對反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系的影響

反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系除了隨著日齡變化而產(chǎn)生變化外，日糧的變化也會(huì)使反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系產(chǎn)生很大的變化。在反芻動(dòng)物斷奶后開始攝入固體料或者在斷奶前補(bǔ)飼固體料時(shí)，瘤胃中微生物種群會(huì)發(fā)生很大的變化。在動(dòng)物未攝入固體料前，瘤胃很少發(fā)揮消化作用，并且也沒有參與植物性纖維素的消化，因此降解纖維素的細(xì)菌在數(shù)量和豐度方面都比較小。然而隨著固體料的攝入，降解纖維素的細(xì)菌在數(shù)量和豐度方面都會(huì)增加。在Rey等[26]人的研究中，剛出生的牛犢供給初乳直到出生后第3天，從第3天到第83天供給代乳品、精料以及草粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)瘤胃中微生物區(qū)系的變化出現(xiàn)三個(gè)階段，剛出生到出生后第2天的第一個(gè)階段里，瘤胃中開始出現(xiàn)厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門，變形菌門占到總菌的70%；在第3天到第14天的第二個(gè)階段，擬桿菌門占主導(dǎo)地位，其他的一些菌屬也具有較高的豐度，如普雷沃氏菌屬、放線桿菌屬、梭桿菌屬和鏈球菌屬；在第15天到第83天的第三個(gè)階段，隨著日齡的增加，擬桿菌門主要是以普雷沃氏菌為主，放線菌屬、梭桿菌屬以及鏈球菌屬已經(jīng)幾乎檢測不到。出現(xiàn)這種差異的原因在于試驗(yàn)牛采食的營養(yǎng)物質(zhì)構(gòu)成的不同，在第一個(gè)階段，飼糧全部是高蛋白的初乳，在第二個(gè)階段主要是代乳品和精料，在第三個(gè)階段草粉的攝入量逐漸增加。在Jiao等[27]人的研究中剛出生的山羊羔供給母乳直到出生后第20天，出生后第20天到第40天供給母乳、草粉和精料，第40天斷奶后到第70天供給精料和草粉，結(jié)果發(fā)現(xiàn)變形菌門、厚壁菌門、和擬桿菌門分別被檢測到，但是隨著日齡的變化各菌門所占的比例產(chǎn)生了巨大的變化，通過與瘤胃中揮發(fā)性脂肪酸的關(guān)聯(lián)性分析發(fā)現(xiàn)，總揮發(fā)性脂肪酸濃度與丁酸弧菌屬、彎曲菌屬和脫硫球莖菌屬的豐度成正相關(guān)關(guān)系，與擬桿菌屬、大腸桿菌屬和梭桿菌屬成負(fù)相關(guān)關(guān)系。反芻動(dòng)物飼糧由以母乳為主的液體料轉(zhuǎn)換為以精料為主的固體料然后再轉(zhuǎn)換為以粗料為主的高NDF值的固體料，瘤胃中的微生物區(qū)系會(huì)產(chǎn)生巨大的變化。

改變?nèi)占Z的組成能夠改變瘤胃微生物區(qū)系，在日糧中添加劑也能夠使瘤胃微生物區(qū)系產(chǎn)生變化。Hungate RE等[1]研究表明: 在日糧中添加煙酸不僅能夠降低瘤胃中乙酸的濃度，升高丙酸濃度,而且使瘤胃微生物蛋白合成增加，進(jìn)而使微生物區(qū)系改變。日糧中添加膽堿、礦物質(zhì)元素、抗生素和酵母培養(yǎng)物等也能改變微生物區(qū)系的組成。Hristov等[28]報(bào)道中等精料水平轉(zhuǎn)為高精料水平時(shí)，原蟲Entodinium從 89%上升到91%，中等精料水平存在的其他種屬卻未能檢出。

有趣的是，在一篇關(guān)于非洲和歐洲兒童腸道中微生物差異的研究中，也闡述了飲食對消化道微生物區(qū)系的影響。研究表明，非洲兒童腸道中普雷沃氏菌占到腸道細(xì)菌的53%，而歐洲兒童腸道中擬桿菌門卻是占主導(dǎo)[29]。出現(xiàn)這種差異主要是由于非洲兒童的飲食中纖維含量高，而歐洲兒童的飲食中蛋白質(zhì)、脂肪和糖類高，但是纖維含量偏低。這種飲食上的差異造成的結(jié)果類似于Kehoe等[30]研究，未斷奶的幼齡反芻動(dòng)物獲取營養(yǎng)的重要途徑就是母乳，而母乳中含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪和糖類，而斷奶后的反芻動(dòng)物日糧的重要組成就是植物性纖維。當(dāng)高能量的日糧被攝入時(shí)，擬桿菌的數(shù)量和豐度就會(huì)增加；當(dāng)高纖維的日糧被攝入時(shí)，普雷沃氏菌的數(shù)量和豐度就會(huì)增加。Kehoe等[30]人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果正好符合這一觀點(diǎn)。

4 其他因素

反芻動(dòng)物所處外界環(huán)境及其內(nèi)在生理等也會(huì)間接影響瘤胃微生物區(qū)系的建立，如新生幼齡宿主差異[31]、反芻動(dòng)物飼養(yǎng)管理[32]等因素。幼崽出生后與母體分離并逐漸食用代乳品及開食料，在此轉(zhuǎn)變過程中因飼養(yǎng)管理等因素引起幼齡反芻動(dòng)物生長和健康指標(biāo)的變化會(huì)影響瘤胃微生物群落[21]。此外，幼齡反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系在發(fā)育的過程中，還會(huì)受消化道內(nèi)環(huán)境以及代謝物的影響。例如丁酸鹽、瘤胃pH 等。例如，O’hara 等[33]發(fā)現(xiàn)外源性丁酸鹽可以在犢牛出生后的前幾周改變瘤胃和后腸中的微生物組成和發(fā)酵。瘤胃pH受揮發(fā)性脂肪酸的調(diào)控，研究發(fā)現(xiàn)瘤胃細(xì)菌多樣性和相對豐度與瘤胃pH息息相關(guān)[34]。

5 研究展望

反芻動(dòng)物瘤胃中的微生物與宿主在幾百萬年里共同進(jìn)化，我們可以將反芻動(dòng)物的瘤胃作為一個(gè)模型來研究微生物的進(jìn)化歷程。瘤胃微生物區(qū)系的早期建立和發(fā)育是幼齡反芻動(dòng)物早期飼養(yǎng)管理的重要目標(biāo)之一。斷奶期間反芻動(dòng)物瘤胃微生物發(fā)生的巨大變化對瘤胃早期發(fā)育和斷奶后幼齡動(dòng)物的健康和產(chǎn)奶有重要影響。瘤胃在發(fā)育的過程中受飼養(yǎng)管理中固體飼料、斷奶過程、日齡、日糧類型等諸多因素作用。因此，良好的瘤胃微生物區(qū)系發(fā)育是幼齡反芻動(dòng)物健康發(fā)育的基礎(chǔ)。瘤胃中微生物的來源途徑、日齡如何影響瘤胃中的微生物以及日糧的改變是如何使微生物區(qū)系產(chǎn)生變化，這一系列問題仍然需要我們做進(jìn)一步的研究，為實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐提供幫助。