楊瑞鑫 李 勇,2 蔡小芳 韓鋮星 郭艷麗*
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,蘭州730070;2.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院牧業(yè)工程學(xué)院,鄭州451450)
反芻動(dòng)物的瘤胃發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,涉及營(yíng)養(yǎng)和生理信號(hào)之間的相互作用[1]。補(bǔ)飼開(kāi)食料有利于瘤胃的早期發(fā)育,提高養(yǎng)分的消化吸收,促進(jìn)反芻動(dòng)物的生產(chǎn)性能[2]。研究表明,能量飼料的加工方式是影響開(kāi)食料營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要因素之一。玉米是反芻動(dòng)物開(kāi)食料中最常使用的能量飼料。開(kāi)食料中玉米的加工方式包括粉碎、破碎、干輾壓、擠壓膨化和蒸汽壓片等[3-4]。有關(guān)開(kāi)食料中玉米加工方式的比較研究結(jié)果表明,開(kāi)食料中的玉米經(jīng)過(guò)蒸汽壓片處理有助于增加犢牛瘤胃中內(nèi)切葡聚糖酶的穩(wěn)定性和β-葡萄糖苷酶的活性,提高瘤胃纖維分解菌的活性和微生物蛋白合成,促進(jìn)瘤胃發(fā)育[5],減少尿氮排泄[6],升高血液中β-羥丁酸鹽和非酯化脂肪酸的濃度[7]。但以上報(bào)道多以犢牛為研究對(duì)象,以羔羊?yàn)樵囼?yàn)動(dòng)物的研究較少。僅有的研究結(jié)果表明,與磨碎的玉米相比,含有加工過(guò)的玉米(浸泡48 h)的飼糧提高了羔羊瘤胃乳頭高度和上皮厚度[8]。本團(tuán)隊(duì)前期的研究結(jié)果表明,由蒸汽壓片玉米(steam-flaked corn,SFC)構(gòu)成的開(kāi)食料比由粉碎玉米(ground corn,GC)構(gòu)成的開(kāi)食料促進(jìn)了湖羊羔羊早期斷奶前后的瘤胃[9]和小腸發(fā)育,提高了養(yǎng)分的消化率[10],使瘤胃微生物組發(fā)生改變[11],促進(jìn)了羔羊早期采食量以及體重、體尺的提高[9]。
代謝組學(xué)可以迅速、全面和準(zhǔn)確地反映飼糧、營(yíng)養(yǎng)供給種類(lèi)和供給量及飼養(yǎng)環(huán)境變化所引起的動(dòng)物體內(nèi)小分子代謝物的變化過(guò)程,通過(guò)代謝物差異對(duì)比及代謝途徑分析可以揭示其營(yíng)養(yǎng)代謝機(jī)制和調(diào)控作用機(jī)理[12]。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入瘤胃后經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸、氨基酸、肽以及其他代謝產(chǎn)物,最終被各個(gè)組織器官利用或排出。因此,使用代謝組學(xué)方法,可以較為系統(tǒng)地反映瘤胃內(nèi)營(yíng)養(yǎng)與代謝的復(fù)雜關(guān)系。但是,有關(guān)開(kāi)食料中玉米加工方式對(duì)羔羊瘤胃代謝組影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。
本試驗(yàn)就不同加工方式玉米構(gòu)成的開(kāi)食料對(duì)羔羊血清生化指標(biāo)和瘤胃代謝組的影響進(jìn)行研究,以揭示不同開(kāi)食料對(duì)羔羊瘤胃發(fā)育影響的機(jī)理。
選擇24只平均體重為(5.04±0.75) kg的健康、體況良好的8日齡湖羊公羔(購(gòu)自甘肅省白銀市康瑞種羊養(yǎng)殖公司),隨機(jī)分為2組,每組12只。2組羔羊分別飼喂含粉碎玉米和蒸汽壓片玉米的開(kāi)食料,飼喂至42日齡飼養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)束。
羔羊出生后,跟隨母羊哺乳,4日齡開(kāi)始誘飼代乳粉,8日齡斷母乳,分組,單籠飼養(yǎng)。所有羔羊按體重的2%飼喂代乳粉(每天分3次等量飼喂),同時(shí)開(kāi)始飼喂開(kāi)食料(自由采食),自由飲水,在35日齡停止飼喂代乳粉,其他按照肉羊常規(guī)飼養(yǎng)管理程序進(jìn)行[13]。
參考NRC(2007)肉羊飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)開(kāi)食料配方(表1)。開(kāi)食料委托甘肅傲農(nóng)飼料科技有限公司(武威)進(jìn)行加工。粉碎玉米組是將所有原料粉碎后環(huán)模制粒(溫度84~86 ℃;壓縮比1∶5;直徑6 mm);蒸汽壓片玉米組是將玉米進(jìn)行蒸汽壓片處理,然后破碎成4~5 mm的小塊(方便羔羊采食),除玉米外的其他原料以粉碎玉米組的制粒工藝制成顆粒料,然后在飼喂時(shí)將破碎的蒸汽壓片玉米和顆粒料按比例混合均勻。
表1 開(kāi)食料組成及營(yíng)養(yǎng)水平(風(fēng)干基礎(chǔ))
分別在斷奶前的21日齡和斷奶后的42日齡的早飼前(禁食12 h),從每組隨機(jī)選擇6只羔羊,頸靜脈采集約10 mL血液于抗凝采血管中,制備血清,保存于-20 ℃?zhèn)錅y(cè)血清生化指標(biāo)。采血后將羔羊屠宰,收集瘤胃內(nèi)容物,裝入EP管,迅速置于液氮中,后轉(zhuǎn)入-80 ℃保存,備測(cè)代謝組(斷奶前每組5個(gè)樣本,斷奶后每組6個(gè)樣本)。
1.5.1 血清生化指標(biāo)
采用試劑盒(購(gòu)自南京建成生物工程研究所)測(cè)定血清中葡萄糖(GLU)、總蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、尿素氮(UN)、甘油三酯(TG)、總膽固醇(TC)、β-羥丁酸(BHBA)的濃度及乳酸脫氫酶(LDH)、堿性磷酸酶(AKP)、谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)的活性。
1.5.2 瘤胃代謝組
委托北京諾禾致源科技股份有限公司(中國(guó))完成瘤胃代謝組學(xué)分析。樣品經(jīng)預(yù)處理后采用液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)檢測(cè)。采用Hyperil Gold column(C18)色譜柱;正離子模式:流動(dòng)相A為0.1%甲酸,流動(dòng)相B為甲醇;負(fù)離子模式:流動(dòng)相A為5 mmol/L醋酸銨(pH 9.0),流動(dòng)相B為甲醇;柱溫40 ℃,流速0.2 mL/min。質(zhì)譜條件:毛細(xì)管溫度320 ℃,鞘層氣體壓力35 psi,輔助氣體流速3 L/min;電噴霧電離源(ESI源):噴霧電壓3.2 kV,掃描范圍為100~1 500 m/z。
用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)血清生化指標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),以P<0.05作為差異顯著性標(biāo)準(zhǔn)。用Meta X軟件對(duì)瘤胃代謝物進(jìn)行主成分分析(PCA)和偏最小二乘判別分析(PLS-DA)。利用PLS-DA模型,通過(guò)變量投影重要度(VIP)和差異倍數(shù)(FC),并結(jié)合t檢驗(yàn)的P值來(lái)鑒定差異代謝物,以VIP>1.0、FC>2或FC<0.5且P<0.05為篩選標(biāo)準(zhǔn)。用KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)研究代謝物的功能和代謝通路,以P<0.05作為關(guān)鍵代謝通路的判別標(biāo)準(zhǔn)。
由表2可知,蒸汽壓片玉米組血清中尿素氮和β-羥丁酸的濃度在斷奶前、后均顯著高于粉碎玉米組(P<0.05),斷奶前分別提高42.84%和24.74%,斷奶后分別提高66.33%和14.32 %;所測(cè)其他血清生化指標(biāo)2組間無(wú)顯著差異(P>0.05)。
表2 開(kāi)食料中玉米不同加工方式對(duì)羔羊血清生化指標(biāo)的影響
2.2.1 PCA和PLS-DA
由PCA(圖1)可知,2組樣本均能較好地聚集在一起,可進(jìn)一步分析研究2組的瘤胃代謝物差異。在PLS-DA模型(圖2)中,2組樣本被明顯地區(qū)分開(kāi),說(shuō)明2組羔羊瘤胃代謝物存在明顯差異。由置換檢驗(yàn)結(jié)果(圖3)可以看出,代表模型解釋率的R2和代表模型預(yù)測(cè)率的Q2均表現(xiàn)良好,說(shuō)明該模型對(duì)2組樣本的區(qū)分有較好的解釋和預(yù)測(cè)。
a:斷奶前正離子模式;b:斷奶前負(fù)離子模式;c:斷奶后正離子模式;d:斷奶后負(fù)離子模式。圖2和圖3同。
圖2 PLS-DA散點(diǎn)圖
圖3 置換檢驗(yàn)結(jié)果
2.2.2 差異代謝物
經(jīng)LC-MS檢測(cè)、預(yù)處理和過(guò)濾后,共得到2 748個(gè)正離子和1 158個(gè)負(fù)離子代謝物。采用PLS-DA模型第1主成分的VIP值,以VIP>1.0、FC>2或FC<0.5且P<0.05為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選后,共得到862個(gè)差異代謝物。與粉碎玉米組相比,蒸汽壓片玉米組在斷奶前、后分別有398和60個(gè)代謝物的相對(duì)濃度顯著增加,顯著降低的代謝物分別有97和307個(gè)(圖4)。
圖4 差異代謝物
進(jìn)一步就與瘤胃發(fā)育密切相關(guān)的代謝物[14]進(jìn)行篩選,其中的差異代謝物見(jiàn)表3。與粉碎玉米組相比,在斷奶前,蒸汽壓片玉米組天冬氨酸、谷氨酸、組氨酸、乙酰膽堿、5-羥色胺和戊二酸的相對(duì)濃度顯著增加,檸檬酸、D-葡萄糖酸、蔗糖和α-D-葡萄糖-1,6-二磷酸的相對(duì)濃度顯著降低;斷奶后,蒸汽壓片玉米組的3-磷酸甘油醛的相對(duì)濃度顯著增加,苯丙氨酸、花生四烯酸、泛酸、琥珀酰膽堿和煙酰胺的相對(duì)濃度顯著降低。
2.2.3 差異代謝物富集通路
由圖5可知,在斷奶前,正離子差異代謝物主要富集到α-亞麻酸代謝、cAMP信號(hào)通路、味覺(jué)傳導(dǎo)(圖5-A);負(fù)離子差異代謝物主要富集到氨酰-tRNA生物合成,ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,精氨酸和脯氨酸代謝,組氨酸代謝,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝(P<0.05)(圖5-B);在斷奶后,正離子差異代謝物主要富集到細(xì)胞色素P450對(duì)外源性藥物代謝、FcεRI信號(hào)通路以及磷酸鹽和亞磷酸鹽代謝(圖5-C);負(fù)離子差異代謝物主要富集到萜類(lèi)化合物主鏈的生物合成(圖5-D)。
表3 瘤胃發(fā)育密切相關(guān)的差異代謝物
圖中縱坐標(biāo)為富集通路,橫坐標(biāo)為比例(通路中差異代謝物的數(shù)目/該通路中鑒定出總代謝物數(shù)目),點(diǎn)的顏色代表P值的-log10值,點(diǎn)的大小代表相應(yīng)通路中差異代謝物的數(shù)目。
血液(血清)生化指標(biāo)能夠直接反映機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)水平、代謝和健康狀況[15]。血液中的尿素氮是反芻動(dòng)物體內(nèi)可循環(huán)利用的含氮有機(jī)物代謝的終產(chǎn)物,可作為蛋白質(zhì)代謝和飼糧氨基酸平衡的重要指標(biāo)。尿素氮的一部分隨血液重新返回瘤胃,構(gòu)成瘤胃氮素循環(huán)[16]。本試驗(yàn)中,蒸汽壓片玉米組羔羊在斷奶前、后血清中尿素氮的濃度均顯著高于粉碎玉米組的結(jié)果說(shuō)明,含蒸汽壓片玉米的開(kāi)食料可能更有利于羔羊?qū)Φ脑倮?。阿米娜木·司馬義[17]用犢牛所做的試驗(yàn)得到類(lèi)似結(jié)果,與顆?;_(kāi)食料相比,采食含蒸汽壓片玉米開(kāi)食料的犢牛血清中尿素氮的濃度顯著較高。β-羥丁酸被認(rèn)為是瘤胃上皮細(xì)胞發(fā)育成熟的標(biāo)志,在瘤胃中由揮發(fā)性脂肪酸代謝產(chǎn)生的β-羥丁酸可以通過(guò)瘤胃基底層外側(cè)的單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸至血液。β-羥丁酸也是組織生長(zhǎng)、細(xì)胞增殖的重要調(diào)節(jié)因子,可通過(guò)促進(jìn)瘤胃脂類(lèi)代謝相關(guān)基因,刺激能量生成水平和瘤胃乳頭發(fā)育[18]。本試驗(yàn)中,蒸汽壓片玉米組羔羊在斷奶前、后血清中β-羥丁酸的濃度均顯著高于粉碎玉米組,說(shuō)明玉米經(jīng)蒸汽壓片處理后可能更有利于β-羥丁酸的生成與運(yùn)輸,從而刺激瘤胃發(fā)育。Rastgoo等[19]得到類(lèi)似結(jié)果,與粉碎玉米相比,飼喂含蒸汽壓片玉米開(kāi)食料的犢牛血清中β-羥丁酸的濃度升高。
代謝組學(xué)是對(duì)代謝機(jī)制的研究,通過(guò)測(cè)量整個(gè)生物樣本中的代謝產(chǎn)物并通過(guò)闡明潛在的化學(xué)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的[20]。反芻動(dòng)物的表型特征受瘤胃微生物群的影響,其功能可以通過(guò)瘤胃代謝物來(lái)反映[21]。不同種類(lèi)的微生物所調(diào)控的代謝通路是不同的,從而影響代謝物的生成。不同的代謝物及不同的代謝通路會(huì)影響相關(guān)組織器官的發(fā)育[22]。本課題組前期研究結(jié)果表明,由蒸汽壓片玉米構(gòu)成的開(kāi)食料更有利于羔羊斷奶前、后的瘤胃發(fā)酵以及優(yōu)勢(shì)菌群的建立[11],反映在本試驗(yàn)中則是2組羔羊的瘤胃代謝物顯著不同。Saleem等[23]研究發(fā)現(xiàn),飼喂不同谷物含量飼糧的奶牛,其瘤胃代謝物有顯著差異。本課題組前期研究還發(fā)現(xiàn),蒸汽壓片玉米組羔羊的采食量始終高于粉碎玉米組,且在后2周差異顯著[9];在組織形態(tài)上,蒸汽壓片玉米組羔羊的瘤胃乳頭高度、乳頭寬度、肌層厚度和相對(duì)重量均較粉碎玉米組顯著增加[10]。結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果,說(shuō)明含蒸汽壓片玉米的開(kāi)食料可能通過(guò)增加羔羊采食量、促進(jìn)瘤胃發(fā)酵、幫助優(yōu)勢(shì)菌群建立,進(jìn)而改變了瘤胃內(nèi)的代謝物及其代謝通路,并最終促進(jìn)了羔羊在斷奶前、后瘤胃的發(fā)育。
氨基酸對(duì)微生物的生長(zhǎng)和新陳代謝有重要作用,其也是蛋白質(zhì)和多肽合成的關(guān)鍵成分,并調(diào)節(jié)多種代謝通路[24]。天冬氨酸是一種非必需氨基酸,是瓜氨酸轉(zhuǎn)化為精氨酸的代謝途徑所必須的[25],天冬氨酸還可以轉(zhuǎn)化為草酰乙酸參與三羧酸循環(huán)過(guò)程。精氨酸主要參與三羧酸循環(huán)和尿素循環(huán)[26]。組氨酸可在組氨酸脫羧酶的作用下轉(zhuǎn)化為組胺,具有強(qiáng)烈的舒血管作用。組氨酸也是一種神經(jīng)遞質(zhì),參與神經(jīng)調(diào)節(jié),刺激胃酸和胃蛋白酶的分泌[27]。谷氨酸是三羧酸循環(huán)中間底物的最大貢獻(xiàn)者,飼糧組成可能通過(guò)三羧酸循環(huán)來(lái)改變瘤胃上皮細(xì)胞中谷氨酸的分解代謝[28]。本試驗(yàn)中,蒸汽壓片玉米組羔羊斷奶前瘤胃中天冬氨酸、組氨酸和谷氨酸的相對(duì)濃度顯著升高的結(jié)果說(shuō)明,含蒸汽壓片玉米的開(kāi)食料可能通過(guò)增加三羧酸循環(huán)和尿素循環(huán)的底物、刺激味覺(jué)受體以及參與神經(jīng)調(diào)節(jié)促進(jìn)瘤胃發(fā)育。還有研究報(bào)道,瘤胃中天冬氨酸、谷氨酸濃度與血漿尿素濃度之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性,這3種代謝物都參與反芻動(dòng)物體內(nèi)的尿素氮代謝,表明瘤胃和血液中的氮代謝是共同調(diào)節(jié)的[29],飼喂含蒸汽壓片玉米的開(kāi)食料可能使多余的氨(NH3)進(jìn)入宿主循環(huán),隨后在肝臟轉(zhuǎn)化為尿素,從而使血液中尿素氮濃度升高。苯丙氨酸在體內(nèi)通常會(huì)被相關(guān)酶催化分解為多種活性物質(zhì),如神經(jīng)遞質(zhì)、激素和酪氨酸等,對(duì)動(dòng)物的生理活動(dòng)產(chǎn)生影響[22]。此外,苯丙氨酸屬于生糖兼生酮氨基酸,在體內(nèi)可轉(zhuǎn)化為糖或酮體等物質(zhì)參與能量代謝。本試驗(yàn)中,斷奶后蒸汽壓片玉米組羔羊瘤胃內(nèi)苯丙氨酸濃度降低可能是因?yàn)楹羝麎浩衩椎拈_(kāi)食料使瘤胃內(nèi)分解代謝增強(qiáng),苯丙氨酸轉(zhuǎn)化為了糖、酮體或其他活性物質(zhì),參與瘤胃內(nèi)代謝。
蔗糖在動(dòng)物體內(nèi)的利用需要被水解成果糖和葡萄糖[30]。葡萄糖在無(wú)氧的情況下進(jìn)入糖酵解途徑生成丙酮酸,在有氧條件下生成乙酰輔酶A,參與三羧酸循環(huán)[31]。葡萄糖酸由葡萄糖氧化而來(lái),是重要的供能物質(zhì)。本試驗(yàn)中,蒸汽壓片玉米組羔羊瘤胃中的蔗糖和D-葡萄糖酸的相對(duì)濃度顯著降低,可能是這些代謝物進(jìn)入糖酵解過(guò)程的結(jié)果。3-磷酸甘油醛是糖酵解過(guò)程的重要中間產(chǎn)物,由果糖-1,6-二磷酸轉(zhuǎn)化而來(lái),蒸汽壓片玉米組3-磷酸甘油醛的相對(duì)濃度顯著上升,同樣說(shuō)明可能更多的蔗糖和D-葡萄糖酸進(jìn)入了糖酵解從而產(chǎn)生了更多的中間產(chǎn)物。檸檬酸是三羧酸循環(huán)重要的中間產(chǎn)物,由乙酰輔酶A和草酰乙酸縮合而成,但是在本試驗(yàn)中,蒸汽壓片玉米組羔羊瘤胃中檸檬酸的相對(duì)濃度顯著降低,具體的原因還有待進(jìn)一步研究。
胃腸道中存在許多神經(jīng)遞質(zhì),如去甲腎上腺素、5-羥色胺和乙酰膽堿等,能夠調(diào)節(jié)胃腸運(yùn)動(dòng)、黏膜血管擴(kuò)張、血流增加和物質(zhì)吸收等[32]。本試驗(yàn)中,蒸汽壓片玉米組羔羊瘤胃內(nèi)的乙酰膽堿和5-羥色胺的相對(duì)濃度顯著升高的結(jié)果說(shuō)明,含蒸汽壓片玉米的開(kāi)食料可能更有利于刺激胃腸神經(jīng)系統(tǒng)分泌較多的神經(jīng)遞質(zhì),促進(jìn)瘤胃的發(fā)育以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。
花生四烯酸在體內(nèi)分布廣泛,可在環(huán)氧合酶的作用下生成前列腺素E2,前列腺素E2是一種重要的細(xì)胞生長(zhǎng)因子和調(diào)節(jié)因子。本試驗(yàn)中,蒸汽壓片玉米組羔羊瘤胃內(nèi)花生四烯酸的相對(duì)濃度顯著降低,原因可能是花生四烯酸被催化生成前列腺素從而刺激瘤胃細(xì)胞的生長(zhǎng)。
B族維生素具有許多不同的功能,通常在生化反應(yīng)中充當(dāng)輔酶或輔助因子[33]。瘤胃微生物可以合成B族維生素。煙酸及其衍生物煙酰胺通常轉(zhuǎn)化為煙酰胺腺嘌呤二核甘酸(NAD)和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)發(fā)揮作用[23]。本試驗(yàn)中,蒸汽壓片玉米組羔羊瘤胃內(nèi)泛酸和煙酰胺的相對(duì)濃度均顯著降低的結(jié)果說(shuō)明,開(kāi)食料中玉米的加工方式會(huì)影響瘤胃中的此類(lèi)維生素的生成。有研究表明,玉米的粉碎粒度會(huì)影響瘤胃中B族維生素的生物合成,與大顆粒(過(guò)6 mm篩)相比,小顆粒(過(guò)2 mm篩)可以增加煙酸、鈷胺素和葉酸的合成量,減少核黃素的降解量[34]。本試驗(yàn)中,蒸汽壓片玉米組羔羊瘤胃中泛酸和煙酰胺的相對(duì)濃度顯著降低可能是因?yàn)檎羝麎浩衩子绊懥肆鑫竷?nèi)維生素代謝,使瘤胃內(nèi)降解或吸收量大于合成量,具體原因還需要進(jìn)一步研究。
與含粉碎玉米的開(kāi)食料相比,含蒸汽壓片玉米的開(kāi)食料顯著增加了羔羊血清中尿素氮、β-羥丁酸的濃度,顯著增加了瘤胃代謝物中天冬氨酸、谷氨酸、組氨酸和3-磷酸甘油醛等的相對(duì)濃度,顯著降低了瘤胃代謝物苯丙氨酸、花生四烯酸、檸檬酸、蔗糖和葡萄糖酸等的相對(duì)濃度,并改變了相關(guān)代謝途徑,這可能是其較含粉碎玉米的開(kāi)食料更能促進(jìn)羔羊瘤胃發(fā)育的一個(gè)重要原因。