圍產(chǎn)期奶牛瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)與功能變化研究進(jìn)展

趙小偉 張養(yǎng)東 鄭 楠 王加啟*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部奶及奶制品質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193;2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所,畜禽產(chǎn)品安全工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830052)

圍產(chǎn)期一般指奶牛分娩前3周和分娩后3周之間的時期[1-2],是奶牛整個泌乳周期中最關(guān)鍵階段之一,因?yàn)閺哪阁w向胎兒和初乳及牛奶中流失的營養(yǎng)物質(zhì)迅速增加,該階段飼養(yǎng)管理的成功與否將直接影響奶牛的健康、生產(chǎn)性能及繁殖性能[3-5]。圍產(chǎn)期奶牛初乳和牛奶合成對能量和各種營養(yǎng)物質(zhì)有更高的需求,加上采食量的降低,容易造成圍產(chǎn)期奶牛出現(xiàn)能量負(fù)平衡。為了滿足自身維持、胎兒生長以及產(chǎn)后泌乳的需要,奶牛需要大量調(diào)動身體儲備,主要是體脂動員,但也有蛋白質(zhì)動員。雖然能量負(fù)平衡對于哺乳動物是一種正常生理現(xiàn)象,但在現(xiàn)代高產(chǎn)奶牛中觀察到的持續(xù)時間和程度都代表了生物學(xué)的一個極端,當(dāng)奶牛無法適應(yīng)這種變化挑戰(zhàn)時,就會導(dǎo)致機(jī)體功能紊亂,誘發(fā)一系列代謝性和感染性疾病,并將影響奶牛產(chǎn)后的生產(chǎn)和繁殖效率以及利用年限。自從20世紀(jì)90年代Drackley[2]提出圍產(chǎn)期是奶?！白詈笠粋€研究前沿”以來,人們針對圍產(chǎn)期奶牛開展了系統(tǒng)的研究,更多集中在圍產(chǎn)期奶牛脂質(zhì)代謝以及通過營養(yǎng)調(diào)控改善圍產(chǎn)期奶牛機(jī)體代謝及免疫等方面。本文擬圍繞圍產(chǎn)期奶牛瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化,特別是能量負(fù)平衡狀態(tài)下瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)與功能的變化進(jìn)行綜述,以期為改善圍產(chǎn)期奶牛瘤胃功能、提高生產(chǎn)性能及預(yù)防疾病提供參考。

1 圍產(chǎn)期奶牛生理代謝的特點(diǎn)

近20年來,人們對圍產(chǎn)期奶牛進(jìn)行了廣泛研究,試圖揭示該階段奶牛的生物學(xué)特性。圍產(chǎn)期是奶牛整個泌乳周期中生理代謝發(fā)生變化最大的時期,產(chǎn)前面臨胎兒迅速生長,還要為分娩后初乳的分泌儲備營養(yǎng),而干物質(zhì)采食量在產(chǎn)前處于較低水平。研究顯示,奶牛產(chǎn)前3周干物質(zhì)采食量約降低30%,其中在最后1周降低幅度可達(dá)80%[6],頭胎牛可能更為突出[7]。奶牛產(chǎn)后產(chǎn)奶量急劇增加,采食量又?jǐn)z入不足,營養(yǎng)負(fù)平衡將誘導(dǎo)機(jī)體組織動員以滿足泌乳需要。體脂動員可一定程度緩解奶牛的能量負(fù)平衡,但會誘發(fā)一系列負(fù)面問題,如組織動員產(chǎn)生的游離脂肪酸會在肝臟堆積,將加重肝臟的代謝負(fù)擔(dān)[8-9];能量負(fù)平衡造成奶牛免疫系統(tǒng)敏感度降低,免疫細(xì)胞數(shù)量減少,易發(fā)生免疫抑制現(xiàn)象[10-11];同時,體脂動員將脂肪因子或細(xì)胞因子,如腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-1β等釋放到循環(huán)系統(tǒng)中,可能會引起局部或全身炎癥反應(yīng)[12-14];另外,體脂動員會增加脂肪或蛋白質(zhì)的分解代謝,增加活性氧和活性氮的生成[15-16],這2種物質(zhì)間的不平衡,加上由采食降低而引起膳食抗氧化劑攝入量的減少,可能會導(dǎo)致氧化還原失衡,發(fā)生氧化應(yīng)激[17-18]。研究發(fā)現(xiàn),成年奶牛大約75%的疾病發(fā)生在產(chǎn)犢后的第1個月[4],而產(chǎn)犢后3周內(nèi)各種疾病,如乳房炎、酮病等疾病發(fā)病率最高[3,5,19]。由此可見,圍產(chǎn)期特殊的生理特點(diǎn)給奶牛的健康帶來了巨大挑戰(zhàn)。

2 圍產(chǎn)期奶牛瘤胃上皮及微生物菌群結(jié)構(gòu)變化

2.1 圍產(chǎn)期奶牛瘤胃上皮的變化

瘤胃是奶牛消化代謝的主要部位,瘤胃壁可將腔內(nèi)內(nèi)容物與宿主組織分開,并防止各種毒素和微生物轉(zhuǎn)移到血液中。瘤胃壁由上皮層、固有層、肌層和漿膜層構(gòu)成,其中上皮層主要負(fù)責(zé)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝,肌層參與瘤胃的蠕動。圍產(chǎn)期奶牛由于飼糧結(jié)構(gòu)及生理狀態(tài)發(fā)生了顯著改變,瘤胃上皮組織形態(tài)學(xué)可能也會發(fā)生相應(yīng)變化。早期研究發(fā)現(xiàn),奶牛產(chǎn)后瘤胃上皮需要6～8周的時間來適應(yīng)產(chǎn)后飼糧的變化,并達(dá)到增殖的穩(wěn)定狀態(tài)[20-21]。在此期間,瘤胃乳頭快速發(fā)育,體積增大,增加了瘤胃上皮的吸收和運(yùn)輸能力,且瘤胃乳頭在圍產(chǎn)后期最后2周變化最大[22]。但隨后的研究發(fā)現(xiàn),奶牛產(chǎn)前和產(chǎn)后瘤胃乳頭表面積沒有明顯差異[23];而Penner等[24]的研究顯示,奶牛瘤胃乳頭在產(chǎn)前表面積最大,且不受飼糧粗精比的影響。揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)通常被認(rèn)為是瘤胃上皮的生長因子,丁酸比乙酸和丙酸更能刺激瘤胃上皮細(xì)胞的增殖[25]。但是單獨(dú)供給醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽并不影響細(xì)胞增殖或凋亡[26]。VFA的作用方式可能是通過釋放生長因子和激素來刺激瘤胃上皮細(xì)胞的增殖,而不是這些VFA的直接作用。雖然瘤胃上皮適應(yīng)圍產(chǎn)期飼糧變化的精確特征尚未完全確定,但其在維持瘤胃正常功能及對奶牛健康的重要性毋庸置疑[27]。

2.2 圍產(chǎn)期奶牛瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)變化

經(jīng)過長期的進(jìn)化,奶牛瘤胃成為一個復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng),內(nèi)部棲息著多種微生物菌群,它們以不同的多樣性和豐富度存在,且相互依存、相互制約。研究發(fā)現(xiàn),奶牛瘤胃微生物與各種生產(chǎn)性狀密切相關(guān)[28-31],因此,瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)的改變可能影響瘤胃的消化代謝以及生產(chǎn)性能。研究表明,奶牛瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)及其相對豐度在圍產(chǎn)期期間發(fā)生了明顯變化,且這種變化是相對動態(tài)的[31-34]。瘤胃的健康與功能在一定程度上與瘤胃微生物的豐富度、多樣性和穩(wěn)定性有關(guān)[35]。在瘤胃微生物多樣性Shannon指數(shù)方面,早期研究發(fā)現(xiàn),圍產(chǎn)期奶牛瘤胃微生物多樣性差異不顯著[36],這與Derakhshani等[37]的研究基本類似。然而,更多的研究顯示圍產(chǎn)期奶牛瘤胃微生物豐富度Chao1指數(shù)和觀察到的物種數(shù)從產(chǎn)前到產(chǎn)后均有所下降[28,32,34]。另有研究發(fā)現(xiàn),奶牛產(chǎn)前7 d瘤胃微生物Shannon指數(shù)變化與Zhu等[32,34]的研究一致,但產(chǎn)后3周時瘤胃微生物多樣性又恢復(fù)到產(chǎn)前水平[38]。通常情況下,擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門(Proteobacteria)是瘤胃內(nèi)的優(yōu)勢菌門,約占瘤胃細(xì)菌家族的90%[28,32,39]。研究發(fā)現(xiàn),奶牛瘤胃內(nèi)擬桿菌門相對豐度從產(chǎn)前到產(chǎn)后顯著減少,主要表現(xiàn)為RF16、未分類擬桿菌目(unclassified Bacteroidales)和擬桿菌科(Bacteroidaceae)相對豐度的降低[32],而普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)相對豐度在產(chǎn)后顯著增加[31-32],其他研究也證實(shí)了這種變化[33,38,40]。普雷沃氏菌科在瘤胃內(nèi)的相對豐度較高,具有多種作用,如多糖和蛋白質(zhì)降解以及淀粉發(fā)酵[41-42]。眾所周知,奶牛飼糧從產(chǎn)前以草料為主過渡到產(chǎn)后以精料為主,因此普雷沃氏菌科相對豐度的增加可能有利于奶牛消化利用產(chǎn)后飼糧中相對較高水平的蛋白質(zhì)和碳水化合物。奶牛瘤胃內(nèi)厚壁菌門相對豐度在圍產(chǎn)期也發(fā)了變化,其中克里斯滕森菌科(Christensenellaceae)和瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)相對豐度在產(chǎn)前較高,但在產(chǎn)后顯著降低[32-33,36]?？死锼闺婆c飼糧中結(jié)構(gòu)性碳水化合物的發(fā)酵有關(guān),其中乙酸和丁酸是主要的最終產(chǎn)物[39]。瘤胃球菌科與纖維消化利用有關(guān)[43-44],過渡期飼糧結(jié)構(gòu)的變化可能是導(dǎo)致瘤胃球菌科相對豐度降低的因素。有趣的是,Zhu等[32]的研究發(fā)現(xiàn)一些纖維素分解細(xì)菌如瘤胃球菌屬、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)和纖維桿菌屬(Fibrobacter)相對豐度在過渡期沒有發(fā)生顯著變化,造成這種差異的原因可能是這些研究中使用的牧草和玉米青貯比例不同造成的。

變形菌門在瘤胃微生物菌群中也占很大比例,在碳水化合物的消化中發(fā)揮重要作用[45]。研究表明,隨著飼糧中精料比例的增加,反芻動物瘤胃內(nèi)變形菌門逐漸成為優(yōu)勢菌門[46-49],正如預(yù)期的那樣,奶牛產(chǎn)犢后瘤胃內(nèi)變形菌門包括γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)和琥珀酸弧菌科(Succinivibrionaceae)相對豐度在產(chǎn)后顯著增加[32,34],這些變化可以提高奶牛對產(chǎn)后飲食的適應(yīng)性。但也有幾項(xiàng)不同的研究發(fā)現(xiàn),瘤胃內(nèi)變形菌門相對豐度從產(chǎn)前到產(chǎn)后呈現(xiàn)不同的變化[33,36],這些結(jié)果的差異可能是由于采樣方法、檢測方法或分析方法的差異造成,需要進(jìn)一步研究來證實(shí)。此外,瘤胃內(nèi)古細(xì)菌的相對豐度在過渡期也發(fā)生了變化,其中甲烷短桿菌是瘤胃內(nèi)主要的產(chǎn)甲烷菌[50-52],從產(chǎn)前到產(chǎn)后其相對豐度下降了約50%[38]。然而,另有研究發(fā)現(xiàn)奶牛瘤胃內(nèi)甲烷短桿菌的相對豐度在圍產(chǎn)期沒有發(fā)生顯著變化[34]。綜上所述,奶牛瘤胃微生物的豐富度、多樣性及相對豐度在圍產(chǎn)期發(fā)生了顯著變化,這種變化在很大程度上是由于奶牛飼糧結(jié)構(gòu)變化所致。

3 酮病對奶牛瘤胃微生物結(jié)構(gòu)與功能的影響

3.1 酮病對奶牛瘤胃微生物的影響

圍產(chǎn)期奶牛長期處于能量負(fù)平衡狀態(tài)將會誘導(dǎo)機(jī)體發(fā)生代謝紊亂,其中酮病是奶牛泌乳早期最有害且最具破壞性的代謝性疾病之一,這種疾病的特點(diǎn)是酮體的積累,主要是β-羥基丁酸(β-hydroxybutyric acid,BHBA)、乙酰乙酸和丙酮,除了給奶牛帶來福利問題外,還會給牧場及奶農(nóng)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[53-55]。研究發(fā)現(xiàn),通過給沒有反芻行為的家畜移植健康家畜的瘤胃內(nèi)容物可以有效刺激動物反芻[56],說明瘤胃微生物在宿主代謝和生理適應(yīng)過程中起著重要作用。奶牛瘤胃內(nèi)棲息著多種微生物群落,其組成很大程度上與宿主的飲食結(jié)構(gòu)及代謝狀態(tài)有關(guān)。早期研究發(fā)現(xiàn),處于正常生理狀態(tài)下的圍產(chǎn)期奶牛和處于酮病生理狀態(tài)下的奶牛瘤胃微生物Shannon指數(shù)和Chao2指數(shù)沒有差異,但會影響一些瘤胃微生物的相對豐度,如處于酮病生理狀態(tài)下的奶牛瘤胃中鏈球菌(Streptococcusbovis)和乳桿菌(Lactobacillussp.)數(shù)量增加,而埃氏巨型球菌(Megasphaeraelsdenii)和反芻月形單胞菌(Selenomonasruminantium)數(shù)量減少[36]。VFA是乳酸代謝的主要產(chǎn)物,奶牛產(chǎn)后飼喂高谷物飼糧時,牛鏈球菌和乳酸菌的生長速度一般比其他細(xì)菌快,它們是瘤胃內(nèi)產(chǎn)生乳酸的主要細(xì)菌,而埃氏巨型球菌和反芻月形單胞菌是利用乳酸生成VFA的主要細(xì)菌[57-58]。埃氏巨型球菌和反芻月形單胞菌數(shù)量的減少可能是瘤胃中丙酸鹽含量降低的原因之一,因?yàn)樗鼈兛梢岳锰妓衔锘蛉樗岙a(chǎn)生丙酸[42,59],進(jìn)而可能導(dǎo)致生糖物質(zhì)含量降低。另有研究發(fā)現(xiàn),亞臨床酮病奶牛瘤胃中擬桿菌門、克里斯滕森氏菌科R-7群(Christensenellaceae R-7 group)和熱單胞菌屬(Thermomonas)等的相對豐度增加,而普雷沃氏菌科的相對豐度下降,克里斯滕森氏菌科R-7群、熱單胞菌屬等的相對豐度與血漿中BHBA含量呈正相關(guān)[60]。另外,克里斯滕森氏菌科R-7群可利用飼料中結(jié)構(gòu)性碳水化合物產(chǎn)生乙酸和丁酸[61],且其與瘤胃中丙酸含量負(fù)相關(guān)[62],而普雷沃氏菌科相對豐度與瘤胃中丙酸含量呈正相關(guān)[29]。與亞臨床酮病奶牛類似,在酮病生理狀態(tài)下奶牛瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)及相對豐度也發(fā)生了明顯變化[63]。此外,Gebreyesus等[64]研究指出,普雷沃氏菌科和瘤胃球菌科相對豐度均與亞臨床酮病奶牛乳中BHBA和丙酮含量呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān),這2種細(xì)菌相對豐度被證明都與血漿中BHBA含量呈負(fù)相關(guān)[29,65],并認(rèn)為乳中BHBA和丙酮含量的變化也可以作為預(yù)測瘤胃微生物變化的潛在指標(biāo)[64]。然而,到目前為止,還沒有研究奶牛瘤胃微生物對酮病易感性變化的貢獻(xiàn),如果酮病可以通過瘤胃微生物分類群的相對豐度來解釋,特別是那些受宿主基因型影響的微生物分類群,這可能會改善酮病易感性預(yù)測的可能性。盡管如此,我們從現(xiàn)有的文獻(xiàn)可以得知,酮病不僅改變了瘤胃微生物的菌群結(jié)構(gòu),還會降低瘤胃中產(chǎn)丙酸微生物的相對豐度,而丙酸是瘤胃內(nèi)重要的生糖物質(zhì),這種變化可能會加劇奶牛能量負(fù)平衡狀態(tài)下葡萄糖供應(yīng)不足的問題。

3.2 酮病對瘤胃發(fā)酵的影響

反芻動物能量主要由瘤胃內(nèi)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的VFA提供,大約90%的葡萄糖是由糖異生作用提供的,其中50%～60%來自丙酸[66]。研究發(fā)現(xiàn),酮體的產(chǎn)生與瘤胃內(nèi)VFA的比例密切相關(guān),丙酸可在肝細(xì)胞中轉(zhuǎn)化為草酰乙酸,而乙酸和丁酸可轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A。由于草酰乙酸的缺乏,乙酰輔酶A不能進(jìn)入三羧酸循環(huán),轉(zhuǎn)化為乙酰乙酸酯和β-羥基丁酸酯。因此,高乙酸和丁酸、低丙酸的發(fā)酵模式可能會促進(jìn)酮體形成[67]。研究發(fā)現(xiàn),奶牛瘤胃微生物結(jié)構(gòu)的任何改變都有可能會影響瘤胃的發(fā)酵,奶牛處于能量負(fù)平衡狀態(tài)下也會影響瘤胃的代謝,且酮病奶牛一般與瘤胃液中高BHBA含量相關(guān)聯(lián)。Wang等[36]通過常規(guī)方法測定了圍產(chǎn)期期間奶牛瘤胃液中VFA和BHBA含量的動態(tài)變化,其中乙酸、丙酸和丁酸含量均呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢,并在產(chǎn)后21 d基本恢復(fù)到了產(chǎn)前21 d水平,而葡萄糖含量呈逐漸降低趨勢,BHBA含量呈逐漸升高趨勢。在酮病生理狀態(tài)下,奶牛瘤胃中丙酸和葡萄糖含量均低于圍產(chǎn)期各個階段,而BHBA含量高于圍產(chǎn)期各個階段。Eom等[68]采用核磁共振波譜技術(shù)研究了亞臨床酮病對奶牛瘤胃代謝的影響,與健康奶牛相比,亞臨床酮病提高了瘤胃液中丁酸、蔗糖、BHBA和戊酸含量,相反,降低了N-N-二甲基甲酰胺、醋酸鹽、葡萄糖和丙酸鹽等的含量。然而,患有酮病的泌乳奶牛瘤胃中丁酸鹽和戊酸鹽含量過高是一個問題,因?yàn)?6%～33%的丁酸和18%～24%的戊酸可經(jīng)瘤胃吸收并轉(zhuǎn)化為BHBA[67]。酮病奶牛瘤胃液中丁酸鹽含量的升高可能與瘤胃中部分微生物的增加有關(guān),如克里斯滕森氏菌科R-7群可以利用飼糧中結(jié)構(gòu)性碳水化合物產(chǎn)生丁酸[61],而丙酸鹽含量的降低可能與瘤胃中埃氏巨型球菌和反芻月形單胞菌數(shù)量的減少有關(guān),因?yàn)樗鼈兛梢岳锰妓衔锖腿樗岷铣杀醄42,69]。由上可知,奶牛在能量負(fù)平衡的特殊生理狀態(tài)下會影響瘤胃的發(fā)酵參數(shù)及相關(guān)代謝物的產(chǎn)生,這很大程度是因?yàn)榱鑫竷?nèi)一些微生物的相對豐度發(fā)生了改變?？傊?瘤胃中葡萄糖及生糖物質(zhì)含量降低,而BHBA及一些生酮物質(zhì)含量會有不同程度提高。

4 小 結(jié)

奶牛瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)在圍產(chǎn)期期間發(fā)生了顯著變化,一方面歸因于奶牛采食的飼糧結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大改變,產(chǎn)前奶牛飼糧粗飼料比例比產(chǎn)后高,這種變化也造成了產(chǎn)前和產(chǎn)后瘤胃功能的不同;另一方面,酮病也會影響瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)和功能,如克里斯滕森氏菌科R-7群相對豐度增加,而普雷沃氏菌科相對豐度下降,同時會導(dǎo)致瘤胃內(nèi)葡萄糖及生糖物質(zhì)含量降低,而BHBA及其他生酮物質(zhì)含量有所提高。因此,了解圍產(chǎn)期奶牛瘤胃微生物及功能的變化,對通過飼糧營養(yǎng)調(diào)控改善圍產(chǎn)期奶牛健康,特別是兼顧瘤胃健康上具有重要現(xiàn)實(shí)意義。