反刍动物瘤胃微生物菌群结构影响因素的研究进展

现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2022/4/7 7:29:50 关注：1435 评论： 我要投稿

  摘 要：
  随着我国畜牧业飞速发展，饲料资源缺乏的压力日增，人畜争粮的问题也日益突出，合理调控反刍动物瘤胃微生物菌群结构能够提高饲粮的消化率，减少饲料资源浪费。对于反刍动物而言，瘤胃微生物菌群结构的动态稳定对维持反刍动物的健康和生产具有十分重要的意义，而该动态受动物品种、日龄、饲粮结构等因素的影响。本文综述了反刍动物瘤胃微生物菌群结构的影响因素研究进展，以期为瘤胃微生物研究和生产调控提供参考。
  牛羊养殖是我国重要的产业支柱，对于我国脱贫攻坚和提高人民生活水平有着举足轻重的作用，在过去35年间我国的牛肉产量增加25.03倍，羊肉产量增加8.93倍，我国现已是世界羊肉生产第一大国，牛肉生产第三大国。我国未来在发展规模饲养的同时，还要推动绿色养殖，减少畜牧养殖对环境的压力，对牛羊养殖提出了更高的要求和更严格的规范。
  瘤胃作为反刍动物重要的消化器官，是天然的发酵罐，内部含有丰富的瘤胃微生物。瘤胃微生物菌群的结构和相对丰度处于相对稳定的动态平衡，该平衡对于维持瘤胃内环境稳定、在反刍动物的消化和吸收营养物质过程中起着重要的作用。随着现代分子生物技术的发展，对反刍动物瘤胃微生物的研究也日益深入。众多研究指出，合理地调控瘤胃微生物菌群结构能够改善瘤胃发酵、减少饲料浪费，对于畜牧生产有十分重要的意义。本文介绍国内外关于影响反刍动物瘤胃微生物因素的相关研究进展，旨在为畜牧养殖中合理调控瘤胃微生物菌群结构、绿色高效养殖提供参考依据。
  1 瘤胃微生物的组成与功能
  瘤胃内部存在着复杂多样的微生物，包括细菌、原虫、厌氧真菌以及少量噬菌体等，这些微生物与反刍动物机体存在互作关系。如反刍动物利用纤维素降解菌产生的纤维降解酶将饲粮中的纤维素消化降解转化为挥发性脂肪酸（VFA）等物质；瘤胃真菌产生多种酶参与纤维素和半纤维素的降解过程；原虫能参与瘤胃中纤维素和淀粉的消化；因此，瘤胃内的细菌、真菌和原虫等相互协调、相互制约共同维持着瘤胃内环境的平衡与稳定。稳定的瘤胃微生物区系在维持机体的健康、提高动物生产性能、改善动物产品质量等方面有重要意义。
  2 影响反刍动物瘤胃微生物区系的因素
  反刍动物的瘤胃微生物菌群结构会在与外界环境接触和交流中发生改变，同时会受日龄、品种、饲粮、饲养方式、饲料添加剂等因素的影响。Henderson等对来自35个国家的32种不同品种的742头反刍动物（包括水牛、野牛、绵羊、山羊、鹿科、骆驼科）瘤胃微生物的研究发现，动物的品种、地区以及饲粮均会影响瘤胃中微生物菌群结构。
  2.1 动物因素
  2.1.1 日龄
  幼畜的瘤胃微生物会在出生后吮吸母乳和接触外界环境过程中迅速定殖，其丰度会随着日龄的增长而发生变化。Fonty等研究发现，纤维降解菌和产甲烷菌在羔羊出生后3~4 d便可以在瘤胃内观察到，且这些细菌的相对数量在出生后1周左右就接近成熟瘤胃中观察到的水平。Jami等研究发现，犊牛的瘤胃微生物菌群在出生后1d便开始逐步建立，随着日龄的增长瘤胃内乳酸杆菌（Lactobacillus）的丰度逐渐降低，而与纤维素降解相关的产琥珀酸丝状杆菌（F.succinogenes）、白色瘤胃球菌（R. albus）、黄色瘤胃球菌（R. flavefaciens）的相对数量有增加趋势，在断奶后其瘤胃微生物的多样性逐渐趋于稳定。韩旭峰研究发现，幼畜早期瘤胃内的优势菌群主要以蛋白降解菌为主，在饲喂开食料之后参与淀粉代谢和纤维素降解的菌群开始增殖，与幼畜相比，成年动物瘤胃牛链球菌（Streptococcus bovis）和脂解厌氧弧杆菌（Anaerovibrio lipolytica）的相对含量更高，其中脂解厌氧弧杆菌是瘤胃内重要的脂肪降解菌，牛链球菌是反刍动物瘤胃内主要的淀粉降解菌，二者的相对含量与精饲料代谢能力相关。众多研究表明，日龄是影响反刍动物瘤胃微生物菌群结构的重要因素，其主要原因是幼畜的瘤胃处于逐渐发育的过程。
  2.1.2 母体效应
  反刍动物幼畜的瘤胃微生物菌群不仅会受外界环境和饲养条件的影响，母体效应也是影响幼畜瘤胃微生物的重要因素之一。De Barbieri等以不同结构的饲粮饲喂怀孕的美利奴羊直至羔羊断奶，发现改变母羊的饲粮能够改变羔羊瘤胃内菌群结构的变化，其中椰子油饲粮组母羊的羔羊瘤胃内普雷沃氏菌（Prevotella）的相对数量显著高于蜂蜜饲粮组，但母体效应的影响会在断奶后随着幼畜日龄的增长逐渐减弱。关于母体效应的研究较少，其作用机理尚不明确。
  2.1.3 品种
  动物的品种差异是影响瘤胃微生菌群结构的重要因素。不同品种之间瘤胃微生菌群结构具有相似性，但不同菌群的相对丰度存在一定差异。King等研究发现，在相同饲养条件下，娟姗牛和荷斯坦牛的瘤胃菌群结构相似度很高，而娟姗牛瘤胃内产甲烷短杆菌的相对丰度显著高于荷斯坦牛。韩帅研究发现，呼杜杂一代羔羊瘤胃内总产甲烷菌、脂解厌氧弧杆菌、反刍月型单胞菌（Selenomonas ruminantium）、牛链球菌数目群高于呼伦贝尔羔羊。Cersosimo等研究指出，奶牛的瘤胃微生物菌群结构受饲粮因素的影响更大。以上研究表明，不同品种动物间存在的遗传学差异会引起瘤胃内部分菌落相对含量的差异，因此对不同品种的动物采取不同的饲养管理是实际生产的关键，而且由动物性因素造成的瘤胃菌群差异是可以在饲养过程中改变的。
  2.2 饲粮因素
  2.2.1 饲粮结构
  Yá?ez-Ruiz等研究发现，羔羊的瘤胃微生菌群结构受饲粮结构的影响，产生的变化可以持续到动物成年。Li等发现，饲粮的精粗比能够影响反刍动物的瘤胃微生物菌群结构，饲喂高精料饲粮能够促使绵羊瘤胃内淀粉降解菌和蛋白质降解菌的增殖，而纤维降解菌的生长受到抑制，其中脂解厌氧弧杆菌、反刍月型单胞菌、牛链球菌数显著增加，而产甲烷短杆菌相对含量下降最明显。瘤胃内甲烷的产生量与饲料中的粗饲料比例呈正相关，大量的甲烷产生不仅会造成饲料资源浪费也会给环境带来一定压力。王海荣研究表明，不同精粗比的饲粮对苏尼特绵羊瘤胃真菌、细菌的浓度和数量影响差异不显著，但是纤维降解菌的相对含量随精料增加呈下降趋势，其中精粗比对产琥珀酸丝状杆菌影响不显著，对白色瘤胃球菌、黄色瘤胃球菌的影响更加显著。产琥珀酸丝状杆菌不仅是瘤胃内重要的纤维降解菌，也参与部分淀粉的降解过程，因此产琥珀酸丝状杆菌在高精比的饲粮结构中其相对含量也不会显著降低。胡红莲等发现，随着饲粮中非纤维性碳水化合物与中性洗涤纤维的比例（NFC/NDF）增高，奶山羊瘤胃细菌总数量有增加趋势，其中嗜淀粉瘤胃杆菌（R.amylophilus）、牛链球菌、乳酸杆菌增加明显，白色瘤胃球菌、黄色瘤胃球菌数量呈下降趋势。李岚捷研究发现，随着 NFC/NDF 比例下降，犊牛瘤胃内VFA中乙酸比例增加，丙酸比例降低，当饲粮NFC含量高时犊牛瘤胃内优势菌群为厚壁菌门和拟杆菌门，并指出犊牛的瘤胃尚在发育阶段，瘤胃内的微生物以蛋白降解菌为主对纤维物质的消化能力较弱。普宣宣等研究发现，当NFC/NDF比例变大时卡拉库尔羊瘤胃内参与淀粉降解的微生物为链球菌属和产琥珀酸丝状杆菌的相对丰度会增加。有研究表明，在高精料饲粮下反刍动物瘤胃内牛链球菌、嗜淀粉瘤胃杆菌、乳酸杆菌、反刍月形单细胞菌和埃氏巨型球菌的相对数量会显著增加，尤其是牛链球菌、乳酸杆菌的活跃会产生大量乳酸，引起反刍动物的亚急性瘤胃酸中毒（Subacute Reminal Acidosis，SARA），而纤维降解菌（如黄色瘤胃球菌、白色瘤胃球菌和产琥珀酸丝状杆菌）的数量会因缺少纤维素作为底物和瘤胃内pH下降而减少。综上所述，高精料的饲粮结构会引起产酸菌的活跃，使瘤胃内环境的pH下降，微生物多样性减少，并有可能引起瘤胃酸中毒，为实际产生中合理配比饲粮提供参考。
  2.2.2 饲粮蛋白质水平和来源
  饲粮中蛋白质水平和来源也会影响反刍动物的瘤胃微生物区系相对结构。Renata等以3种不同蛋白水平饲粮饲喂内洛尔牛，发现高蛋白水平饲粮能够引起瘤胃内产琥珀酸丝状杆菌和纤溶芽孢杆菌的相对数量和丰度增加，而白色瘤胃球菌的相对数量和丰度减少。但是，唐鹏研究表明，陕北白绒山羊的瘤胃微生物丰度会随着饲粮中蛋白水平的提高而降低，拟杆菌门的丰度显著高于对照组，其中普雷沃氏菌增加最显著。王海荣研究发现，不同氮源饲粮对瘤胃内原虫数量影响更加显著。以上研究表明，高蛋白水平饲粮能够引起纤维降解菌（如黄色瘤胃球菌、白色瘤胃球菌等）相对含量降低，而产琥珀酸丝状杆菌、纤溶芽孢杆菌和普雷沃氏菌等相对含量会增加，其中普雷沃氏菌参与淀粉和蛋白质的分解作用，受蛋白质水平的影响最为显著。
  2.2.3 饲粮中粗饲料种类
  反刍动物饲喂不同种类的粗饲料能够影响反刍动物的瘤胃菌群结构。李玲玉研究发现，微贮稻草组西门塔尔杂交牛瘤胃液中细菌的平均菌群丰度和多样性高于新鲜玉米秸秆组，而真菌菌群丰度和多样性低于新鲜玉米秸秆组。张毕阳发现，在饲粮中添加燕麦干草可以提高纤维降解菌的相对含量，而以淀粉为发酵底物的瘤胃原虫相对数量会减少。张冬强研究发现，改变饲粮中苜蓿草粉的比例不会改变波尔山羊瘤胃微生物拟杆菌门和厚壁菌门的优势，其微生物的多样性和丰度会随着饲粮中苜蓿草粉比例的增加而增加，其原因可能是饲料中特有的活性物质产生的影响，如苜蓿草粉中含有苜蓿皂苷、苜蓿叶蛋白等活性物质，对瘤胃微生物的增殖有一定促进作用。以上研究表明，饲喂不同类型的粗饲料会影响反刍动物瘤胃微生物菌群结构的变化，其原因与饲粮类型及其所含的活性物质密切相关。
  2.3 饲料添加剂
  2.3.1 益生菌
  益生菌作为一种绿色、安全、可靠的饲料添加剂已经在生产实践中得到广泛应用，在饲粮中添加益生菌是能够影响瘤胃微生物菌群结构的重要因素。丁赫等研究发现，在杜×寒杂交羊的饲粮中添加复合益生菌制剂能够增加瘤胃微生物菌群的多样性，瘤胃液中拟杆菌门、疣微菌门和互养菌门的相对丰度增加，而变形菌门的相对丰度降低。李常瑞研究发现，在低精料饲粮中添加复合益生菌能使绵羊瘤胃内总细菌数及产琥珀酸丝状杆菌、黄色瘤胃球菌、乳酸杆菌相对丰度增加，其中纤维降解菌（产琥珀酸丝状杆菌、黄色瘤胃球菌）相对丰度的增加能够促进高纤维饲粮消化；而在高精料饲粮中添加复合益生菌能使绵羊瘤胃内厌氧真菌、产琥珀酸丝状杆菌、嗜淀粉瘤胃杆菌的相对丰度升高，而牛链球菌、总产甲烷菌的相对丰度降低，其中产琥珀酸丝状杆菌、嗜淀粉瘤胃杆菌、牛链球菌参与瘤胃内的淀粉降解过程，牛链球菌是瘤胃内主要的乳酸生成菌，牛链球菌数量的减少能够减少反刍动物瘤胃乳酸中毒的风险；在不同饲粮中添加复合益生菌能够提高瘤胃pH、降低氨态氮（NH3-N）浓度、提高VFA浓度。上述研究表明，在不同饲粮中添加复合益生菌对反刍动物瘤胃微生物的多样性有促进作用，有利于营养物质的消化吸收，而且在高精料饲粮下添加益生菌能够提高瘤胃液pH，减少反刍动物瘤胃酸中毒的风险。
  2.3.2 其他添加剂
  陈丹丹发现，在绵羊饲粮中添加桑叶黄酮（MLF）、白藜芦醇（Res）、大蒜素（AL）和茶皂素（TS）能够提高瘤胃挥发性脂肪酸浓度，添加MLF、Res能够提高瘤胃NH3-N浓度，添加AL、TS能够降低瘤胃 NH3-N浓度，4种添加物均能够使瘤胃液总细菌数量增加，纤维分解菌（如产琥珀酸丝状杆菌、黄色瘤胃球菌、白色瘤胃球菌、溶纤维丁酸弧菌）的相对丰度增加，产甲烷菌和原虫数量减少，促进纤维饲料在瘤胃内的降解。Song等发现，在饲粮中添加外源性纤溶酶能够提高乐至黑山羊饲料酸性洗涤纤维（ADF）和中性洗涤纤维（NDF）的消化率，降低瘤胃 NH3-N浓度，增加瘤胃VFA的浓度，在高NDF饲粮中添加纤维素酶会使瘤胃产琥珀酸丝状杆菌的丰度降低，主要原因可能是纤维素酶会参与纤维素的降解过程，会与纤维降解菌形成竞争关系。张智安等发现，在湖羊的基础饲粮中添加蜜蜂肽能够显著提高湖羊的日增重，提高湖羊瘤胃中反刍兽新月形单胞菌的数量，反刍兽新月形单胞菌是乳酸利用菌，反刍兽新月形单胞菌在瘤胃内的相对丰度与瘤胃酸中毒密切相关。高雨飞发现，在高精料饲粮中添加烟酸能够使瘤胃细菌的丰富度和多样性降低，但会使原虫数量增加，抑制丁酸产生菌的增殖，使瘤胃pH升高，减少瘤胃酸中毒的风险。以上研究表明，适当的添加剂可以改善瘤胃微生物群落的组成，能够提高饲料消化率，促进挥发性脂肪酸的产生，增强免疫力，维持动物机体健康，其中烟酸、蜜蜂肽等添加剂能够提高瘤胃pH，减少反刍动物瘤胃酸中毒的风险。
  2.4 饲养管理模式
  我国畜牧生产中常见的饲养模式主要有舍饲、定时散放、全生态散养和放牧后补饲等，不同的饲养方式也是影响瘤胃微生物区系的重要因素之一。张娟等研究发现，阿尔巴斯白绒山羊舍饲育肥可增加部分瘤胃微生物的相对丰度，其中产琥珀酸丝状菌、脂解厌氧弧杆菌数量的增加最显著。Cui等研究发现，舍饲燕麦干草组绵羊瘤胃细菌群落丰富度和多样性显著高于自然放牧组，且仅在舍饲组瘤胃内发现了放线菌。韩帅研究发现，在放牧补饲羔羊瘤胃内脂解厌氧弧杆菌相对丰度较放牧组显著增加，总细菌、黄色瘤胃球菌、反刍月型单胞菌、牛链球菌和嗜淀粉瘤胃杆菌的数量高于放牧组。孙国平研究发现，舍饲方式下成年绒山羊瘤胃中产琥珀酸丝状杆菌和原虫的数量和瘤胃液中总细菌数量均高于放牧组。脂解厌氧弧杆菌是瘤胃内唯一的脂肪降解菌，其数量与饲料营养品质密切相关，牛链球菌、嗜淀粉瘤胃杆菌是瘤胃内主要的淀粉降解菌，其数量会随饲粮结构中的精料比例增加而增加。因此，由饲养管理方式引起的瘤胃菌群结构的差异，其原因可能是舍饲模式下能够提供良好的饲养管理、丰富合理的饲粮，能更好地维持反刍动物的瘤胃微生物菌群的多样性。
  小 结
  瘤胃微生物在反刍动物消化营养物质和维持机体健康方面都扮演着十分重要的角色，而瘤胃微生物菌群结构会受诸多因素的影响，合理的调控瘤胃微生物菌群结构，不仅能够提高反刍动物的健康水平，还能改善反刍动物产品更好地满足生产生活的需求。目前对瘤胃微生物菌群的调控尚在探索阶段，而且瘤胃内微生数量十分巨大，且结构复杂，尚有许多微生物的功能和相互作用尚不明了，对瘤胃微生物菌群的调控是否能广泛应用生产实践，尚需进一步深入研究。

  作者：崔浩然  郭雪峰* 金 巍（*为通讯作者）来源：中国畜牧杂志，2021，57（11）：6-11