反刍动物瘤胃发育研究进展

祁敏丽（译），张乃锋（校）（中国农业科学院饲料研究所，农业部饲料生物技术重点开放实验室，北京 100081）

反刍动物瘤胃发育研究进展

祁敏丽（译），张乃锋（校）
（中国农业科学院饲料研究所，农业部饲料生物技术重点开放实验室，北京 100081）

反刍动物瘤胃从非反刍到反刍发育的过程是微生物、组织形态以及瘤胃代谢共同发生发展的过程。瘤胃发育对反刍动物后期生长发育至关重要，文章从微生物、组织形态、瘤胃代谢3个层面对反刍动物瘤胃发育研究进展进行了综述。

反刍动物；瘤胃发育；微生物；组织形态；瘤胃代谢

反刍动物瘤胃从非反刍到反刍发育的过程是微生物、组织形态以及瘤胃代谢共同发生发展的过程。目前对这三个过程如何发生以及如何影响幼龄反刍动物生长和营养物质代谢的了解仍然非常有限，但是它们对反刍动物后期生长发育至关重要。

犊牛出生时胃肠道发育不成熟，不具备反刍功能。从非反刍到反刍功能的转变是以瘤胃发酵能力为中心的。犊牛出生时瘤胃不具备发酵能力，这种发酵能力的建立依赖于5个关键要素：瘤胃微生物区系的建立、基底物质可获得性、瘤胃液体的出现、瘤胃组织的吸收能力和瘤胃内物质向后段肠道的流动。尽管已知这些是瘤胃发育的必要因素，但还不了解瘤胃产生这些代谢变化以支撑其发酵能力的分子机制。瘤胃微生物在什么时候、什么环境下，如何定居于瘤胃，或者说犊牛断奶前后日粮的改变如何导致瘤胃微生物种群的变化。所有这些过程都可能影响瘤胃的发育和发酵能力，甚至影响动物终生的生产性能。当然，这种影响包括正、负两个方面。

反刍动物出生时已经具备4个胃室，但并不是每个胃室都具有相应的功能。成年反刍动物的瘤胃就像一个大的厌氧发酵罐，里面的瘤胃微生物（细菌、原虫、真菌）对植物进行发酵降解，或者使不易消化的植物性饲料转化为挥发性脂肪酸（VFA），主要为乙酸、丙酸和丁酸。瘤胃发酵产生的VFA和微生物蛋白质共同满足反刍动物维持、生长、生产的能量需要。成年反刍动物的瘤胃内壁排列着许多的乳头状突起，这些瘤胃乳头是由多细胞层组成的上皮结构，主要功能是增加瘤胃吸收表面积并吸收VFA，而让微生物蛋白流向后段肠道进行消化。瘤胃乳头通过被动和易化扩散作用吸收VFA进入血液循环。大部分乙酸和丙酸能完整地进入门脉循环，而高达85％～90％的丁酸进入门脉循环前就被氧化生酮，主要被氧化为β-羟基丁酸（BHBA），小部分氧化为乙酰乙酸盐。因此，丁酸被认为是瘤胃上皮细胞的能量底物并且与瘤胃乳头生长有关。

1 瘤胃微生物定植

成年反刍动物瘤胃内有着复杂的微生物区系，其中细菌占主导地位［1］。新生犊牛的瘤胃是无菌的，但出生1～2d瘤胃内便出现了大量的微生物［2］。新生反刍动物瘤胃内微生物的定植引起宿主一系列生长和发育的变化，最终使其成为真正的反刍动物。早期使用培养的方式研究奶犊牛的瘤胃微生物定植过程，在纲水平上发现了多个微生物种类（如纤维素降解菌，淀粉降解菌，蛋白质降解菌，乳酸利用菌），并且这些微生物种类随犊牛年龄［2］和日粮［2-3］的改变而改变。Li等［4］使用宏基因组研究了犊牛瘤胃微生物区系建立的时序性。这是瘤胃微生物在种水平层面研究的第一次报道［5］。

犊牛采食固体饲料的时间越早，其瘤胃微生物区系的形成越早，随之而来的是较高的瘤胃代谢活性和瘤胃内容物总VFA浓度［2］，这反映了瘤胃微生物对营养物质结构的要求。牛奶、代乳品和干草可以磨损犊牛的瘤胃上皮细胞。饲料进入犊牛瘤胃的过程是可以调控的。无论是利用奶嘴、奶瓶或者桶给犊牛饲喂牛奶或者代乳品，均会反射性地引起食管沟关闭。使得牛奶越过瘤网胃进入皱胃，避免了采食的牛奶或者代乳品在瘤胃被发酵。采食固体饲料及牛奶或代乳品“溢出”是饲料进入瘤胃并发酵的唯一途径。瘤胃乳头发育也受固体饲料采食的影响。Heinrichs等［6］研究表明，仅饲喂牛奶或代乳品的犊牛瘤胃乳头和肌肉发育迟缓。因此，瘤胃乳头发育的生长促进剂不是单独的瘤胃微生物或固体饲料，而是发酵终产物丁酸［7］。这也通过口腔或瘤胃丁酸灌注［7-9］及犊牛饲料添加丁酸［10-13］的试验研究得到进一步证实。但是，这些做法并不具有普遍性，并且忽略了瘤胃微生物本身产丁酸的潜力及其对瘤胃微生态平衡的重要性。

2 瘤胃组织形态发育

瘤胃组织形态的发育主要指的是瘤胃乳头形态、肌肉厚度和器官重量［14］。新生反刍动物的瘤胃内壁已经具有肉眼可见的乳头。并且乳头长度、宽度和表面积随着日龄增长而增加，同时也受日粮和丁酸的影响。观察瘤胃乳头的微观形态，从腔表面开始依次可以看到4个不同的层：角质层、颗粒细胞层、棘状细胞层、基底层（图1）。饲喂动物高发酵饲料［15］、颗粒饲料［15-17］，或者灌注丁酸［18］都可以引起瘤胃乳头形态的改变。目前，丁酸通过未知的途径刺激瘤胃乳头生长，虽然有许多推论存在，但具体机制还有待进一步阐明。

3 瘤胃代谢发育

瘤胃代谢的发育集中在瘤胃上皮细胞吸收发酵终产物VFA并生成酮体的能力。Aschenbach等［19］研究表明，VFA通过易化扩散和被动扩散转运进入瘤胃上皮细胞，其具体方式取决于瘤胃乳头上皮细胞层，而且这种运输过程需要膜转运蛋白的参与。奶牛上研究的VFA的转运载体主要是溶质载体家族（SLC）。这些转运载体包括腺瘤下调基因（DRA；SLC26A3）、特定阴离子转运载体（PAT1；SLC26A6）、一元羧酸转运蛋白1，2和4（MCT-1，SLC16A1，MCT-2，SLC16A7；MCT-4，SLC16A3）［20-24］。

图1 瘤胃乳头分层

较低的瘤胃pH值可以促进丁酸和其他VFA（未离解的形式）以被动扩散的方式进入瘤胃上皮细胞［25］。未解离的VFA进入瘤胃上皮细胞后在细胞内发生解离可以增加细胞内H+浓度。伴随着DRA的转运使细胞内的HCO3-与VFA-交换而损失，瘤胃细胞内pH值进一步降低。瘤胃上皮细胞具有Na+/H+转运蛋白（NHE）以调节细胞内的pH值。Graham等［26］确定了3个NHE亚型，分别为NHE1、NHE2和NHE3。但是，犊牛瘤胃VFA转运蛋白（DRA，PAT1，MCT-1，MCT-2，MCT-4）以及协助VFA吸收的转运蛋白（NHE1，NHE2和NHE3）的表达和定位还没有得到很好的阐述，年龄以及日龄对其浓度的影响也知之甚少。进一步研究以填补这些空白对了解VFA吸收和细胞内pH值调节具有重要意义。

新生反刍动物的瘤胃不具备生酮作用，这意味着犊牛出生时瘤胃组织无法氧化丁酸（瘤胃上皮细胞的主要生酮底物）成为BHBA或乙酰乙酸盐，因此，这些代谢物在血液中的浓度很低。仅饲喂母乳的羔羊42日龄以前BHBA比较少，随后，仅饲喂母乳的42日龄羔羊的瘤胃上皮细胞BHBA的产量相当于饲喂母乳和固体饲料的56日龄羔羊的瘤胃上皮细胞的产量［26］。生酮功能是反刍动物瘤胃成熟的标志。显然瘤胃组织生酮的能力和年龄有关，与固体饲料采食量或者瘤胃内的挥发性酸浓度无关，即使它们是瘤胃组织形态发育的刺激者［26-27］。Lane等［27］研究表明，羔羊49日龄前3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合成酶（HMG-CoA合成酶）的RNA浓度和生酮作用是一起增加的，并且他认为HMG-CoA合成酶为生酮的限速酶。HMG-CoA合成酶目前发现了2个亚型，即，在胞质里的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合成酶1（HMGCS1），在线粒体里的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合成酶2（HCS2）［28］。Naeem等［22］认为，犊牛生成BHBA的主要途径为线粒体生酮。HMGCS2基因的启动子包含一个过氧化物酶体增殖物激活受体元件，并且它的RNA转录受过氧化物酶体增殖物激活受体-α（PPAR-α）的调控［29］。PPAR-α是核受体；它的已知配体包括脂肪酸，大部分是丁酸。新的观点认为瘤胃不具备生酮作用时，瘤胃内丁酸甚至是少量的丁酸似乎可以刺激特定基因的转录并最终调控瘤胃成熟。Penner等［30］利用免疫组化方法没有在瘤胃上皮中发现瘤胃生酮酶，但是他们认为产生瘤胃生酮酶的细胞应该在具有大量线粒体的基底层细胞中。因此，目前研究犊牛瘤胃何时开始生酮及这些酶的产生位置是一个非常好的机会。

4 结束语

对于反刍动物瘤胃发育的研究，目前应用研究主要集中在探讨粗饲料饲喂水平及粒度或者代乳品饲喂等方面，基础研究主要集中在瘤胃发育的新技术、瘤胃微生物组成及细胞水平上的瘤胃功能作用机制等方面。然而，对于犊牛等幼龄反刍动物瘤胃微生物、形态和代谢的了解还远远不够。因此，对瘤胃发育的研究有以下几点建议：首先，使用最新最有效的科技研究瘤胃发育；第二，应用研究与基础研究应该共同致力于某一研究方向，合作研究有利于得到统一的研究结果；第三，应更多地研究细胞内蛋白质的功能，毕竟，蛋白质是细胞内各种功能的执行者；第四，应用研究中需要重视试验设计的科学性，以避免出现相互矛盾的结果；最后，需要整体考虑宿主-微生物的相互关系，这样有利于揭示瘤胃细菌与宿主免疫系统相互作用对瘤胃发育及功能的影响。

本文译自Daniels，K Mand Yohe，T T的《What do we know about rumen development？》.2015 Virginia State Feed Association＆Nutritional Management“Cow”College.

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Review on Rumen Development

Qi Minli（translator），Zhang Naifeng（checker）
（Feed Research Institute ofChinese AcademyofAgricultural Sciences，KeyLaboratoryofFeed Biotechnologyofthe MinistryofAgriculture，Beijing100081，China）

Synchronized microbial，tissue morphological and metabolic developments ofthe rumen are three vital processes in the transformation frompre-ruminant toruminant.This is critical tothe later adult ruminants.In this paper，the rumen development in microbial，morphological and metabolic developments were reviewed.

ruminant rumen development；microbes；tissue morphology；metabolism

S823

A

2095-3887（2015）05-0062-04

10.3969/j.issn.2095-3887.2015.05.017

2015-06-15

公益性行业（农业）科研专项（201303143）

祁敏丽（1990-），女，硕士研究生。

张乃锋，副研究员，研究生导师。