短链脂肪酸促进犊牛瘤胃发育的作用机制

范雪，马健,，陈晖，Ali Mujtaba Shah，马晨

（1.新疆农业大学动物科学学院，乌鲁木齐 830052；2.四川农业大学动物营养所，成都 611130）

犊牛阶段是奶牛一生中非常重要的时期，这个时期犊牛各器官的生长发育与其未来生产性能的发挥有着密切关系，其中瘤胃的发育至关重要。犊牛刚出生时，主要通过皱胃和小肠吸收葡萄糖获取能量，随着机体逐渐生长发育，瘤胃吸收短链脂肪酸（SCFA）提供能量成为成年动物获取能量的主要方式[1]。这种生理功能的变化与瘤胃的发育有密切关系，由于新生犊牛的瘤胃发育功能不健全，瘤胃体积小，因此，如何促进犊牛瘤胃的健康发育是确保其未来生产性能发挥的关键。反刍动物瘤胃内SCFA 的含量为60～150mmol/L，以乙酸、丙酸和丁酸为主，其中乙酸为60%～70%，丙酸占15%～20%，而丁酸占10%～15%，主要在瘤胃内消化吸收，为机体提供约75%的能量[2]。瘤胃内的HCO3-可以与H+中和进而降低瘤胃pH值，对瘤胃上皮的发育具有促进作用，而瘤胃内高浓度的SCFA可以促进瘤胃上皮细胞HCO3-的分泌[3]。因此，瘤胃内的SCFA不仅可以为机体提供能量，还能促进瘤胃的健康发育[4,5]，这对犊牛的生长发育具有重要意义。

1 SCFA直接刺激犊牛瘤胃发育

瘤胃在经历多种代谢途径的变化后，在瘤胃发酵产物SCFA的刺激下，瘤胃上皮具有了生酮的能力，SCFA在瘤胃上皮通过阴离子交换和扩散作用被吸收，机体由依赖葡萄糖为主要能量来源转化为以SCFA为主要能量来源[2]。因此，瘤胃的成熟过程是能量吸收代谢及细胞基因分化表达的结果。研究证实，外源添加支链SCFA可以促进犊牛瘤胃的发酵[6]。添加丙酸对犊牛瘤胃上皮细胞具有刺激作用，可促进上皮细胞的增殖，进而导致瘤胃乳头形态及分支的变化[7]，此外，丙酸还影响参与瘤胃上皮发育相关基因的表达，可提高瘤胃乳头的长度和宽度，进而增大瘤胃上皮的吸收表面积[4]。一元羧酸转运蛋白（MCT1）已经被证实具有转运SCFA的功能[8]，而经对犊牛体外细胞的试验表明，正常水平的SCFA处理瘤胃上皮细胞，有助于提高MCT1的蛋白表达水平和转运能力，而过多的SCFA则会抑制MCT1的表达和转运能力[9]。

相比于丙酸和乙酸，丁酸在瘤胃上皮能更快地通过离子交换和扩散作用被吸收，转化为酮体为上皮细胞提供能量，因此，生产中常用补喂丁酸的方式来促进犊牛瘤胃发育。日粮中添加丁酸可以提高瘤胃上皮细胞的有丝分裂指数，增强细胞的增殖能力，进而提高瘤胃乳头长度[10]。国内也有相似的研究，日粮中添加丁酸钠可以显著提高犊牛断奶前后瘤胃绒毛长度和宽度，并可缓解断奶应激对瘤胃发育的影响[11]。另有研究发现，丁酸盐能够上调瘤胃上皮细胞SCFA跨膜转运蛋白MCT1和MCT4的mRNA表达，并上调葡萄糖载体蛋白、缺氧诱导因子及环氧酶的基因表达水平，对瘤胃发育具有促进作用[12]。此外，异丁酸能提高瘤胃上皮 膜组织中的羟甲基戊二酰辅酶A合酶及生长激素受体（GHR）的mRNA相对表达量，进而促进犊牛瘤胃乳头长度和宽度的发育[5]。SCFA对犊牛小肠发育也具有促进作用，添加丙酸钙可以上调小肠 膜组织中GHR、钠葡萄糖共转运载体及胰岛素受体的mRNA相对表达量，进而促进小肠 膜的发育[4]。

由于犊牛瘤胃发育的不成熟，其代谢活性很高，SCFA可以通过简单扩散作用以非离子的形式在瘤胃内被上皮组织吸收转运，此外，SCFA还可以通过转运载体的帮助进行转运。Borthakur等[13]发现，丁酸可以激活Caco2和HT-29细胞系中MCT1启动子区域，NF-κB信号途径抑制剂可显著抑制丁酸对MCT1启动子的上调作用，同时丁酸处理可以促进Caco2细胞质中NF-κB转录调控因子进入细胞核，而丙酸、乙酸则无此效果，说明丁酸可通过NF-κB途径促进MCT1表达。但对犊牛瘤胃相关转运蛋白以及具体转运机制目前仍不清楚，外源添加SCFA刺激瘤胃发育的作用仍有待进一步探索。

2 SCFA影响瘤胃微生物进而促进犊牛瘤胃发育

犊牛早期的瘤胃未发育完全，相比于成熟瘤胃较为齐全的功能，早期瘤胃在微生物种类和数量上都不如成熟瘤胃。犊牛瘤胃微生物的定植过程是非常复杂的，日粮及生理状态的改变都会影响微生物的定植。在最初的定植之后，这些特异性微生物不仅对 膜组织的发育和成熟具有调节作用，而且对机体的营养和健康具有重要意义[14]。SCFA与瘤胃微生物之间的关系是相辅相成的，SCFA既可以促进有益微生物的生长，同时还可以抑制大肠杆菌和沙门菌等有害微生物的生长，并且这些有益微生物的增长也会反过来刺激增加SCFA 的合成[15]。瘤胃上皮细胞HCO3-分泌量与SCFA密切相关，因此，SCFA可降低瘤胃pH值，使瘤胃维持一个较为理想的酸性环境[3]，利于微生物定植，随着微生物的逐渐定植，进一步发酵饲料产生SCFA，进而使瘤胃处于良性循环状态。

近几年关于异丁酸对犊牛微生物影响的研究较多，Wang等[5]研究证实，对断奶前后的犊牛补喂异丁酸，可以增加瘤胃产琥珀酸丝状杆菌及溶纤维丁酸弧菌数量，并可以提高断奶前生黄瘤胃球菌的细菌总数，这对犊牛更快地适应固体饲料具有积极的作用。补喂异丁酸对犊牛瘤胃中纤维二糖酶、滤纸酶、羧甲基纤维素酶及木聚糖酶的活力具有促进作用，可以明显改善瘤胃发酵[16]。瘤胃中纤维分解菌菌群的生长与纤维分解酶的活力密切相关，纤维分解酶的活力高能促进瘤胃纤维分解菌的生长及活性[17]。瘤胃中的异丁酸是日粮支链氨基酸在瘤胃中的降解产物，可被用来重新合成支链氨基酸，同时也是瘤胃微生物，尤其是纤维分解菌生长所必需的营养因子[18]。异丁酸通过提高犊牛瘤胃内木聚糖酶、纤维二糖酶、果胶酶及羧甲基纤维素酶的活性，进而促进了白色瘤胃球菌、黄色瘤胃球菌、产琥珀酸丝状杆菌及溶纤维丁酸弧菌的生长繁殖，提高了纤维分解酶的活力，及犊牛对日粮养分的利用率，从而改善了瘤胃发酵，促进了犊牛瘤胃发育及生长[19]。

由于新生犊牛瘤胃发育不完善，瘤胃内的微生物种类少，并且丰度相对较低，通过瘤胃微生物发酵日粮产生的SCFA很少，因此外源添加SCFA已经在犊牛研究上被较多应用。SCFA在降低瘤胃pH值、促进犊牛有益微生物定植、抑制有害微生物定植上均展现出一定的效果，但其相关代谢途径仍需要进一步研究，或许通过对瘤胃液进行代谢组学检测能揭示这一现象。

3 小结

通过以上综述可以看出，SCFA在促进犊牛瘤胃发育方面展现了良好的应用效果。SCFA对提高犊牛生长性能和瘤胃发育具有重要意义，在日粮中添加SCFA可以提高犊牛生产性能，这主要是由于SCFA不仅可以促进瘤胃体积和乳头的生长，还在维持瘤胃乳头形态及肌层厚度等瘤胃形态方面也具有重要作用；同时SCFA还可以促进瘤胃上皮细胞SCFA的吸收和转运，提高相关转运蛋白的相对表达量；此外，SCFA还可以提高瘤胃内相关酶活力，改善瘤胃内环境，进而促进有益微生物的定植。尽管SCFA在犊牛日粮中已有部分相关研究，但是对其作用机理仍然缺乏了解。犊牛瘤胃发育不完善，微生物群落结构不稳定，易发生腹泻等疾病，因此，需进一步系统地研究SCFA影响犊牛瘤胃微生物定植以及瘤胃发育的机制，利用宏基因组及代谢组学等现代分子生物学技术，针对犊牛瘤胃上皮营养物质吸收转运、相关代谢机制及微生物群落结构进行深入探讨，研究瘤胃组织形态、SCFA吸收转运及微生物群落三者间的相互作用机制。这将对进一步指导犊牛健康养殖，降低腹泻率，充分发挥犊牛生长潜能，进而提高其成年期的生产性能具有重要的科学意义。