反刍家畜瘤胃及肠道微生物研究进展

杨 鼎，伊风艳，晔薷罕，田如刚，吴江鸿，2

（1. 内蒙古自治区农牧业科学院， 内蒙古 呼和浩特 010031；2. 内蒙古民族大学动物科技学院， 内蒙古 通辽028000）

反刍家畜包括牛、羊、鹿等，不仅是人类重要的动物产品来源， 也是温室气体甲烷重要的排放源。栖息在瘤胃及肠道中的7 000 余种细菌、 原生动物、古细菌和噬菌体等微生物［1-2］，将不易被反刍动物消化吸收的植物木质纤维素转化为可吸收的营养物质，如氨基酸、维生素、胡萝卜素等［3-4］，以及将饲料中的毒性物质代谢为无毒物质［5］。

瘤胃中以纤维素分解菌为优势菌， 包括产琥珀酸拟杆菌、白色瘤胃球菌、黄化瘤胃球菌和溶纤维丁酸弧菌等［6-7］。 在门水平上以厚壁菌门和拟杆菌门细菌为优势菌， 在属层面上则以普雷沃菌属细菌为优势菌［8-9］。 了解反刍家畜瘤胃及肠道微生物多样性，以及微生物与宿主动物、日粮结构、环境因子营养代谢互作机制， 有助于建立科学有效的方法改善动物福利， 提高动物生产效率和动物产品质量，减少温室气体排放。此外，随着第二代、第三代测序技术的成熟和发展， 宏基因组学在瘤胃微生物组研究方面已经得到了广泛应用。 结合宏基因组学、 宏蛋白质组学、RNA-Seq 等多组学研究，国内外近年来产生了一些重要的研究成果。笔者结合当前研究热点， 从反刍动物瘤胃和肠道微生物多样性变化以及功能方面进行综述， 以期为探索瘤胃和肠道微生物在反刍动物营养代谢中的作用及其机制提供参考。

1 多因素影响瘤胃及肠道微生物多样性

反刍家畜瘤胃及肠道微生物处于一个复杂的微生态系统， 其多样性与该系统中的各项因素存在紧密联系。 影响反刍动物瘤胃及肠道微生物多样性的因素主要包括生物因素和非生物因素。 生物因素指消化道微生物互相作用、 宿主动物状态和日粮结构等，非生物因素指地理、气候、温度、光照等。 瘤胃及肠道微生物作为影响反刍动物营养代谢的重要因子， 参与了该微生态系统的物质和能量循环。 高原藏羚羊以及草原蒙古羊，都在冬季放牧时增加了瘤胃微生物维持氮平衡能量的需求，这是高原地区反刍家畜冬季补饲的重要原因［10-11］。

1.1 群体感应——瘤胃微生物相互作用

多项研究表明瘤胃微生物之间存在群体感应。群体感应是一种微生物细胞间的通信机制，微生物通过分泌信号分子感知细胞（群体）密度，并在信号分子达到一定浓度时， 通过调节特定基因的表达调控群体内微生物众多生理生化过程。 不同的瘤胃微生物在降解营养物质时存在复杂的共生和竞争关系。在饲喂不同精粗比日粮过程中，使特定细菌分泌大量信号分子N-酰基高丝氨酸内酯（N-acyl homoserine lactones, AHLs），发生群体感应，建立不同优势种群的微生物。饲喂高精粗比日粮时，分泌长链AHLs 的细菌是优势菌群，而饲喂低精粗比日粮时分泌短链AHLs 的细菌是优势菌群［12］。

以上研究证明瘤胃微生物的群体感应是一种微生物群体对周围环境及营养结构的适应机制，表现形式为瘤胃微生物多样性变化，但导致瘤胃微生物多样性变化的因素有很多。 相比之下，群体感应在众多影响因素中的重要程度还有待研究。

1.2 日粮结构对瘤胃及肠道微生物的影响

改善日粮结构是保障动物健康、 提升动物产品数量和质量的重要途径， 同时又是减轻反刍家畜甲烷排放、提高饲料转化效率的方法［13］。 莫放等［14］研究发现日粮对瘤胃细菌氮的生成具有决定性作用。 Henderson 等［15］对来自35 个国家、32 个种类反刍动物的742 个样本进行瘤胃微生物多样性分析， 发现日粮结构对瘤胃微生物多样性具有关键作用。

稳定的瘤胃微生态是宿主动物正常营养代谢的重要保障， 高微生物多样性是瘤胃微生态稳定的重要前提。通过改善日粮结构，提升瘤胃内微生物多样性是保障家畜健康的有效方法。 高纤维比日粮可提升瘤胃微生物多样性， 有助于建立稳定的瘤胃微生态。Bergmann［16］研究发现，饲喂饲草比饲喂谷物更能提升北美野牛消化道微生物多样性以及拟杆菌门细菌的相对丰度， 饲喂谷物则会显著提高厚壁菌门细菌和丙型变形菌的相对丰度。王柏辉等［17］研究发现，日粮纤维素含量更高的放牧组苏尼特羊比舍饲组苏尼特羊具有更高的瘤胃微生物多样性， 瘤胃球菌属和纤维杆菌属细菌的丰度显著增加。 笔者所在研究团队［18］也发现高纤维驼绒藜日粮比高蛋白质苜蓿日粮更能提高羊瘤胃微生物多样性； 尽管苜蓿日粮在羊增重速率上显著高于驼绒藜日粮，但其瘤胃微生物种类单一，优势菌主要为分解蛋白质的普雷沃菌， 这与侯明杰等［19］的研究结果一致。 饲喂苜蓿日粮时羊瘤胃微生物多样性明显低于饲喂驼绒藜日粮， 这是放牧家畜由于摄入大量高纤维素饲草， 比舍饲家畜具有更高的瘤胃微生物多样性的有力佐证。 瘤胃日粮底物与分解该底物的微生物数量呈正相关关系，高纤维日粮对纤维素酶需求的增加，促进了纤维素分解菌的增殖［20］。 董春晓等［21］研究发现高纤维粗饲料可提高瘤胃中乙酸的比例， 利于纤维素分解菌的增殖。 赵梦迪等［22］在湖羊日粮中添加纤维素酶，提高了纤维素分解能力，同时也提高了瘤胃中微生物的多样性， 这一研究结果也与笔者所在研究团队的预期一致。

与之相反的是，随着精料比例的提高，粗蛋白质和能量的采食量增加，为瘤胃微生物的生长提供了大量的碳源和氮源， 提高了瘤胃微生物氮的产量和蛋白质的合成效率［23］，表现为尿嘌呤氮含量增加［24］和瘤胃代谢产物中氮浓度升高［25］，以及 微生物多样性的相对降低。 李与琦等［26］在湖羊日粮中添加50%以上的微贮棉秆， 发现随着日粮中蛋白质比例的上升，瘤胃微生物多样性降低，此时瘤胃微生物主要是拟杆菌门和厚壁菌门细菌， 普雷沃菌为优势菌。 郭凯等［27］也发现高蛋白质饲料会引起犊牛瘤胃内微生物丰度和操作分类单位（operational taxonomic unit，OTU）降低。

以上研究表明日粮结构是影响反刍动物消化道微生物多样性的关键因素， 高纤维日粮可提升微生物多样性，有利于消化道微生态的稳定；高蛋白质日粮可加快反刍动物生长速度， 但降低了瘤胃微生物多样性。因此，通过调整日粮结构可以有效改变反刍动物消化道微生物的多样性和功能，影响动物生产性状，但其中的机制还不清楚，有待研究。

1.3 饲料添加剂和益生素对瘤胃及肠道微生物的影响

1.3.1 具有抗生素功能的饲料添加剂抗生素类或益生素饲料添加剂可抑制反刍家畜胃肠道病原微生物增殖，改善胃肠道微生态平衡，但同时引起人们对抗生素残留和细菌耐药性的担忧［28］。Thomas等［29］研究发现，在北美洲地区牛场中莫能菌素和泰乐菌素不仅可以作为抗生素类饲料添加剂预防日粮中碳水化合物快速消化带来的疾病风险，还可以提高饲料转化率并降低肝脓肿发生率。 鉴于抗生素潜在的缺陷， 寻找绿色无公害植物性抗菌剂是替代传统抗生素的重要途径。 陈会良等［30-31］研究发现牛至油含有抗菌植物复合酚， 对猪源和鸡源大肠杆菌和沙门菌引起的肠道疾病有很好的疗效。柏妍等［32］也发现牛至油除了具有抗菌功能，还能提高荷斯坦犊牛瘤胃中白色瘤胃球菌的数量，起到调控瘤胃微生物区系的作用。张智安等［33］发现在湖羊日粮中添加蜜蜂肽具有替代抗生素的作用。 此外，蜜蜂肽还可以提高湖羊瘤胃中的乙酸/丙酸比，促进瘤胃乙酸型发酵［34］。

1.3.2 具有调节微生物功能的饲料添加剂除了抗菌功能， 饲料添加剂还有调节消化道功能的作用，通过调节瘤胃微生物区系及其代谢，增加有益菌数量，提高纤维素酶和木聚糖酶浓度。粗饲料代谢能利用效率低于精饲料， 重要的原因在于体内葡萄糖供给不足，导致动用氨基酸生成葡萄糖，造成家畜氮营养状况恶化。郭刚等［35］研究表明，添加丙酸钙可补充反刍动物的重要糖源丙酸， 进而促进氮平衡，瘤胃微生物蛋白质产量显著提高。闫韩韩等［36］在山羊日粮中添加了不同浓度的葡萄糖、尿素、无机盐等，发现瘤胃微生物数量增加，但对多样性没有显著影响。王婷［37］研究表明，在肉羊日粮中添加葡萄籽对瘤胃微生物多样性没有显著影响，但增加了普雷沃菌的相对丰度。双金［38］研究发现，在肉羊日粮中添加熟处理的富含α-亚麻酸油籽，可提高饲料表观消化率并改善瘤胃发酵环境。乌日勒格［39］研究发现，在育肥羊日粮中添加枯草芽孢杆菌，可提高羊瘤胃中拟杆菌门细菌的数量，并增强分解纤维素的能力。 赵亚星等［40］在肉羊日粮中添加沙葱， 显著提高了瘤胃液中总细菌和总厌氧真菌含量以及木聚糖酶和脂肪酶活性， 显著降低了瘤胃液中原虫含量。 陈丹丹［41］发现在肉羊日粮中添加桑叶黄酮、白藜芦醇、茶皂素和大蒜素后，瘤胃中原虫和甲烷菌的数量有一定降低，纤维素分解菌的数量有一定升高。 刘文杰等［42-43］研究发现在小尾寒羊日粮中添加赖氨酸， 可使瘤胃球菌总数增加，同时提高粗蛋白质的表观消化率。此外， 功能验证表明饲粮中添加赖氨酸没有引起肠道内微生物耐药基因的表达［29］。 周瑞等［44］研究表明在绵羊日粮中添加牛至精油能促进瘤胃发育以及瘤胃纤维素分解菌的增殖，提高消化酶的活性。此外，也有研究表明，日粮中添加牛至油可提高奶牛瘤胃微生物蛋白质产量，并降低氮排泄［45-46］。 日粮中添加牛至油配合肉桂醛， 对奶牛瘤胃微生物蛋白质产量的提升效果更好［47］。 王淑洁［48］在犊牛日粮中添加刺五加， 发现不仅可以提高瘤胃中双歧杆菌、乳酸杆菌等微生物的数量，还可以增加小肠绒毛的长度和密度。 董春晓等［49］研究表明，在湖羊日粮中添加蜜蜂肽， 瘤胃内微生物群落的丰富度和多样性都有显著提升， 同时革兰阴性菌的生长受到抑制。

2 宿主动物与瘤胃及肠道微生物的相互作用

宿主动物消化道为微生物提供了生存的场所、厌氧环境以及适宜的温度。 此外，宿主消化道上皮细胞的代谢产物，分泌入消化道的消化液，以及宿主的生理、 病理状态都能直接或间接影响瘤胃及肠道微生物的多样性及功能。

2.1 宿主品种对瘤胃及肠道微生物营养代谢的作用

动物品种对瘤胃微生物的影响要大于日粮结构和其他因素。 刘开朗等［50］研究发现，牛品种对瘤胃微生物组成的影响大于日粮结构等其他因素，在相同的饲喂条件下，鲁西肉牛和荷斯坦奶牛的瘤胃微生物群落结构具有显著差异。Zhang 等［51］研究发现奶牛和水牛小肠中的萨特氏菌属、 粪球菌属和Dorea 菌属细菌的相对数量具有显著差异。

2.2 消化道不同位点对其中微生物营养代谢的作用

Bergmann［16］以相似微生物多样性为依据，将反刍动物消化道分为3 个部分。首先是前肠，包括食管、瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃；其次是中肠，包括十二指肠、空肠和回肠；最后是后肠，包括盲肠、升结肠、横结肠、降结肠和直肠。 由于消化道不同位点具有不同的环境条件，如温度、内容物、pH 值和厌氧条件等， 导致其中的微生物多样性不同。 瘤胃、网胃、瓣胃中主要是消化纤维素的菌种。 小肠是中和胃酸的主要器官，优势菌是厚壁菌门细菌，厚细胞壁结构使其能在高酸性食糜环境中生存，而其他微生物受到高酸性的抑制［16］。 后肠的作用主要是调节水盐平衡；盲肠、结肠和直肠的微生物生物量仅次于前肠， 微生物通过发酵残留纤维素为宿主提供多种维生素。

Wang 等［52］在对小尾寒羊进行了全消化道微生物多样性分析后发现，消化道中的优势菌为厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门细菌；胃中的优势菌为普雷沃菌、毛螺菌和丁酸弧菌；小肠中的优势菌为大肠埃希菌、毛螺菌和瘤胃球菌；大肠中的优势菌为瘤胃球菌、疣微菌和普雷沃菌。 He 等［53］发现骆驼消化道中存在27 个细菌门类，优势菌为厚壁菌门、疣微菌门和拟杆菌门细菌，且粪便和大肠中的细菌区系没有区别。Zhang 等［54］发现小尾寒羊的盲肠和直肠不仅含有较高丰度的厚壁菌门和拟杆菌门细菌， 而且微生物多样性极为相似。Bergmann［16］研究发现，美洲野牛小肠中的微生物多样性最低， 拟杆菌门细菌在小肠的相对丰度最低，而厚壁菌门和广古菌门细菌相对丰度较高。笔者的前期研究比较了羊瘤胃与十二指肠的微生物结构，其优势菌门均为拟杆菌门和厚壁菌门，但发现两者的菌群结构差异非常大， 甚至发生了翻转（未发表）。

以上研究表明消化道不同位点由于具备不同的营养条件，导致微生物多样性存在差异，同时优势菌种和微生物功能不同，因此，要研究微生物多样性，首先要确定目标消化道位点。单个位点的研究价值有限， 在试验过程中从离体粪便中取样是否可以代表宿主体内的情况还值得商榷。 所以对全消化道微生物进行研究， 从整体上对消化道微生物与宿主的相互作用进行把握， 是未来研究的方向。在生产实践中，不论调整日粮结构还是添加益生素都要以消化道位点为最先考虑要素， 这样才能目标明确地指导生产。

2.3 宿主动物不同生理和病理状态对消化道微生物的影响

2.3.1 幼畜断奶前后消化道微生物营养代谢变化反刍动物刚出生时，由于食管沟闭合，乳汁沿着食管沟直接流入皱胃和肠道。 其消化方式与单胃动物类似。随着固体饲料采食量的增加，瘤胃逐渐发挥营养生理功能，其中，微生物区系在瘤胃中的建立是重要步骤。 Elie 等［55］研究发现一些促进瘤胃发育的细菌在犊牛出生后一天就可以被检测到。快速建立瘤胃微生物区系是缩短犊牛断奶时间的措施之一。 断奶后幼畜的瘤胃微生物区系逐渐建立，影响因素主要包括分娩过程、初乳、固体饲料及断奶过程等［56］。 李永洙等［57］对羔羊早期哺喂代乳粉后发现，瘤胃微生物区系变化明显，拟杆菌门细菌成为优势菌，普雷沃菌的相对丰度增加，这与笔者所在研究团队获得的高蛋白质饲草饲喂下羊瘤胃微生物区系的研究结果一致。Alipour 等［58］采集了刚出生和出生后一周犊牛的直肠内容物， 对其进行微生物多样性分析表明， 初生犊牛直肠胎粪和黏膜的微生物多样性较低，仅由厚壁菌门、变形菌门、放线菌门和拟杆菌门细菌组成；一周后直肠微生物多样性又被大肠埃希菌、 志贺杆菌和梭状芽孢杆菌等另外几种细菌入侵， 之前的多样性被打破。 Fomenky 等［59］研究表明，在犊牛断奶前期日粮中添加酿酒酵母菌和嗜酸乳杆菌， 可提高回肠中益生菌纤维杆菌属细菌的丰度， 并且对常见致病菌链球菌属细菌和Tyzzerella 属细菌具有抑制作用。

张甜［60］研究表明，补饲灭菌瘤胃液可促进犊牛生长，并影响瘤胃微生物多样性。Li 等［61］对初生犊牛口腔灌注成年牛瘤胃内容物后， 发现瘤胃微生物四门八属的细菌数量显著增加，同时，肝细胞的磷酸化水平显著提高。Ribeiro 等［62］研究表明，对犊牛灌注成年牛瘤胃内容物， 改变了瘤胃内微生物多样性并提高了蛋白质消化和氮贮存水平。 张甜［60］研究表明，对犊牛饲喂成年牛灭活瘤胃液，没有明显提高生长性能， 原因可能是灭活过程中将成年牛瘤胃液中的活性成分破坏。 高蛋白质饲草可作为开食料保障幼畜平稳断奶。 杨斌等［63］研究表明， 幼龄湖羊补饲苜蓿对断奶前后瘤胃微生物变化无明显影响，但与断奶前相比，断奶后湖羊瘤胃纤维素分解菌数量增加， 可加快羔羊适应高纤维饲粮的进程。李双［64］研究发现，犊牛哺乳期饲喂复合营养还原奶（营养成分包括维生素、氨基酸、酶制剂、益生菌等），可有效改善瘤胃发酵环境，改变瘤胃发酵模式，降低犊牛腹泻发生率。 此外，一些添加剂还有助于幼畜消化道的发育。 陈清华等［65］研究表明，牛膝多糖能促进幼畜肠道黏膜上皮细胞发育，降低肠绒毛隐窝深度，增加肠绒毛高度。 具有同样功效的还有刺五加［48］。

以上研究表明幼畜由于消化道发育不完全和日粮结构单一，消化道菌群结构极不稳定，且极易被病原微生物入侵定植， 导致消化道疾病。 鉴于此，在幼畜出生后通过多种手段（成年牛瘤胃内容物、益生元）迅速在其消化道内建立稳定的微生物区系，同时辅以高蛋白质饲草（苜蓿），不仅有利于幼畜营养物质吸收利用， 也有利于抵抗外来病原菌的入侵，以平稳度过断奶期。

2.3.2 奶牛在不同生理期及患病状态下消化道微生物的变化健康稳定的肠道微生态对外来病原菌具有定植抗性。但在临产前期，怀孕母牛对非伤寒沙门菌的易感性大大增加。 这是由于动物在特定的生理或病理状态下， 稳定的肠道微生态会被打破， 减弱了定植抗性， 从而有利于病原菌的定植。 Munoz-vargas 等［66］研究了临产前怀孕母牛粪便沙门菌和肠道微生物区系的关系， 对临产前3周、1 周， 产后1 周、3 周来自不同牧场的98 份牛粪便样本进行分析，结果发现，样本中的优势微生物为拟杆菌门细菌、厚壁菌门细菌、螺旋原虫和变形菌门细菌， 优势微生物在产前和产后有显著的变化； 但沙门菌的定植与粪便微生物区系没有紧密的联系。奶牛在泌乳期对蛋白质的需求加大，日粮中高蛋白质饲草比例提高， 带来的结果是瘤胃中分解蛋白质能力强的细菌成为泌乳期的优势菌种。Sun 等［67］对334 头泌乳期荷斯坦奶牛瘤胃细菌多样性进行分析， 发现拟杆菌门细菌和普雷沃菌作为优势菌相对丰度最大， 占细菌丰度总量的60.65%。 同样，Delgado 等［68］发现高产奶牛瘤胃中含有高丰度的拟杆菌门细菌和普雷沃菌， 以及低丰度的厚壁菌门细菌和甲烷杆菌。 以上研究结果表明， 高蛋白质饲草会促使分解蛋白质能力强的普雷沃菌成为优势菌种。在生产实践中，可将分解蛋白质能力较强的菌种作为饲料添加剂， 理论上可有效提高瘤胃对高蛋白质饲草的消化率。

动物在患病状态下肠道微生态状况也与正常状态不同。赵洁等［69］研究表明，患乳房炎奶牛粪便中的乳杆菌和纤毛虫多样性明显较低， 说明非健康状态的奶牛肠道微生态发生了改变。 放牧家畜在草原上易采食有毒牧草，如小花棘豆。 王帅等［7］研究发现， 对和田羊饲喂小花棘豆可显著降低瘤胃液总细菌数量以及纤毛虫、 内毛虫和双毛虫数量。定期对牧场牧草种类多样性进行调查，对有毒有害牧草进行早期预警和除草干预是减少放牧家畜中毒的有效措施。

高精日粮由于含有高能量可促使瘤胃丁酸菌大量增殖，以致产生大量丁酸，降低瘤胃液pH 值，使家畜发生酸中毒症［70］。 为了降低由高精日粮引起的酸中毒发生率， 优选日粮精粗比以及使用新型饲料添加剂一直以来是反刍动物营养研究的热点。 Li 等［61］对发生瘤胃酸中毒的犊牛进行瘤胃上皮细胞转录组和瘤胃微生物宏转录组研究， 结果发现，患牛与对照组相比除了增重速度减慢，瘤胃中革兰阴性菌丰度也增加， 且瘤胃上皮细胞转录组有672 个基因呈现显著的差异性表达， 导致细胞信号和形态学发生变化，进而引起病变。研究人员采用多种方法降低瘤胃酸中毒给家畜带来的不利影响。高雨飞［70］研究表明在牛日粮中添加烟酸，可促进瘤胃中原虫生长，避免淀粉发酵，抑制产丁酸细菌生长，从而有效降低瘤胃液pH 值。 孙劼［71］研究表明添加β-谷甾醇可以调节湖羊瘤胃菌群结构，提高代谢乳酸的细菌相对丰度，从而缓解酸中毒症状。 Golder 等［72］研究发现瘤胃酸中毒患牛的基因组、微生物组和生理变化存在紧密的联系，进一步研究可为选育酸中毒耐受型奶牛提供理论支撑。 硫胺素（VB1）以硫胺素焦磷酸辅酶的形式，参与α-酮酸的氧化脱羧反应，如果缺乏该维生素会积累大量中间代谢产物乳酸，从而诱导酸中毒。郝志敏等［73］在体外培养荷斯坦牛瘤胃液中添加硫胺素后发现，可提高培养液的pH 值，降低酸中毒发生风险并提高细菌蛋白质产量。

健康宿主动物的消化道是一个稳定的、 微生物种类多样的微生态环境， 当宿主处于某种生理或病理状态时， 微生态稳态也被打破并处于变化中。动物生长过程受疾病、应激和发情等多因素影响，目前关于反刍动物生理、病理状态对消化道微生物影响机制的研究还很有限， 未来还需进一步研究。

2.3.3 反刍家畜消化道微生物代谢功能的研究消化道微生物的代谢产物是研究微生物功能的关键，尽管受到厌氧试验条件难以获得，以及大多数微生物不可培养等因素的限制， 近年来该方面的研究还是取得了进展。在传统细菌培养方法上，傅帅等［74］应用缺陷培养基成功分离到1 株高效分泌赖氨酸的阴沟肠杆菌。 目前微生物厌氧培养技术和多组学技术已经被直接应用于反刍家畜消化道微生物区系的多样性、结构和功能方面的研究［75］。但翻译产物并不与基因表达直接对应， 基因的功能还需要考虑翻译后修饰的影响， 并需要在蛋白质水平上进行验证［76］。Prajapati 等［77］研究发现高粗纤维日粮条件下，牛瘤胃微生物中与分解芳香族化合物相关的基因表达水平更高， 且拟杆菌门细菌在所有组中是优势菌。 Shen 等［78］研究发现精饲料会引起山羊瘤胃微生物数量激增， 并促进瘤胃上皮细胞8 个抗细胞因子基因的表达。研究表明，肠道微生物对药物成分具有代谢作用， 某些中药有效成分是在肠道微生物的作用下生成的。 姜洪帅等［79］研究发现牛蒡苷在经过肠道微生物代谢作用后，有效成分变为牛蒡苷元和脱甲基化产物，起关键作用的是组成酶和诱导酶。Hart 等［76］研究表明，奶牛瘤胃中丰度最大的细菌门为拟杆菌门、 厚壁菌门和变形菌门， 宏蛋白质组研究结果与瘤胃中优势微生物生态位一致，此外，丰度最大的几种微生物之间的代谢通路有显著不同。Zhang 等［51］研究发现，水牛消化道微生物的氨基酸、脂多糖和维生素合成都比奶牛活跃， 奶牛的丙酮酸盐代谢和碳固定反应则表现更好； 牛奶中的蛋白质含量与微生物中氨基酸合成呈正相关关系。 白色瘤胃球菌是瘤胃中具有分解半纤维素和纤维素能力的细菌， 其功能的发挥主要依赖由内切型纤维素水解酶、外切型纤维素水解酶和β-葡萄糖苷酶组成的酶系。 Iakiviak 等［80］对白色瘤胃球菌-8 株进行基因组分析， 发现17 个分解纤维素基因的突变体；将这些基因进行原核表达后， 表达产物中7 个为内切型纤维素酶，释放出纤维二糖和纤维三糖；除了2 种内切型纤维素酶， 其余的表达产物都与微晶纤维素绑定， 证实了功能性碳水化合物结合模块的存在。

综上， 消化道微生物的多样性和功能与家畜生产性能、饲料消化率、日采食量和疾病治疗等具有对应关系， 可通过调整消化道微生物对家畜生产进行有限指导。 今后需要进一步了解消化道微生物与宿主的作用机制， 找到更有指向性和可操作性的指标， 达到通过调整微生物多样性和功能指导生产的目的。

3 温室气体甲烷排放与瘤胃微生物代谢关系

瘤胃产甲烷菌能将H2、CO2、甲酸等化合物转化成甲烷。甲烷不可被动物利用，以嗳气的方式排到体外，进入大气环境。反刍动物产生的甲烷是大气甲烷的一个重要来源。 产甲烷菌生成甲烷需要消耗饲料，浪费代谢能量，因此，科学降低甲烷产量是反刍家畜养殖节本增效的重要途径。 硝酸盐可作为瘤胃中的氢结合物降低用于甲烷合成的氢离子水平。 刘太峰［81］研究表明利用硝酸钙包被豆粕不仅降低了山羊瘤胃甲烷产量， 而且对肠道微生物蛋白质合成没有影响。 产甲烷菌伴随家畜的一生。Wang 等［82］研究发现产甲烷菌在黑山羊出生后1 d 就定植在瘤胃液态内容物和瘤胃上皮细胞， 随着宿主年龄的增加产甲烷菌菌群结构和丰度呈动态变化。 Shabat 等［83］研究发现富集特殊细菌能够强化动物能量和碳的代谢通路， 减少甲烷的排放。Xiang 等［84］通过研究奶牛瘤胃上皮细胞转录组发现， 日粮干物质含量增加可引起与细胞周期和代谢相关的基因表达活跃， 导致瘤胃短链脂肪酸和甲烷的代谢显著增加。 陈宇［85］在湖羊瘤胃液中添加木聚糖酶和纤维素酶， 发现可降低产甲烷菌浓度。

4 多组学加速消化道微生物营养代谢研究进程

得益于第二代、 第三代测序技术的成熟和推广，基于宏基因组学、宏转录组学和宏蛋白质组学等多组学分析， 在分子水平上阐释肠道微生物营养代谢机理， 可为科学指导生产提供强大的理论支撑。

4.1 完善消化道微生物基因注释，深入挖掘消化道微生物潜力

有研究表明人体肠道细菌菌群约有300 万个基因，是人体基因数量约150 倍［86］。这些基因信息的深入挖掘， 对诠释消化道微生物与宿主健康关系，研究消化道微生物在疾病中发挥的作用，及时监控、预防、干预消化道微生物，进而开发新药和新菌剂具有重要意义。

利用多种基因文库构建方法， 从中筛选出功能基因一直是研究人员努力的目标。 核酸分子杂交技术、变性梯度凝胶电泳（denatured gradient gel electrophoresis，DGGE）、 温度梯度凝胶电泳（temperature gradient gel electrophoresis，TGGE）、 定量PCR 技术是早期研究瘤胃微生物的方法［87］。 获取高质量瘤胃样本DNA 是建立基因文库的保障［88］。以Fosmid 或Cosmid 等载体构建宏基因组文库是在第二代测序技术普及之前研究瘤胃微生物多样性和功能的主要方法。 研究人员应用Fosmid 文库从牛瘤胃微生物中筛选出纤维素酶基因和木聚糖酶基因［89-94］。 此外，还有以细菌人工染色体作为载体构建瘤胃宏基因组文库的报道［95］。 环境基因组标签技术（environmental genomic tags，EGTs）不需要对宏基因组进行组装， 仅取基因组小片段进行BLAST 比对即可。 周熊艳等［96］利用EGTs 技术分析了云南大额牛瘤胃微生物多样性，结果表明，云南大额牛瘤胃微生物主要属于10 个门，拟杆菌门和厚壁菌门细菌丰度最高， 主要的纤维素降解菌为黄化瘤胃球菌、溶纤维丁酸弧菌、白色瘤胃球菌和产琥珀酸丝状杆菌。

随着计算机技术的飞速发展， 第二代测序技术已经显著提高了宏基因组、16S rRNA 扩增子和宏转录组等多组学分析的研究效率。 笔者综述的绝大多数研究成果是基于第二代测序技术得到的。对测序数据的分析基于对基因功能的注释，因此， 注释基因库的构建与完善是利用多组学研究消化道微生物多样性和功能的基石。

来自新西兰和美国多个机构的科学家公布了迄今为止最大规模的靶向培养和测序项目之一Hungate1000 研究项目的最新成果。 目前这一项目总共包含501 个基因组，最新研究报道了410 个瘤胃微生物基因组序列，另外91 个基因组序列来自其他已经公开发表的研究［97］。其他国家的研究人员也开展了研究。 Kang 等［98］从牛瘤胃中分离到1 株Sporanaerobacter acetigenes （F-12 株）并绘制了其基因组草图， 该菌株基因组包括2 866 191 bp 碱基和2 889 个编码序列。 此外，他们还对1 株从奶牛瘤胃中分离到的Oribacterium sp.（C9 株）细菌进行基因组分析和注释， 得到含有3 720 024 bp 碱基的基因组草图和3 130 个编码序列［99］。

宏基因组学和宏转录组学在研究动物消化道微生物代谢和开发微生物资源上展示出强劲的优势。 但由于现有数据库对微生物基因功能注释不足，延缓了研究的进度，是该领域进一步深入研究的瓶颈，也是今后研究的重要方向。

4.2 应用多组学筛选功能基因，获得有效微生态制剂

邵明旭［100］对小尾寒羊空肠、盲肠和直肠内容物进行了微生物多样性分析，进而从生长性能、耐酸、耐胆盐和抑制有害菌生长方面进行筛选，分离获得干酪乳杆菌、 植物乳杆菌和枯草芽孢杆菌3株具有应用潜力的益生菌。 杨辉［101］以芒草驯养牛瘤胃微生物， 改变了牛瘤胃微生物组成及纤维素酶的丰度， 并筛选出一个与降解芒草特性相关的纤维素酶基因。 吴琼等［102］应用宏基因组学预测发现西门塔尔牛瘤胃内富含大量木质素和纤维素降解酶基因。

4.3 厘清影响动物产品品质的营养代谢通路，筛选功能性添加剂

胆碱在调控单胃动物肌内脂肪沉积方面起到重要作用。 瘤胃中的原虫是反刍动物重要的过瘤胃胆碱源，但影响肌内脂肪沉积的因素众多，瘤胃微生物对胆碱的作用相对有限。 李华伟［103］研究了胆碱对脂肪代谢和肌内脂肪形成的影响， 发现过瘤胃胆碱具有降低肉羊内脏脂肪沉积、 增加皮下脂肪厚度的作用， 不同育肥阶段的肌内脂肪沉积效果不同。 此外，Tang 等［104］研究了牛日粮中棉酚旋光异构体被瘤胃微生物代谢进入牛血清后的变化， 发现瘤胃微生物对棉酚旋光异构体没有选择性降解。

5 小结与展望

笔者以反刍动物瘤胃和肠道微生物为对象，探讨了与其多样性和营养代谢存在直接或间接联系的微生物、日粮、添加剂、宿主、自然环境等因素的相互作用。 以上各种因子构成了以反刍动物为主体，以消化道微生物为重要组成部分，以日粮、饲料添加剂、 自然因素等因子为补充的微型生态系统。该生态系统的平稳、高效运转是保证家畜健康、获得优质动物产品、减少温室气体排放和降低生产成本的基础。

首先， 对反刍动物消化道微生物具有决定作用的是动物种类， 不同种动物的消化道微生物有本质不同。 其次，具有关键作用的是日粮组成，这是人为调控动物营养水平的有效手段。 日粮可直接影响消化道微生物的多样性和代谢， 补充饲料添加剂是人为干预消化道微生物营养代谢的重要手段。 此外，宿主动物的生理、病理状态都可影响消化道内环境， 是人为调整消化道微生物必须考虑的因素。因此，消化道微生物与其所在微生态系统中其他因子的作用及机制， 是人为干预反刍家畜营养代谢的理论基础，也是未来研究的方向。