饲喂蒸汽压片玉米对新疆褐牛增重、瘤胃发酵及微生物多样性的影响

杨 敏，高 雨，许子豪，张九龙，得力努尔·拜山别克，任万平,2

(1.新疆农业大学动物科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆肉乳用草食动物营养重点实验室，乌鲁木齐830052)

玉米作为能量饲料，含有大量的玉米淀粉，而玉米淀粉在玉米胚乳中主要为紧密排列的颗粒形式，不利于酶的渗透和微生物消化[1]，但经加工处理后可改变其物理及化学结构，从而提高玉米的利用率。蒸汽压片处理可使玉米淀粉糊化，蛋白质结构发生改变，利于反刍动物的消化吸收。Harrelson等[2]给肉牛饲喂蒸汽压片玉米，发现其可提高瘤胃淀粉消化率；Xu等[3]利用振动分子光谱技术发现蒸汽压片玉米中淀粉在瘤胃中消化率提高；Zinn等[4]研究表明，蒸汽压片处理可提高玉米利用率、降低料肉比、提升肉牛的平均日增重(ADG)；但对于饲喂蒸汽压片玉米是否能提高肉牛瘤胃挥发性脂肪酸(VFA)含量、改善瘤胃微生物菌群的报道鲜见。本试验以新疆褐牛为研究对象，探索蒸汽压片玉米对肉牛增重性能、瘤胃发酵和菌群组成的影响，为后续降低饲料成本、提高肉牛饲养效益提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米(新饲玉2号，2020年收割)购自新疆呼图壁种牛场，所购玉米分为两份，由呼图壁种牛场饲料加工厂代为加工为蒸汽压片玉米(调质时间60 min,压片厚度2.5 mm，压制后热风干燥，容重360 g/L，淀粉糊化度≥55%，水分≤14%)和普通破碎玉米(筛孔直径2 mm)。

1.2 试验设计与饲养管理

试验选取16头18月龄、体重相近(436.87 kg±17.29 kg)的新疆褐牛公牛，采用单因素试验设计，随机分为2组，每组8头牛，单栏栓系式饲养，试验组混合饲粮中的玉米使用蒸汽压片玉米(SFC组)，对照组使用普通破碎玉米(RBC组)，预试期15 d，正试期180 d。在试验开始前，对牛舍全面消毒，对所有试验牛称重、驱虫，进行健胃和相关免疫接种。试验全期使用混合饲粮(精粗比为50∶50)，粗饲料为全株玉米青贮(20%)、麦秸(7%)、玉米秸秆(15%)和苜蓿(8%)。于每日07：00和18：00饲喂，两组牛每天饲粮饲喂量一致，自由饮水。精料组成和营养水平见表1。

1.3 样品采集和指标测定

1.3.1 增重性能 分别在试验开始和结束时对16头牛空腹称重，计算两组牛的平均日增重(average daily gain,ADG)。

1.3.2 瘤胃液的采集和瘤胃发酵参数测定 于试验第180天用瘤胃管分别在饲前(0 h)和饲后1、3、5、7、9 h采集16头牛的瘤胃液，测定pH(pH818,山东安耐自动化仪表有限公司)后用5层医用纱布过滤，分装到冻存管中，立即投入液氮罐中冻存[5]。氨态氮(NH3-N)的测定参照冯宗慈等[6]靛酚蓝比色法，微生物蛋白(MCP)和VFA的测定参照徐晓莉[7]方法。

1.3.3 瘤胃微生物菌群16S rRNA基因测序 0 h瘤胃液样品DNA提取、PCR扩增、MiSeq测序以及数据分析处理委托北京奥维森基因科技公司协助完成。用PowerSoil DNA lsolation Kit(MoBio Laboratories,Carlsbad,CA)提取样本DNA后，采用338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3′)扩增细菌16S rRNA基因的V3-V4区，PCR产物经1.0%琼脂糖凝胶电泳检测扩增目的条带大小和核酸纯化(Agencourt AMPure XP试剂盒，Beckman Coulter Inc.)后，在Illumina Miseq PE300高通量测序平台进行Paired-end测序，测序结果以Fastq格式存储，再上传至NCBI的SRA数据库。根据处理的测序结果，利用QIIME1(v1.8.0)软件进行Alpha多样性分析，其中Chao1指数表示菌种丰富度，其值大小与菌群丰度呈正相关；Shannon指数表示微生物多样性，其值越大表明菌群多样性越丰富。使用Silva 138数据库对OTU代表序列进行比对分析，再用RDP Classifier算法比对(设置70%的置信度阈值)得到每个扩增序列变体(amplicon sequence variants，ASV)对应的物种分类信息，并在门、属水平上注释每个样品的瘤胃群落组成，再基于物种注释及相对丰度结果使用R(v3.6.0)软件进行物种组成柱状图分析。在门水平上选取前10个、在属水平上选取前12个(菌群丰度>1%)瘤胃微生物菌群进行分析讨论。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 19.0统计软件进行独立样本t检验，结果以平均值与平均值标准误表示，P<0.05表示差异显著，P<0.01表示差异极显著。

2 结 果

2.1 饲喂蒸汽压片玉米对新疆褐牛增重性能的影响

由表2可知，两组试验牛的初始体重无显著差异(P>0.05)，SFC组的终末体重及ADG均显著高于RBC组(P<0.05)。

2.2 饲喂蒸汽压片玉米对新疆褐牛瘤胃发酵的影响

由表3可知，与RBC组相比，SFC组试验牛瘤胃液pH在1 h时显著下降(P<0.05)，3 h时极显著下降(P<0.01)。SFC组的NH3-N和MCP含量在0、1、3、5、7、9 h时均极显著高于RBC组(P<0.01)。在3 h时，SFC组的乙酸和乙酸+丙酸+丁酸含量均显著高于RBC组(P<0.05)，丙酸含量极显著高于RBC组(P<0.01)。

2.3 饲喂蒸汽压片玉米对新疆褐牛瘤胃微生物多样性的影响

2.3.1 瘤胃微生物群落的多样性和丰富度 由表4可知，两组间的物种数、Chao1指数、Shannon指数、谱系多样性和观测深度差异均不显著(P>0.05)。

2.3.2 门水平上瘤胃微生物菌群组成 由表5可知，在门水平上，两组主要的瘤胃微生物菌群是拟杆菌门和厚壁菌门。SFC组瘤胃液中拟杆菌门、螺旋菌门相对丰度显著或极显著高于RBC组(P<0.05；P<0.01)；厚壁菌门、脱硫杆菌门和疣微菌门相对丰度均显著低于RBC组(P<0.05)，放线菌门相对丰度极显著低于RBC组(P<0.01)。

2.3.3 属水平上瘤胃微生物菌群组成 由表6可知，两组的理研菌科RC9、普雷沃氏菌属、NK4A214_group、克里斯滕森菌科R-7、瘤胃球菌属和丁酸弧菌属的相对丰度在瘤胃微生物属水平上占比较高，SFC组瘤胃液中理研菌科RC9、普雷氏菌科UCG-003、毛螺旋菌科XPB1014和毛螺旋菌科NK3A20相对丰度均显著高于RBC组(P<0.05)，而克里斯滕森菌科R-7相对丰度显著低于RBC组(P<0.05)。

表6 两组新疆褐牛瘤胃微生物属水平菌群丰度

3 讨 论

3.1 饲喂蒸汽压片玉米对新疆褐牛增重性能的影响

本试验中，饲喂蒸汽压片玉米能显著提高新疆褐牛的终末体重和ADG。张亚伟等[8]用不同水平蒸汽压片玉米饲喂鲁西阉黄牛发现，蒸汽压片玉米的添加量与终末体重和ADG呈正相关，当蒸汽压片玉米替代粉碎玉米的量达到100%时增重效果最显著；白云鹏等[9]研究结果表明，与饲喂粉碎玉米相比，添加100%蒸汽压片玉米的平凉红牛终末体重和ADG显著提高；Corona[10]等在育肥牛上应用蒸汽压片玉米也得出类似结果。以上结果说明玉米经过蒸汽压片处理后，能显著提高试验牛的终末体重和平均日增重，这是因为玉米经蒸汽压片处理，提高了玉米淀粉在瘤胃里的消化率和降解率，更容易被肉牛消化吸收[2-3]，从而能够提高新疆褐牛的增重性能。

3.2 饲喂蒸汽压片玉米对新疆褐牛瘤胃发酵的影响

瘤胃pH能反映瘤胃健康状况，且pH的高低与饲粮组成和瘤胃VFA含量密切相关，当pH为6.6～6.8时有利于瘤胃发酵[11]，过低则会引发酸中毒。在本试验中，两组瘤胃pH随发酵时间延长均呈先下降后上升再趋于平稳的趋势，且在3 h时SFC组pH极显著低于RBC组，这是因为饲喂蒸汽压片玉米可以显著提高瘤胃中淀粉的降解率[12]，增加淀粉与牛消化道的接触面积[13]，使玉米淀粉在瘤胃中短时间快速发酵，导致瘤胃液pH显著下降。Haled等[14]在育肥牛体外发酵试验中发现，SFC组发酵液pH在6 h时最低；乔富强等[15]以利木赞阉牛为试验对象饲喂蒸汽压片玉米，其瘤胃液pH显著降低；但Ahmadi等[16]研究表明，与磨碎玉米相比，SFC组奶牛瘤胃pH显著提高；而郭亮等[17]研究发现，添加蒸汽压片玉米对瘤胃pH无显著影响。之所以产生以上不同结果，可能与蒸汽压片玉米的添加量、饲粮组成、试验对象等因素有关。在本试验条件下，饲喂蒸汽压片玉米能显著降低新疆褐牛瘤胃pH，原因是蒸汽压片玉米加大了淀粉与瘤胃液的接触面积，提高了瘤胃发酵速率。

瘤胃中的NH3-N含量与MCP合成密切相关，既能体现瘤胃氮代谢也能反映蛋白质代谢[11,17]。本试验结果表明，NH3-N和MCP含量随时间变化均呈先降低再回升的趋势，但SFC组这两个指标始终高于RBC组，且在3 h时浓度最小，这与pH变化趋势相同，在pH降低时MCP合成缓慢，NH3-N含量最低，这表明MCP的合成可能受到pH的调控；而NH3-N和MCP含量的变化与VFA的变化趋势相反，当VFA达到最高峰时NH3-N和MCP含量最低。有研究表明饲喂蒸汽压片玉米能使瘤胃NH3-N含量下降[17-19]，提高MCP的合成量，且王璐等[20]在中国荷斯坦奶牛上应用蒸汽压片玉米后，发现全替代组瘤胃NH3-N浓度在9:00至13:00始终极显著高于破碎玉米组。可见，添加蒸汽压片玉米能极显著提高瘤胃NH3-N含量，促进MCP的生成。

VFA是瘤胃内的主要产物，包括乙酸、丙酸、丁酸等，是维持反刍动物生命活动和提供生产所需能量的重要来源[11]。研究结果表明，肉牛饲喂蒸汽压片玉米后能显著提高丙酸含量[21-23]，在本试验中，SFC组在3 h时乙酸、丙酸、乙酸+丙酸+丁酸含量显著高于RBC组，这与王璐等[20]报道的SFC组奶牛瘤胃乙酸、丙酸、总VFA含量均极显著高于破碎玉米组的结果一致，原因可能是玉米经蒸汽压片处理后导致淀粉糊化，从而使得瘤胃微生物能够更好地利用淀粉，增加了VFA的生成量。综上所述，饲喂蒸汽压片玉米可以促进瘤胃VFA的生成。

3.3 饲喂蒸汽压片玉米对新疆褐牛瘤胃微生物多样性的影响

细菌、原虫和厌氧真菌是反刍动物瘤胃的主要微生物，与瘤胃发酵密切相关，对反刍动物营养消化和维持机体健康等十分重要。大量研究证实，对于反刍动物而言，拟杆菌门和厚壁菌门是瘤胃的优势菌群[24-25]，拟杆菌门是一类分解碳水化合物的菌群，而厚壁菌门则主要降解纤维物质[26]。本试验中，相比RBC组，SFC组拟杆菌门的相对丰度显著提高，厚壁菌门的相对丰度显著降低，两组瘤胃菌群拟杆菌门和厚壁菌门占比均超过90%，SFC组拟杆菌门相对丰度较高说明其对瘤胃里的碳水化合物消化代谢较强，能为机体提供更多的能量。变形菌门大多为病原菌，吴琼等[27]用16S RNA高通量测序技术分析了安格斯牛瘤胃菌群，发现瘤胃微生物在门水平上变形菌门占14.5%，但在本试验中变形菌门相对丰度不足1%，说明瘤胃中的有益菌丰度压制了有害菌的丰度。Servin等[28]研究指出，放线菌门中大部分是腐生菌，具有致病作用；疣微菌门与胃肠道免疫相关，其丰度上升表明机体免疫性能较高[29]；螺旋菌门能利用可发酵碳水化合物合成VFA[30]。本试验结果表明，与RBC组相比，SFC组放线菌门、疣微菌门和脱硫杆菌门相对丰度均极显著下降，而螺旋菌门相对丰度极显著上升，表明饲喂SFC能减少致病菌丰度，提高瘤胃VFA的合成。

由本试验结果可知，在属水平上，瘤胃中占比较大的细菌是理研菌科RC9和普雷沃氏菌属，彭科兰等[31]对水牛瘤胃菌群的研究得出类似结论。非纤维碳水化合物的降解与普雷沃氏菌属相关[32]，而普雷沃氏菌属的瘤胃发酵产物主要是丙酸和乙酸，在本试验中SFC组的普雷氏菌科UCG-003相对丰度高于RBC组，且SFC组瘤胃丙酸和乙酸含量始终高于RBC组，这说明饲喂蒸汽压片玉米后加快了玉米淀粉在瘤胃内代谢，导致SFC组瘤胃发酵比RBC组更快。克里斯滕森菌科R-7属于厚壁菌门，能分解纤维类物质[33]，与乙酸产量相关，在本试验中，SFC组在克里斯滕森菌科R-7相对丰度显著低于RBC组的情况下，乙酸产量仍比RBC组高，说明在本试验中该菌群对乙酸产量影响较低，推测SFC组乙酸产量升高可能与普雷沃氏菌属UCG-003相对丰度上升有关。SFC组毛螺旋菌科XPB1014和毛螺旋菌科NK3A20的相对丰度均比RBC组高，从Deusch等[34]研究中可知，毛螺旋菌科是产生短链脂肪酸生成酶的菌群之一，产物是丁酸，这与本试验中SFC组丁酸含量始终比RBC组高相符合。以上结果说明饲喂蒸汽压片玉米能显著提高普雷氏菌科UCG-003、毛螺旋菌科XPB1014和毛螺旋菌科NK3A20的相对丰度，这与SFC组的瘤胃VFA浓度较高密切相关。

新疆褐牛饲喂蒸汽压片玉米后，SFC组瘤胃液MCP、NH3-N、乙酸、丙酸、丁酸含量均高出RBC组，这可能与SFC组的拟杆菌门、螺旋菌门、普雷氏菌科UCG-003、毛螺旋菌科XPB1014和毛螺旋菌科NK3A20这些瘤胃微生物相对丰度的增加有关，瘤胃发酵加快，对营养物质的消化率明显提高，使肉牛的增重性能明显提升。

4 结 论

饲喂蒸汽压片玉米能显著提高新疆褐牛的增重性能，促进瘤胃中MCP和VFA的合成，提高了与碳水化合物分解及VFA合成相关的瘤胃微生物菌群(拟杆菌门、螺旋菌门、普雷氏菌科UCG-003、毛螺旋菌科XPB1014和毛螺旋菌科NK3A20)的相对丰度，降低了与纤维降解相关(厚壁菌门)和可致病性菌群(放线菌门)的相对丰度。