牦牛胃肠道微生物影响因素的研究进展_王冰艺.pdf

动物营养学报，（）：牦牛胃肠道微生物影响因素的研究进展王冰艺 马弘财，董海龙 吴庆侠（西藏农牧学院动物科学学院，林芝；西藏自治区农牧科学院畜牧兽医研究所，拉萨；省部共建青稞和牦牛种质资源与遗传改良国家重点实验室，拉萨）摘 要：胃肠道是牦牛重要的消化吸收器官，瘤胃和肠道中的微生物对牦牛的健康生长和繁殖发育具有重要作用。目前，大多基于高通量测序技术分析牦牛胃肠道微生物群落的组成、分布、多样性和功能预测等。本文综述了国内外有关牦牛胃肠道微生物的研究性论文，阐述了不同饲粮、年龄、海拔等对牦牛胃肠道微生物的影响，以期为牦牛的生产养殖提供理论依据。关键词：牦牛；瘤胃；肠道；微生物；高通量测序中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：西藏自治区重点研发及转化计划（）作者简介：王冰艺（），女，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向为高原动物传染病。：通信作者：吴庆侠，教授，研究生导师，：牦牛作为我国青藏高原地区特有的珍稀牛种之一，主要分布于青海、西藏、四川、甘肃等地区，与当地牧民的衣食住行息息相关。牦牛主要用于牛奶和肉类的目的，在某些地区，牦牛被用作耕种农田的役力，其粪便也可作为燃料供牧民使用。此外，牦牛还以其独特性促进当地旅游业的发展。牦牛的生活环境在 以上的海拔高、氧气少、昼夜温差大的高原高山地带，因此造就了牦牛对生态环境的极强适应性。我国牦牛总数约 余万头，占世界牦牛总数的，可分为“横断高山型”和“青藏高原型”两大类型。反刍动物的瘤胃拥有多样化的微生物种群，可以将摄入的纤维物质含量高的粗饲料转化为微生物蛋白和挥发性脂肪酸及其衍生物，为动物机体提供必要的营养物质，以促进新陈代谢。因此，瘤胃微生物在反刍动物的生产力和健康中起着关键作用。在瘤胃中未被充分降解的食物会进入肠道，在肠道微生物的作用下被进一步消化吸收，为机体提供能量。肠道不仅是动物机体消化吸收的重要场所，同时也是动物机体的一大免疫器官。大量研究表明，肠道微生物的失调与许多疾病有直接关系，如牛白血病、寄生虫病、牛结核病、乳腺炎、腹泻。近年来，国内外对牦牛胃肠道微生物的研究越来越多，进一步说明了瘤胃及肠道中的微生物对牦牛的健康起着至关重要的影响，使人们对牦牛胃肠道微生物相关的研究有更深的了解。牦牛胃肠道微生物的多样性 反刍动物的胃肠道中有数万亿微生物，这些微生物在新陈代谢、消化吸收、肠道内稳态和宿主健康中发挥着关键作用。从数量上讲，在微生物群落中以细菌为主，其余包括真菌、古菌和原虫等。因此，本文着重讨论牦牛胃肠道内细菌的多样性。牦牛瘤胃细菌多样性 与所有牛家族成员一样，牦牛胃肠道的消化吸收由瘤胃主导。基于扩增子测序的研究中发现，在门水平上，拟杆菌门（）、厚壁菌门（）和变形菌门（）为优势菌群；在属水平上，拟杆菌属（）和普雷沃氏菌属（）为优势菌群。等发现牦牛瘤胃的固体、液体、背侧上皮和腹侧上皮部分的细菌群落存在显著差异；其中，理研菌科 期王冰艺等：牦牛胃肠道微生物影响因素的研究进展（）、毛螺菌科（）和疣微菌科（）以及纤维杆菌属（）在固体部分中富集，而普雷沃氏菌属和雷沃氏菌科（）在 液 体 部 分 中 富 集；弯 曲 杆 菌 属（）、丛毛单胞菌属（）和脱硫弧菌属（）在背侧上皮部分富集，而霍瓦德拉属（）、雷沃氏菌科（）、瘤胃球菌科（）和 密 螺 旋 体 属（）在腹侧上皮富集。黄色瘤胃球菌（）、白色瘤胃球菌（）、琥 珀 酸 纤 维 杆 菌（）是主要的纤维降解菌，而栖瘤胃普雷沃氏菌（）和双发酵梭状芽胞杆菌（）是主要的蛋白质降解菌，右旋糖苷琥珀酸弧菌（）、溶淀粉琥珀弧菌（）、嗜淀粉瘤胃杆菌（）和瘤胃硒单胞菌（）是主要的淀粉降解菌。等采用 高通量测序技术对牦牛瘤胃微生物区系进行分析，共获得 个操作分类单元（，），其中 个 均为细菌。拟杆菌门（）和厚壁菌门（）是主要门类，与粟雨芯报道结果一致。在属水平上，理研菌科、普雷沃氏菌属、克里斯滕森菌科（）和普雷沃氏菌科（）是瘤胃中优势菌属。普雷沃氏菌属细菌在瘤胃中非常普遍，但其数量由网胃向皱胃呈下降趋势。牦牛肠道细菌多样性 肠道分为小肠（十二指肠、空肠、回肠）和大肠（盲肠、结肠、直肠），由于其庞杂的结构组成，因此每个肠段的菌群分布和功能各不相同。等比较了青藏高原生长迟缓和正常牦牛肠道细菌群落，多样性分析表明，正常组十二指肠和回肠的 指数高于生长迟缓组；然而，在空肠和盲肠中发现了相反的趋势；主坐标分析（，）表明，正常组和生长迟缓组之间各肠段的细菌结构存在差异。等研究包括了在牦牛所有发育阶段中细菌门（厚壁菌门、拟杆菌门、螺旋藻门、软毛菌门、变形菌门和蓝藻菌门）和真菌门（壶菌门、摩苔菌门、新缘乳菌门、子囊菌门和担子菌门）的丰度和比例的变化，结果发现随着牦牛年龄的增长，变异减少，而多样性增加。粟雨芯还发现厚壁菌门的丰度在牦牛的十 二 指 肠、回 肠、盲 肠 到 结 肠 呈 增 加 趋 势。等报道，在牦牛的各肠段中还存在大量厌氧菌，如消化链球菌科（）、普雷沃氏菌科和琥珀酸弧菌科（），并且在属水平上，拟杆菌属在盲肠中大量存在。等比较了家养牦牛粪便和其他 个肠道部位（瘤胃、十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠和直肠）的肠道微生物多样性和功能，结果发现粪便和其他 个肠道部位的肠道微生物群在 多样性水平上差异显著；然而，粪便与盲肠、粪便与结肠之间微生物群的功能无显著差异，根据来源追踪分析，大多数粪便微生物群起源于盲肠和结肠。等从香格里拉、拉萨和玉树 个地区收集了 份牦牛粪便样本，并通过高通量测序进行了分析，多样性水平在香格里拉地区牦牛粪便样本中最高，发现不同地区牦牛肠道微生物群组成存在显著差异；牦牛粪便样本共鉴定出 个门、个科、个属，优势菌门是厚壁菌门和拟杆菌门，优势菌科是瘤胃球菌科；此外，瘤胃球菌科 是主要菌属，在玉树地区牦牛粪便样品中比其他地区牦牛粪便样品更丰富。影响牦牛胃肠道微生物群落的因素 影响动物胃肠道微生物区系的因素有很多，包括海拔、健康状况、饲粮组成等。等比较了西藏不同海拔地区牦牛瘤胃发酵参数和微生物群落；等通过 基因序列表征腹泻成年牦牛肠道微生物群落失调；等分析了高精饲粮对牦牛瘤胃发酵和微生物群落的影响，并且评估了饲粮粗精比对牦牛瘤胃微生物群落和代谢物的影响；等研究了饲粮浓缩饲料比对牦牛瘤胃细菌群落组成的影响；等表征了饲粮类型对牦牛瘤胃微生物群落和代谢物的影响。综上可以看出，牦牛胃肠道微生物的组成受诸多因素影响，因此，深入了解各因素与微生物之间群落的关系，可以为牦牛的营养吸收、环境的适应能力以及免疫机制等方面提供理论指导。饲粮 大量研究表明，饲粮是影响胃肠道微生物的动 物 营 养 学 报 卷主要原因之一，因为饲粮直接决定了微生物可利用的营养物质。等研究探讨了饲粮不同能量水平对牦牛瘤胃细菌群落的影响，随着饲粮能量水平的增加，牦牛瘤胃中优势菌种的相对丰度在属水平上显著变化。等发现牦牛瘤胃微生物群落随着采食高蛋白质饲粮而波动更大。有研究表明，粗饲牦牛比精饲牦牛更有利于健康养殖，长期高比例的浓缩饲喂抑制了放线菌（）、变形菌（）、子囊菌（）、拟杆菌（）的生长，刺激了链藻（）、蓝藻（）、梭杆菌（）和 衣 原 体（）的 生长。等比较了不同能量水平的低蛋白质饲粮对牦牛和柴达木牛瘤胃细菌群落的影响，发现随着饲粮能量水平的增加，厚壁菌门的相对丰度呈线性增加，而拟杆菌门的相对丰度显著降低。有研究指出，饲粮代谢能和氮含量之比也会影响到牦牛瘤胃细菌的多样性，并且在门水平上，厚壁菌门的相对丰度较高，而拟杆菌门的相对丰度较低。饲粮的营养水平还直接关系到动物的繁殖性能和动物产品品质，进一步对人类的生产生活造成一定影响。年龄 等分析研究了不同年龄（和 岁）犏牛（黄牛与牦牛杂交）瘤胃微生物群落组成和功能特征，发现瘤胃微生物群落组成在 个年龄段相似，厚壁菌门、纤维杆菌门（）、拟杆菌门和变形菌门是主要菌门，在成年犏牛瘤胃中检测到参与木质纤维素降解的细菌种类，包括黄色瘤胃球菌、白色瘤胃球菌、琥珀酸纤维杆菌和栖瘤胃普雷沃氏菌，其中琥珀酸纤维杆菌含量最高。聂远洋等研究发现，随着牦牛年龄变化，肠道菌群呈一个动态并趋于稳定的过程。郭文杰等发现各年龄组牦牛在门水平上的优势菌门相同；在属水平上，拟普雷沃菌属相对丰度随着年龄的增加而增加；功能预测结果表明，氨基酸代谢、信号传导、细胞运动和功能基因表达相关代谢通路在 岁组显著富集，但、和 岁组之间功能基因表达丰度差异不显著。等分析了、月龄牦牛粪便中菌群多样性，结果表明随着月龄的增加牦牛粪便中疣微菌门和阿克曼菌属（）相对丰度呈下降趋势，并且通过对粪便微生物的功能预测发现，各功能途径的差异与某些微生物的丰度差异有关。年龄一直被推测是影响动物胃肠道微生物群落的重要因素，并且随动物年龄的增长，其胃肠道微生物群落多样性逐渐丰富并趋于稳定。但也有研究发现，某些反刍动物在成年和幼年之间的微生物群落多样性差异并不显著。性别 外部环境被认为是影响胃肠道微生物的多数因素，人们往往忽略了动物自身性别不同而造成的差异。关于性别对胃肠道微生物的影响，大量研究集中在人类和啮齿动物，但是有关性别与反刍动物胃肠道微生物之间的关系的研究较少。韩学平等研究了牦牛瘤胃微生物区系特征和性别之间的差异，结果显示，在门水平上，公、母牦牛瘤胃微生物组成基本相同；多样性指数中，公牦牛的 指数为 ，极显著高于母牦牛，公、母牦牛其余 多样性指数无显著差异；和相似性分析（，）结果表明公、母牦牛瘤胃微生物区系存在显著差异。等研究了家养大同牦牛（公、母）和野生公牦牛的肠道微生物群落组成，发现 组牦牛的肠道微生物多样性存在显著差异，且野生公牦牛的肠道微生物群落 多样性最高；在门水平上，厚壁菌门和拟杆菌门均为 组的优势菌门；在属水平上，野生公牦牛肠道中的优势菌属瘤胃球菌科 的相对丰度较高，家养大同公牦牛肠道中理研菌科 和毛螺菌科的相对丰度较高。有研究指出，雌激素和雄激素的代谢与肠道微生物差异有关，因此性别也是引起动物之间肠道微生物群落出现差异的原因之一。海拔 牦牛是一种具有很强区域适应性的反刍动物，因此牦牛胃肠道的微生物群落与栖息地之间也存在一定关系。等发现高海拔地区的牦牛具有更高的纤维消化能力，并且高海拔地区的牦牛瘤胃中富含螺旋体和密螺旋体。等指出生活在高海拔地区和低海拔地区的牦牛，纤维降解菌的比例存在显著差异，淀粉降解菌的比例差异不显著；功能预测表明，不同海拔地区牦牛的甲烷代谢、淀粉和蔗糖代谢、离子耦合转运蛋白和细菌分泌系统存在显著差异。王保宁等随机采集海拔 的 头牦牛新鲜粪便样本，结果显示，有 个菌在属水平上差异显著，并 期王冰艺等：牦牛胃肠道微生物影响因素的研究进展且低海拔地区牦牛肠道菌群 数量比高海拔地区的更为丰富。等研究发现，与日喀则地区（海拔 ）和拉萨地区（海拔 ）相比，那曲地区（海拔 ）牦牛的瘤胃丙酸、丁酸和总挥发性脂肪酸含量显著增多，而微生物相对丰度和多样性水平显著降低；和功能预测显示，不同地区牦牛瘤胃微生物组成差异显著。马艳等分别采集海拔 和 放牧牦牛的 份新鲜粪便品进行测序分析，结果发现，在高海拔地区检测到的厚壁菌门和瘤胃球菌科 的相对丰度显著高于低海拔地区，而拟杆菌门和理研菌科 的相对丰度呈相反趋势。季节 等研究发现，牦牛瘤胃微生物随季节变化而发生改变。等收集了牦牛和藏羊在不同季节（夏季和冬季）的粪便样本，聚类分析数据显示，肠道微生物群落组成是随季节不同而发生改变，并非由遗传引起。等对青藏高原高寒草甸的 头全放牧牦牛瘤胃原核生物群落组成的多样性进行了监测，发现春季牧草中粗蛋白质含量（）较高，而冬季牧草中中性洗涤纤维含量（）较高；在春季期间牦牛瘤胃微生物的多样性和丰富度最高，随牧草生长阶段不同，微生物的相对丰度也发生变化。等研究调查了温暖季节自然放牧阶段（夏季和秋季）和寒冷季节补充饲喂阶段（春季和冬季）中牦牛瘤胃微生物群落的变化，结果表明拟杆菌门在补充饲喂阶段发挥比厚壁菌门更重要的作用，但在自然放牧阶段的作用较小。等发现牦牛会根据温暖和寒冷季节之间的饮食变化改变肠道微生物群落的组成，以最好地利用氮和能量。疾病 腹泻是牦牛的常发疾病，对牦牛的健康状况带来威胁，造成其生产力、产奶量和繁殖能