日糧碳水化合物驅(qū)動(dòng)反芻動(dòng)物瘤胃氫代謝研究取得新進(jìn)展
近日，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所畜禽健康養(yǎng)殖與農(nóng)牧復(fù)合生態(tài)研究中心反芻動(dòng)物生態(tài)營養(yǎng)研究團(tuán)隊(duì)在國際微生物生態(tài)學(xué)頂級期刊The ISME Journal（一區(qū)TOP，IF=11.2）發(fā)表了題為Dietary selection of metabolically distinct microorganisms drives hydrogen metabolism in ruminants的研究論文。該研究以具有耐粗飼性狀的湘西黃牛為研究對象，應(yīng)用擴(kuò)增子和宏基因組測序技術(shù)，結(jié)合體外驗(yàn)證試驗(yàn)，揭示了反芻動(dòng)物瘤胃氫代謝的日糧碳水化合物驅(qū)動(dòng)機(jī)制。
反芻動(dòng)物可將人類不可食用的植物飼料轉(zhuǎn)化為高營養(yǎng)價(jià)值的動(dòng)物產(chǎn)品，對于確保全球食品安全至關(guān)重要。然而，瘤胃微生物在降解碳水化合物過程中還會(huì)產(chǎn)生溫室氣體甲烷，其增溫潛能值是二氧化碳的28倍。反芻動(dòng)物胃腸道甲烷已成為人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)的最大排放源，受到了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注。研究表明，日糧碳水化合物結(jié)構(gòu)可改變瘤胃微生物的組成和功能進(jìn)而影響甲烷生成，其中的氫代謝規(guī)律尚不明晰。
本研究率先解析了在高纖維和高淀粉日糧下，反芻動(dòng)物瘤胃微生物碳水化合物降解、氫代謝和甲烷生成模式（圖1）。高纖維日糧通過富集以Fibrobacter succinogenes為代表的纖維分解菌群，提高了纖維利用率和乙酸產(chǎn)量，促進(jìn)了甲烷菌增殖和甲烷生成。乙酸產(chǎn)量增加可來自于被高纖維日糧所富集的氫營養(yǎng)型產(chǎn)乙酸菌，這成為低質(zhì)日糧條件下反芻動(dòng)物能量高效利用的新策略。高淀粉日糧通過富集以Ruminobacter sp.為代表的淀粉降解菌群和以Megasphaera elsdenii為代表的乳酸利用菌群，進(jìn)一步激活了以乳酸為中間產(chǎn)物的丙烯酸酯途徑，從而促進(jìn)丙酸生成，這有助于反芻動(dòng)物在高淀粉日糧條件下維持瘤胃健康。高淀粉日糧顯著增強(qiáng)了瘤胃發(fā)酵能力，通過抑制甲烷菌增殖減少甲烷生成，導(dǎo)致瘤胃內(nèi)溶解氫濃度累積，進(jìn)而促進(jìn)具有呼吸功能的氫營養(yǎng)型細(xì)菌增殖，提高氫能利用效率。以上研究成果進(jìn)一步深化了對反芻動(dòng)物瘤胃健康維持和能量獲取模式的理解，為反芻動(dòng)物氫代謝和甲烷生成機(jī)制提供了新見解。
此研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持，亞熱帶生態(tài)所博士生李秋爽和助理研究員王榮博士為本論文共同第一作者，譚支良研究員和王敏研究員為共同通訊作者。
圖1 高纖維和高淀粉日糧條件下反芻動(dòng)物瘤胃微生物的碳水化合物和氫代謝途徑示意圖