王炳 羅海玲

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

瘤胃微生物對(duì)反芻動(dòng)物的生產(chǎn)效率和健康起著至關(guān)重要的作用，并影響動(dòng)物糞尿以及甲烷等溫室氣體的排放。同時(shí)，瘤胃微生物組成受到環(huán)境、動(dòng)物品種、營養(yǎng)和不同管理策略等因素的影響［1-2］。近年來，宿主反芻動(dòng)物與其棲息瘤胃微生物群之間的復(fù)雜關(guān)系一直是研究的焦點(diǎn)。瘤胃酸中毒是我們常見的由日糧營養(yǎng)變化引起的瘤胃微生物菌群紊亂的營養(yǎng)代謝疾病，瘤胃微生物群紊亂導(dǎo)致瘤胃代謝出現(xiàn)異常，進(jìn)而誘發(fā)瘤胃內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)失衡及炎癥發(fā)生［2］。另外，瘤胃微生物群變化與甲烷溫室氣體排放間存在密切關(guān)系，因此，對(duì)瘤胃微生物群落進(jìn)行調(diào)控不僅改善自然環(huán)境，也可以改變動(dòng)物機(jī)體的能量代謝，提高動(dòng)物對(duì)飼料的利用效率［2］。目前，人們?cè)絹碓疥P(guān)注生產(chǎn)高效健康動(dòng)物畜產(chǎn)品（肉類和乳制品）動(dòng)物的瘤胃微生物群落，以及宿主基因?qū)α鑫肝⑸锶郝涞挠绊懀?］。在瘤胃微生物研究的生物技術(shù)方面，以往的研究重點(diǎn)是通過對(duì)單個(gè)菌株對(duì)宿主的功能貢獻(xiàn)，來確定瘤胃內(nèi)該菌的功能，而缺乏對(duì)整體瘤胃微生物群的認(rèn)知。隨著生物信息學(xué)技術(shù)的發(fā)展和組學(xué)技術(shù)的利用，如利用核酸測(cè)序（宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)）、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等技術(shù)開展了越來越多針對(duì)瘤胃微生物群及功能的分析，極大地提高了我們對(duì)瘤胃微生物群落組成及功能的認(rèn)知。近年來，反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)環(huán)境營養(yǎng)調(diào)控技術(shù)發(fā)展迅速，特別是在日糧調(diào)控作用機(jī)理以及營養(yǎng)調(diào)控作用下瘤胃微生態(tài)與宿主關(guān)系方面的研究，取得了許多重要的研究成果。然而，到目前為止，瘤胃微生物群落以及其具體微生特定功能還未清楚解析［4］。因此，本文對(duì)瘤胃微生物與宿主關(guān)系及其營養(yǎng)調(diào)控方面的作用進(jìn)行綜述，旨在促進(jìn)反芻動(dòng)物健康高效生產(chǎn)。酶（Volatile fatty acid，VFA）（特別是乙酸、丁酸）和H2［11］。原蟲群落分為4類：A型群落，以纖毛蟲Polyplastron multivesiculatum為重點(diǎn)種；B型群落，以前毛蟲Epidinium ecaudatum和Eudiplodinium maggii為重點(diǎn)種；O型群落，由內(nèi)毛蟲（Entodinium）和厚毛蟲（Dasytricha）等毛蟲（Isotricha）屬組成及K型群落，在牛的瘤胃中特有，其中內(nèi)毛蟲Elytroplastron bubali是關(guān)鍵物種［13］。前期研究顯示，在瘤胃微生物群落中，內(nèi)毛蟲（Entodinium）和前毛蟲（Epidinium）群落占優(yōu)勢(shì)，占總原蟲序列數(shù)據(jù)的54.7%［14］。Kittelmann 等［13］發(fā)現(xiàn)在鹿和綿羊瘤胃中的纖毛蟲中，優(yōu)勢(shì)屬為前毛蟲（Epidinium）和雙毛蟲（Eudiplodinium，占總纖毛蟲的80%以上）；而在牛瘤胃中，優(yōu)勢(shì)屬為介形蟲（Ostracoda，占纖毛蟲總量的81%-86%）和Polyplastron（占纖毛蟲總量的7%-11%）。其他觀察到的原蟲屬有內(nèi)毛蟲屬、無甲亞-雙毛蟲屬、厚毛蟲屬和等毛蟲屬［13］。然而，與顯微計(jì)數(shù)相比，利用焦磷酸測(cè)序技術(shù)獲得的原蟲數(shù)量（如前毛蟲Epidinium或Polyplastron）往往過高［12］，這可能是由于纖毛蟲物種間以及物種內(nèi)的rDNA拷貝數(shù)差異增加了基于rDNA測(cè)序方法測(cè)定環(huán)境樣品中微生物真核細(xì)胞的相對(duì)豐度的難度［15］。瘤胃古菌主要序列為廣古菌門（Euryarchaeota），超過90%的古菌序列為產(chǎn)甲烷屬——甲烷短桿菌（Methanobrevibacter）［4］。瘤胃功能真菌屬主要含有Neocallimastix、Piromyces，Anaeromyces、Caecomyces、Orpinomyces和Cyllamy-ces［4］。

1 瘤胃微生物群落組成

瘤胃微生物群由細(xì)菌、原蟲、真菌和古生菌組成，它們以共生、競(jìng)爭、捕食、拮抗等關(guān)系存在，共同負(fù)責(zé)瘤胃中的微生物發(fā)酵［5］。反芻動(dòng)物瘤胃內(nèi)具有一個(gè)復(fù)雜的微生物群落，每毫升瘤胃液中包含約1010個(gè)細(xì)菌［5-6］，已報(bào)道的細(xì)菌群落分類超過450個(gè)［7］，另外還有 107個(gè)古細(xì)菌，108個(gè)原蟲和103個(gè)真菌［8］。瘤胃微生物群落組成受到反芻動(dòng)物物種、營養(yǎng)水平、瘤胃內(nèi)生態(tài)位等因素影響，這些因素決定瘤胃中優(yōu)勢(shì)群落的組成［4］。一般來說，牛瘤胃細(xì)菌中主要以厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes）為主。奶牛瘤胃中的主要細(xì)菌屬為普雷沃氏菌（Prevotella）、丁酸弧菌（Butyrivibrio）、瘤胃球菌（Ruminococcus）和琥珀酸絲狀桿菌（Succinoclasticum）等［4］，而低豐度門水平（小于總細(xì)菌群落的1%）細(xì)菌群落有螺旋體門（Spirochaetes）、纖維菌門（Fibrobacteres）、浮霉菌門（Planctomycetes）和疣微菌門（Verrucomicrobia）等［4，9-10］。

原蟲可占瘤胃微生物生物量的50%［11］。雖然反芻動(dòng)物可以在沒有瘤胃原蟲的情況下生活（驅(qū)除原蟲），但原蟲在瘤胃生態(tài)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，它們與古細(xì)菌共生，吞噬有機(jī)質(zhì)顆粒和細(xì)菌［12］。原蟲在纖維、碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)消化中起到積極作用，其更傾向于消化纖維來產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪

2 瘤胃微生物與宿主基因組

越來越多的研究結(jié)果表明，胃腸道微生物群落是宿主健康和胃腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因素［16］。胃腸道微生物菌群的失調(diào)導(dǎo)致多種影響宿主生長和代謝疾病的發(fā)生。部分研究發(fā)現(xiàn)，胃腸道微生物群對(duì)宿主的影響可以通過發(fā)酵碳水化合物來釋放短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acids，SCFA）實(shí)現(xiàn)，SCFA是細(xì)菌的主要代謝產(chǎn)物［17］。Jiao等［18］研究表明，高精料日糧提高瘤胃Synergistetes、Prevotella、Fibrobacter、Clostridium和Treponema的豐度，降低Candidatus Arthromitus的相對(duì)豐度，這些微生物與下調(diào)的宿主編碼抗菌和補(bǔ)體通路的基因以及上調(diào)編碼細(xì)胞因子信號(hào)的基因存在顯著相關(guān)性，最終影響宿主代謝并導(dǎo)致回腸局部炎癥。反芻動(dòng)物與瘤胃微生物有共生關(guān)系，使瘤胃微生物能有效地將復(fù)雜的植物源化合物降解成較小的可消化化合物，這一過程與宿主的飼料利用效率有關(guān)，在此過程中產(chǎn)生的小分子代謝物可被宿主吸收并被宿主酶轉(zhuǎn)化為其他化合物［19］。Shen等［20］研究發(fā)現(xiàn)，瘤胃微生物源性SCFA對(duì)上皮細(xì)胞生長和代謝的影響是由G蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-coupled receptor，GPR）和組蛋白脫乙?；福℉istone deacetylase，HDAC）調(diào)控網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)的。Lin等［21］研究表明，飼喂開始料的羔羊瘤胃中主要富集了產(chǎn)乙酸的Mitsokellaspp、產(chǎn)乳酸的Sharpeaspp、乳酸利用相關(guān)的巨型球菌Megasphaeraspp.和內(nèi)毛蟲Entodiniumspp.。飼喂開食料羔羊瘤胃上皮中的糖降解相關(guān)基因豐度降低，但編碼α-淀粉酶的GH13明顯增加。瘤胃上皮轉(zhuǎn)錄組分析顯示，與細(xì)胞生長相關(guān)的7個(gè)差異表達(dá)基因，包括MAPK1、PIK3CB、TNFSF10、ITGA6、SNAI2、SAv1和DLG被上調(diào)，對(duì)細(xì)胞凋亡起促進(jìn)作用的BAD被下調(diào)。相關(guān)性分析顯示，瘤胃乙酸和丁酸濃度的增加與這些基因的表達(dá)顯著相關(guān)，這表明乙酸和丁酸可能是瘤胃微生物群落與宿主互作的重要驅(qū)動(dòng)因素。

3 瘤胃微生物與宿主動(dòng)物生產(chǎn)

目前，關(guān)于瘤胃微生物變化對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)的影響，目前主要進(jìn)行的是動(dòng)物生產(chǎn)或動(dòng)物產(chǎn)品品質(zhì)與瘤胃微生物菌群之間的相關(guān)性分析，而針對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)或動(dòng)物產(chǎn)品品質(zhì)與瘤胃微生物群落之間的因果關(guān)系鮮有報(bào)道。日糧變化是外因，而瘤胃微生物層面的變化可能是決定日糧等因素作用效果的內(nèi)在重要因素。反芻動(dòng)物與瘤胃微生物群存在共生關(guān)系，微生物酶降解大多數(shù)動(dòng)物源性消化酶無法消化的復(fù)雜多糖［22］。研究發(fā)現(xiàn)，某些細(xì)菌群落與反芻動(dòng)物飼料利用效率之間存在聯(lián)系［23-24］。提高飼料利用效率可以減少動(dòng)物對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，并且提高經(jīng)濟(jì)效益［25］。因此，調(diào)控瘤胃微生物群落可以改善動(dòng)物生產(chǎn)。

瘤胃中微生物生長需要結(jié)構(gòu)性碳水化合物、非纖維碳水化合物和蛋白質(zhì)，但不需要補(bǔ)充脂肪酸，因?yàn)槲⑸锟梢院铣芍舅幔?6］。高濃度的多不飽和脂肪酸對(duì)瘤胃微生物有毒，因?yàn)槎嗖伙柡椭舅崤c瘤胃微生物的細(xì)胞壁形成復(fù)合物并干擾瘤胃發(fā)酵［27］。日糧中多不飽和脂肪酸和淀粉的含量較高會(huì)改變生物氫化通路進(jìn)而導(dǎo)致乳脂肪合成抑制［28］。有報(bào)道顯示，通過日糧因素誘發(fā)的乳脂肪合成抑制后，瘤胃中瘤胃擬桿菌門（Bacteroidetes）的相對(duì)序列豐度降低，厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteria）的相對(duì)序列豐度增加。在屬水平上，未分類的毛螺菌（Lachnospiraceae），丁酸弧菌（Butyrivibrio），Bulleidia和紅蝽菌（Coriobacteriaceae）的相對(duì)豐度在與乳脂中trans-10、cis-12 共軛亞油酸和trans-10異構(gòu)體呈正相關(guān)，表明它們?cè)谏锛託浞磻?yīng)中具有潛在作用［29］。因此，牛奶脂肪酸組成差異主要是由于日糧變化引起的瘤胃微生物變化所導(dǎo)致的［29］。

另外，有研究發(fā)現(xiàn)不同乳蛋白產(chǎn)量的奶牛瘤胃細(xì)菌多樣性和細(xì)菌類群豐度存在顯著差異。高乳蛋白產(chǎn)量的奶牛瘤胃中梭狀芽孢桿菌（Clostridium）和琥珀酸桿菌（Succinivibrio）的相對(duì)豐富度低于低乳蛋白產(chǎn)量奶牛，而高乳蛋白產(chǎn)量奶牛中瘤胃未分類琥珀酸桿菌（Succinivibrionaceae）和夏普菌（Sharpea）的相對(duì)豐富度高于低乳蛋白產(chǎn)量奶牛。然而，研究發(fā)現(xiàn)微生物群組成的差異可能不會(huì)直接導(dǎo)致奶牛乳蛋白合成發(fā)生改變［30］。因此，在今后研究中需要利用更多的生物學(xué)技術(shù)如宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)等來確定瘤胃微生物群落及其代謝與動(dòng)物生產(chǎn)之間的內(nèi)在關(guān)系［30］。

4 日糧調(diào)控與瘤胃微生物

在反芻動(dòng)物生產(chǎn)中，通過日糧措施來調(diào)控瘤胃微生物發(fā)酵進(jìn)而影響動(dòng)物生產(chǎn)和健康的有效措施有很多，而關(guān)鍵的有效措施主要為調(diào)節(jié)日糧配置（精粗比、飼料原料類型、營養(yǎng)素含量等），或者添加抗生素、益生素益生元、植物次生代謝物、離子元素等。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，特別是多組學(xué)技術(shù)在動(dòng)物營養(yǎng)和飼料科學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用（如Feedomics理論），可以解釋外源日糧等添加物因素的特有相關(guān)微生物及代謝物，這有助于揭示出日糧等因素調(diào)控反芻動(dòng)物瘤胃代謝及生產(chǎn)的作用機(jī)理［31］。

4.1 日糧原料及營養(yǎng)配置

日糧飼料原料類型及營養(yǎng)成分（如纖維素、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和淀粉）的變化可以顯著改變瘤胃微生物群落的組成［32］。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)反芻動(dòng)物飼料都是由復(fù)雜的聚合物成分組成，沒有任何一種單一微生物能夠完全降解飼料的聚合物成分，這些飼料中的聚合物成分都是需要一個(gè)復(fù)雜的瘤胃微生物區(qū)系以及微生物種群之間的合作來分解［33］。通過日糧調(diào)控措施可以改變瘤胃微生物群落，進(jìn)而優(yōu)化瘤胃功能［34］。日糧與微生物成分之間的互作可以調(diào)節(jié)胃腸道的屏障功能［35］。而粗飼料類型的改變可以顯著改變優(yōu)勢(shì)菌群的種類，例如，Pitta等［32］研究證實(shí)用全株小麥替代百慕大干草到可以改變?nèi)馀Ａ鑫讣?xì)菌的組成和多樣性，在飼喂小麥的肉牛中觀察到普雷沃菌的相對(duì)豐度升高，從而表明飼喂全株小麥可以通過增加瘤胃普雷沃菌的豐度來提高肉牛瘤胃降解蛋白質(zhì)的能力［36］。高纖維日糧下的宿主-微生物互作關(guān)系可以影響動(dòng)物生產(chǎn)效率，表明不同日糧變化可以調(diào)控瘤胃微生物進(jìn)而影響動(dòng)物生產(chǎn)［37］。

通過日糧配置可以調(diào)控瘤胃產(chǎn)甲烷菌數(shù)量和組成，進(jìn)而影響瘤胃甲烷生成，其主要措施有：增加精飼料的比例和添加飼料添加劑（如硝酸鹽）等。如果通過日糧調(diào)控來降低甲烷排放的作用效果與反芻動(dòng)物自身的特定因素有關(guān)，如采食量或反芻動(dòng)物生理，則該日糧因素在不同類型反芻動(dòng)物中的有效性是不同的；而如果日糧調(diào)控的作用效果與產(chǎn)甲烷的發(fā)酵通路相關(guān)，則在不同類型反芻動(dòng)物間的有效性是相同的。這主要是由于不同類型反芻動(dòng)物的消化生理狀態(tài)是完全不同的（如關(guān)于日糧的消化時(shí)間，飼料消化率，消化和發(fā)酵特性）。Van Gastelen等［38］綜述表明，飼喂更易消化的草（牧草或青貯飼料）或用玉米青貯飼料替代其他類型粗飼料可以降低瘤胃甲烷排放，其作用效果在奶牛上最有效，對(duì)肉牛有一定效果，但對(duì)綿羊影響很小。研究發(fā)現(xiàn)高谷物日糧雖然會(huì)降低產(chǎn)甲烷菌數(shù)量以及甲烷的排放，但是對(duì)瘤胃微生物群結(jié)構(gòu)和功能會(huì)產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響動(dòng)物健康和生產(chǎn)［39］。另外，反芻動(dòng)物日糧中通過添加脂質(zhì)可以調(diào)節(jié)反芻動(dòng)物瘤胃微生物區(qū)系，進(jìn)而減少甲烷排放［40］。因此，可以通過調(diào)控日糧來降低反芻動(dòng)物甲烷排放，但日糧調(diào)控措施在不同類型反芻動(dòng)物之間甲烷排放的有效性需要基于每種動(dòng)物各自的特性展開研究［38］。

4.2 抗生素

抗生素主要用于反芻動(dòng)物的疾病預(yù)防和促生長，因此，在現(xiàn)階段許多國家的畜牧業(yè)生產(chǎn)中，仍經(jīng)常使用抗生素?？股氐拈L期使用易造成胃腸道微生物菌群紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致宿主受感染和誘發(fā)疾?。?1］。大量證據(jù)表明，抗生素的使用可快速導(dǎo)致胃腸道微生物群落減少［42］?？股氐氖褂每蓪?dǎo)致山羊瘤胃微生物群的結(jié)構(gòu)變化，并抑制瘤胃微生物群落的功能［43］。瘤胃微生物群落的變化模式取決于抗生素的類型［44］。停用抗生素后，胃腸道微生物群可以在幾天到幾周內(nèi)恢復(fù)［45］。然而，恢復(fù)后的微生物群的組成通常與未使用抗生素前的狀態(tài)不同［42］。此外，抗生素誘導(dǎo)的胃腸道微生物群的改變可能對(duì)宿主的健康和生理功能產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的負(fù)面影響。例如，抗生素誘導(dǎo)的兒童胃腸道微生物群落的改變與慢性疾病的出現(xiàn)有關(guān)，如哮喘等人類特應(yīng)性疾?。?5］。莫能菌素導(dǎo)致奶牛瘤胃擬桿菌門和厚壁菌門相對(duì)豐度顯著降低，提高紅蝽菌科、普氏菌、藍(lán)藻細(xì)菌、毛螺菌科和疣微菌的相對(duì)豐度［46］。然而，抗生素使用對(duì)瘤胃微生物群落的形態(tài)及發(fā)酵功能的影響結(jié)果仍較少。因此，需要更多研究關(guān)注抗生素使用對(duì)瘤胃微生物的影響。

4.3 益生菌和益生元

益生菌定義為可以直接飼喂的微生物（活的有益微生物），通常用作飼料添加劑，并作為亞治療性抗生素的替代品，來維護(hù)機(jī)體健康并預(yù)防細(xì)菌感染［47］。反芻動(dòng)物中使用最廣泛的益生菌補(bǔ)充劑包括乳酸桿菌和酵母菌、芽孢桿菌、雙歧桿菌、腸球菌、丙酸桿菌、埃氏巨型球菌（Megasphaeraelsdenii）和普雷沃特菌（Prevotellabryanti species）［48-49］。近些年來，集約化畜牧業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展導(dǎo)致動(dòng)物日糧中高谷物飼料飼喂過多，而高精料的飼喂容易導(dǎo)致反芻動(dòng)物瘤胃酸中毒，并誘發(fā)一系列營養(yǎng)代謝疾?。?0］。益生菌益生元等日糧添加劑可能有助于減輕高精料日糧等日糧配置不合理所產(chǎn)生的不利影響，從而改善動(dòng)物健康和生產(chǎn)力［51-52］。研究證明，選擇合適的劑量來飼喂奶牛M. Elstenii菌株有助于降低瘤胃酸中毒的患病率［53］。

宿主對(duì)益生菌的響應(yīng)高度依賴于益生菌菌株、年齡、品種和其他日糧特性等因素［54］。抗菌化合物的產(chǎn)生可能是益生菌抗菌活性的主要機(jī)制，另外，益生菌黏附到上皮細(xì)胞、競(jìng)爭營養(yǎng)素和調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)也是其部分作用機(jī)制［55］。一些益生菌菌株產(chǎn)生一些諸如有機(jī)酸和抗菌化合物類的代謝產(chǎn)物，它們可以刺激微生物生長，抑制潛在病原體［56］。也有一些益生菌可以通過消耗氧氣來幫助建立瘤胃中的關(guān)鍵微生物群（普雷沃氏菌、類桿菌真桿菌和梭狀芽孢桿菌）［57］。益生菌在提高飼料轉(zhuǎn)化率、增重和產(chǎn)奶方面發(fā)揮著重要作用［58-59］，在奶牛日糧中加入一些益生菌可以通過直接產(chǎn)生消化酶來改善瘤胃生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)有益微生物群的生長和功能，從而形成穩(wěn)定的瘤胃微生物生態(tài)系統(tǒng)［55］。益生菌有助于調(diào)節(jié)腸道微生物的體內(nèi)平衡［59］，降低新生犢牛腹瀉的頻率［60］，調(diào)節(jié)瘤胃的酸堿度［61］，刺激免疫力［55］。益生菌通過誘導(dǎo)局部和全身細(xì)胞因子的產(chǎn)生，如白細(xì)胞介素18、白細(xì)胞介素12、TLR2和腫瘤壞死因α，并激活多細(xì)胞信號(hào)通路來影響機(jī)體免疫系統(tǒng)［58］。益生菌也可以通過與宿主微生物種群的相互作用抑制其他潛在致病菌的生長［55］。

活酵母釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）具有平衡瘤胃生態(tài)系統(tǒng)的功能，飼喂酵母可以提高反芻動(dòng)物對(duì)高比例粗飼料的消化率，提高低質(zhì)粗飼料的使用比例。因此，活酵母成為畜牧生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的高效益生菌之一［58］?；罱湍讣?xì)胞有潛力在瘤胃中發(fā)揮雙重益生菌活性作用。酵母的益生菌作用可以通過調(diào)節(jié)瘤胃微生物種群和活性來實(shí)現(xiàn)，從而降低乳酸含量，增加和維持瘤胃的pH值，提高營養(yǎng)消化率，優(yōu)化VFA，并減少瘤胃氨態(tài)氮生成［52］。酵母的另一個(gè)積極作用是改變瘤胃發(fā)酵以減少甲烷產(chǎn)量，從而減少發(fā)酵過程中的能量損失［62］。此外，直接飼喂的酵母通過酵母細(xì)胞中的低聚糖、氨基酸、維生素和有機(jī)酸等化合物來引發(fā)益生元效應(yīng)，可以刺激瘤胃微生物群落生長，提高瘤胃對(duì)日糧的利用效率。在動(dòng)物發(fā)育早期，釀酒酵母的飼喂可顯著改善瘤胃微生態(tài)，主要作用機(jī)制是增加了瘤胃微生物蛋白并降低瘤胃普氏菌豐度，增加了瘤胃丁酸和總VFA濃度［63］。釀酒酵母也可以促進(jìn)瘤胃中的纖維消化［64］。然而，前期研究比較不同酵母菌株（釀酒酵母、熱帶假絲酵母和實(shí)用假絲酵母）對(duì)玉米秸稈和稻草體外瘤胃消化的影響，結(jié)果顯示熱帶假絲酵母是唯一一種能促進(jìn)秸稈干物質(zhì)和中性洗滌纖維的瘤胃降解率、降低甲烷產(chǎn)量、改善瘤胃發(fā)酵效果的菌株［52］。除了酵母以外，北美野牛瘤胃中羧甲基纖維素酶和木聚糖酶的活性可隨著厭氧真菌的飼喂而增加，從而提高飼料粗蛋白和纖維素的消化率［65］。

另外，釀酒酵母培養(yǎng)物作為飼料添加劑的使用，可以刺激乳酸菌的生長，提高產(chǎn)奶量［66］、瘤胃VFA濃度和瘤胃pH值［67］，有利于各種類型的瘤胃微生物種群［68］，改善瘤胃代謝［58］。日糧中補(bǔ)充釀酒酵母培養(yǎng)物可降低生長期山羊瘤胃氨濃度和減少甲烷排放，但是，并未改變瘤胃產(chǎn)甲烷菌的相對(duì)豐度［69］。此外，向哺乳期荷斯坦奶牛中添加釀酒酵母培養(yǎng)物可以改善瘤胃消化功能［70］。

到目前為止，益生菌對(duì)微生物群落組成的確切影響結(jié)果尚不清晰，需要進(jìn)一步研究充分明確益生菌等直接可飼喂的微生物對(duì)瘤胃微生物群落的影響及其本身在瘤胃中定殖情況及其與宿主健康和生產(chǎn)的關(guān)系。

4.4 植物次生代謝物

一直以來，營養(yǎng)學(xué)家一直認(rèn)為植物次生代謝物（單寧、黃酮類和皂苷類）是抗?fàn)I養(yǎng)因子，因?yàn)樗鼈儗?duì)飼料攝入、營養(yǎng)素利用、動(dòng)物生產(chǎn)和健康都有不利影響［71］。然而，在牛、綿羊和山羊進(jìn)行的大量體內(nèi)和體外的近期研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，日糧中加入適量的植物次級(jí)代謝產(chǎn)物，可以改善飼料的利用效率。植物次級(jí)代謝產(chǎn)物通過加強(qiáng)瘤胃發(fā)酵、減少產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量來減少日糧蛋白質(zhì)降解并促進(jìn)瘤胃微生物蛋白質(zhì)的合成，進(jìn)而提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能［72］。

多酚能通過擾動(dòng)瘤胃微生物群落組成抑制或調(diào)節(jié)不飽和脂肪酸的生物加氫作用，濃縮單寧對(duì)生物加氫有抑制作用，而水解單寧對(duì)生物加氫有調(diào)節(jié)作用。多酚對(duì)革蘭氏陽性纖維溶解菌和纖毛原蟲的一般起抑制作用，從而導(dǎo)致VFA產(chǎn)生減少（主要是乙酸產(chǎn)量）。水解單寧可以通過直接與瘤胃微生物群相互作用而不影響纖維消化來減少甲烷排放［73］。

另外，有研究發(fā)現(xiàn)山羊日糧中補(bǔ)充富含植物活性物質(zhì)（內(nèi)酯、黃酮、甾醇類物質(zhì)）的穿心蓮（Andrographis paniculata）葉可以提高瘤胃中白色瘤胃球菌（Ruminococcus albus），黃色瘤胃球菌（Ruminococcus flavefaciens）和產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌（Fibrobacter succinogenes）的數(shù)量，進(jìn)而提高日糧消化率［74］。Lei等［75］利用宏基因組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)飼料中添加植物精油-鈷（EOS）后，擬桿菌（Bacteroidesspp.）和琥珀酸弧菌（Succinivibriosp.）群落的變化與VFA生成有關(guān)。EOS可作為一種有前景的天然植物活性物質(zhì)，用來降低瘤胃甲烷和氨氣的生成，改善瘤胃發(fā)酵，從而減少反芻動(dòng)物生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響。Wang等［76］研究發(fā)現(xiàn)，6月齡左右青年公牛日糧中補(bǔ)充適量皂苷可以顯著提高瘤胃普雷沃氏菌Prevotellaceae_YAB2003，但是降低瘤胃球菌Ruminococcaceae_NK4A214和毛螺旋菌Lachnospiraceae_NK3A20的豐度，并且提示皂苷可以通過調(diào)控瘤胃菌群來改變瘤胃代謝功能進(jìn)而影響動(dòng)物生產(chǎn)，因此，這些菌被認(rèn)定為潛在的皂苷功能相關(guān)菌。然而，到目前為止，關(guān)于植物次生代謝物的特有瘤胃功能相關(guān)菌方面的研究仍然較少，需要更多研究來揭示具有有效調(diào)控瘤胃健康以及代謝的功能性植物次生代謝物的瘤胃微生物菌群信息。

4.5 離子元素

有研究發(fā)現(xiàn)，在山羊日糧中補(bǔ)充鎂可以增加瘤胃的H2濃度，抑制瘤胃發(fā)酵，增強(qiáng)產(chǎn)甲烷能力，其潛在機(jī)制是將發(fā)酵途徑從乙酸生成轉(zhuǎn)變?yōu)楸嵘赏緩?，并通過減少真菌和增加產(chǎn)甲烷菌改變微生物群落［77］。隨著硝酸鹽添加水平提高，Methanosphaera和Methanimicrococcus豐度線性增加，而Methanoplanus豐度線性下降［78］。小公牛日糧中添加碳酸氫鈉可以提高瘤胃微生物多樣性，降低鏈球菌（Streptococcus）和丁酸弧菌（Butyrivibrio）的相對(duì)豐度，增加瘤胃球菌屬（Ruminococcus），琥珀酸弧菌屬（Succinivibrio）和Prevotella的比例［79］。然而，關(guān)于通過日糧中補(bǔ)充離子元素來調(diào)控瘤胃微生物群落以及瘤胃代謝的研究較為缺乏，并且缺乏針對(duì)離子元素調(diào)控瘤胃微生物群落及功能的機(jī)理性探討。利用最新的生物技術(shù)手段（多組學(xué)、高通量測(cè)序及純培養(yǎng)技術(shù)），可以區(qū)分特定瘤胃微生物的位置，確定種群多樣性，并探索微生物群與宿主之間的關(guān)系。展望未來，隨著測(cè)序技術(shù)的不斷進(jìn)步和對(duì)瘤胃微生物群的系統(tǒng)發(fā)育和功能能力的深入探究，通過日糧營養(yǎng)改變、益生菌和益生元以及植物活性物質(zhì)等外源性添加物的調(diào)控，將提出更有效的日糧策略來調(diào)控瘤胃微生物群。更多進(jìn)行瘤胃細(xì)菌和古細(xì)菌的純培養(yǎng)研究，并且，了解微生物結(jié)構(gòu)，微生物群利用的底物以及微生物群落間如何相互作用，以更好地研究瘤胃微生物群的功能。此外，為了更好地了解宿主與微生物相互作用在動(dòng)物生產(chǎn)和疫病中的作用，需要更多應(yīng)用宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)的研究，從而減少抗生素的不合理使用，確保生產(chǎn)出符合全球需求的優(yōu)質(zhì)畜產(chǎn)品。

5 總結(jié)與展望

瘤胃微生物群研究在近些年來得到了迅猛的發(fā)展，并重新定義了瘤胃微生物群及其功能的能力。