瘤胃微生物也有不同口味，會(huì)“挑食”？
12月1日，《國際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)雜志》在線發(fā)表了來自國際團(tuán)隊(duì)的最新成果。他們利用微生物16S擴(kuò)增子和宏基因組測序等研究手段，深入解析了土種黃牛瘤胃微生物對(duì)不同木質(zhì)纖維素飼用植物降解的“嗜好”，為瘤胃微生物和瘤胃酶在木質(zhì)纖維飼料資源價(jià)值化利用方面的研究和應(yīng)用提供了新的思路和方法。
該團(tuán)隊(duì)由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所研究員丁學(xué)智課題組，聯(lián)合伊朗農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所教授Ghasem Hosseini Salekdeh、國際家畜研究所—中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所研究員韓建林等組成。
瘤胃：讓木質(zhì)纖維變成肉和奶
利用土種黃牛瘤胃瘺管公牛對(duì)六種富含木質(zhì)纖維素的牧草莖葉進(jìn)行瘤胃原位發(fā)酵 論文作者供圖
隨著人類對(duì)高品質(zhì)動(dòng)物蛋白攝入的上升和全球畜牧養(yǎng)殖業(yè)的大力發(fā)展，優(yōu)質(zhì)牧草資源極度短缺。如何有效地利用各類劣質(zhì)牧草資源并開發(fā)利用新型飼料已迫在眉睫。
據(jù)估計(jì)，世界人口在2050年時(shí)將達(dá)到97億，屆時(shí)全球的糧食產(chǎn)量需在2018年的基礎(chǔ)上增加60-70%，才能滿足人類對(duì)于食物需求的陡然增加。
中國工程院院士任繼周認(rèn)為，未來我國糧食的壓力并非來自人的口糧，而是飼料用糧，今后應(yīng)以草食家畜代替耗糧型家畜來緩解飼料用糧的壓力。我國擁有大量的農(nóng)作物副產(chǎn)品，如秸稈，可以有效緩解畜牧業(yè)發(fā)展中糧食和牧草資源供求的矛盾。
木質(zhì)纖維素是自然界最豐富的可再生生物質(zhì)資源，全球每年通過光合作用產(chǎn)生的植物纖維約2000億噸，其中有近90%未被利用，相當(dāng)大的部分都按廢棄物處理。
韓建林在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說：“反芻動(dòng)物瘤胃是自然界高度演化且降解木質(zhì)纖維能力最強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)之一。其中的大量微生物相互作用，能有效利用粗飼料中的纖維素、半纖維素和非蛋白氮等成分，供機(jī)體營養(yǎng)需要及肉、奶的產(chǎn)出。”
然而，由于木質(zhì)纖維素在組成和結(jié)構(gòu)上特別復(fù)雜，其降解需要多種微生物的協(xié)同互作；同時(shí)，微生物分類和代謝方式非常多樣，各種纖維素酶間的協(xié)同—降解機(jī)制尚不清晰，因而嚴(yán)重制約了木質(zhì)纖維素資源的開發(fā)利用。
“有趣的是，反芻動(dòng)物機(jī)體約70%的能量需求是通過瘤胃微生物發(fā)酵和降解不同類型的植物纖維獲得的。牧草纖維數(shù)量及結(jié)構(gòu)上的差異是影響瘤胃纖維素分解菌生長繁殖的關(guān)鍵因素，且瘤胃微生物群落附著于飼料顆粒是其被消化利用過程中的關(guān)鍵步驟，但其對(duì)高纖維素或半纖維素牧草的附著和降解機(jī)理尚不清楚。”論文通訊作者丁學(xué)智告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
正是基于反芻動(dòng)物瘤胃細(xì)菌群在植物木質(zhì)纖維素降解能力上的差異，科研人員通過研究不同高木質(zhì)纖維素飼料上附著的關(guān)鍵菌群動(dòng)態(tài)及相關(guān)基因功能的變化，從整體上深入解析了瘤胃微生物降解木質(zhì)纖維素的作用機(jī)理及其與木質(zhì)纖維素降解酶間的相互作用機(jī)制。
微生物的“口味”
該團(tuán)隊(duì)利用伊朗土種Taleshi牛瘤胃瘺管公牛，對(duì)常見的富含木質(zhì)纖維素類牧草，包括山茶棘、蘆葦、棗椰樹、掃帚草、稻秸和鹽角草的莖葉進(jìn)行不同時(shí)間點(diǎn)的瘤胃原位發(fā)酵。
丁學(xué)智介紹，通過對(duì)這些牧草上附著的瘤胃微生物菌群的16S擴(kuò)增子測序發(fā)現(xiàn)，瘤胃微生物菌群對(duì)不同牧草具有明顯的黏附“嗜好”，其中的纖維素成分顯著地影響瘤胃微生物群落的附著，從而進(jìn)一步影響牧草在瘤胃內(nèi)的高效降解和代謝。
牧草在瘤胃發(fā)酵的前24小時(shí)內(nèi)，干物質(zhì)降解效率最高且與纖維菌科、未分類擬桿菌科、瘤胃球菌科和螺旋菌屬的微生物菌群的數(shù)量顯著相關(guān)；其次，牧草上附著的瘤胃微生物群落因木質(zhì)纖維素成分的不同而表現(xiàn)顯著差異，如纖維菌在中性洗滌纖維含量最高的牧草上明顯增多，而瘤胃球菌則傾向于附著在酸性洗滌劑木質(zhì)素含量較低的牧草上。
然而，隨發(fā)酵時(shí)間的延長，附著在牧草上的微生物菌群的多樣性漸趨一致。
同時(shí)，反芻動(dòng)物瘤胃中的細(xì)菌、真菌和原蟲在木質(zhì)纖維素降解過程中形成一個(gè)復(fù)雜的共生系統(tǒng)，共同參與植物細(xì)胞壁的降解。
因細(xì)菌數(shù)量龐大，并且有多種代謝途徑，因此，瘤胃細(xì)菌在纖維素的降解過程中占主導(dǎo)地位。
而瘤胃真菌則在大顆粒、大片段植物纖維降解過程中起著重要作用。
“因此，瘤胃微生物對(duì)木質(zhì)纖維素的降解不是某一種或者兩種微生物所能及的，而是一個(gè)非常復(fù)雜的相互協(xié)同作用過程。由于缺乏對(duì)瘤胃微生物相互作用的深入研究，這些理論都需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。”丁學(xué)智表示。
瘤胃中的新物種
為進(jìn)一步探討附著于不同木質(zhì)纖維素牧草上的關(guān)鍵瘤胃微生物菌群的多樣性和功能，該團(tuán)隊(duì)通過對(duì)瘤胃宏基因組的測序和組裝，挖掘到了523個(gè)未培養(yǎng)的細(xì)菌和15個(gè)未培養(yǎng)的古細(xì)菌，它們在瘤胃中具有潛在的新功能。
丁學(xué)智介紹，他們組裝了擬桿菌門、厚壁菌門、纖維桿菌門等的近完整基因組，同時(shí)富集了與木質(zhì)纖維素聚合物降解和短鏈揮發(fā)性脂肪酸生成相關(guān)的基因。
而與所有已知公眾數(shù)據(jù)庫中的物種相比，該項(xiàng)研究所組裝的絕大多數(shù)瘤胃未培養(yǎng)基因組都是全新物種。
此外，在瘤胃發(fā)酵過程中，牧草理化特性和飼料顆粒在瘤胃內(nèi)的滯留時(shí)間是決定瘤胃微生物功能菌群逐漸由共營養(yǎng)類群向寡營養(yǎng)類群轉(zhuǎn)變的主要因素，這種轉(zhuǎn)變可能促進(jìn)了難降解植物木質(zhì)纖維素在瘤胃復(fù)雜環(huán)境中的降解。
其次，瘤胃微生物菌群對(duì)不同木質(zhì)纖維素牧草附著時(shí)間的差異表明，瘤胃微生物群落具有較高的分類多樣性、功能冗余性和代謝分區(qū)性，這將有利于其對(duì)不同木質(zhì)纖維素飼料的進(jìn)化性適應(yīng)。
韓建林說，這項(xiàng)研究還深入挖掘了獨(dú)特的微生物多樣性和相關(guān)基因的功能，它們在瘤胃對(duì)難降解木質(zhì)纖維素牧草的降解中發(fā)揮著的關(guān)鍵作用。
丁學(xué)智強(qiáng)調(diào)，該項(xiàng)研究搭建了“一帶一路”沿線國家反芻動(dòng)物瘤胃微生態(tài)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的多學(xué)科、多邊合作的國際化平臺(tái)，也為深入挖掘和創(chuàng)新利用我國獨(dú)特的地方畜種如牦牛、水牛以及土種蒙古牛等瘤胃微生態(tài)資源提供了借鑒。
“通過宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)等多種組學(xué)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)厭氧發(fā)酵中木質(zhì)纖維素降解菌進(jìn)行深入挖掘，獲得編碼特定酶類的目標(biāo)基因，揭示不同畜種資源消化道微生物菌群的遺傳潛力，以期通過基因工程獲得快速、廉價(jià)、高效降解木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的微生物和酶類資源，應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。”韓建林說。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1093/femsec/fiaa069
https://doi.org/10.1038/s41396-020-00837-2
