利用组学技术探究湖羊和新西兰兔甲烷排放差异的微生物机制

发布时间：2020-06-17 15:35

【摘要】：降低反刍动物瘤胃甲烷排放对环境和生产具有双重效益。调控反刍动物瘤胃甲烷生成的手段多种多样,但或多或少会影响动物的生产性能或对饲料的利用效率。草食哺乳动物的消化道在降解饲料过程中都会排放甲烷,但反刍动物甲烷排放量显著高于单胃草食动物。本研究旨在从消化道发酵模式和消化道氢代谢微生物两方面探究反刍动物和单胃草食动物甲烷排放量差异的原因,从而寻找可以调控反刍动物瘤胃甲烷生成的潜在靶向微生物,为找出一个合理、安全、有效的调控反刍动物瘤胃甲烷生成的措施提供理论支撑。因此,本研究选取5只湖羊和15只新西兰兔分别作为反刍动物和单胃草食动物的代表,在仅饲喂苜蓿草情况下,测定温室气体(甲烷、二氧化碳)排放量;消化道发酵参数;消化道氢代谢微生物的数量、多样性、基因表达量;以及消化道中具有碳水化合物代谢功能的微生物的多样性。1消化道发酵模式对甲烷排放量的影响在饲喂相同苜蓿草情况下,湖羊每千克代谢体重(P0.01)、每千克干物质采食量(P0.01)、每千克可消化中性洗涤纤维(P0.01)、每千克可消化酸性洗涤纤维(P0.01)的甲烷排放量均显著高于新西兰兔,但是每千克代谢体重的二氧化碳排放量(P0.01)显著低于新西兰兔。湖羊瘤胃和新西兰兔盲肠发酵参数存在差异,新西兰兔盲肠内容物(pH=5.8)的pH值比湖羊瘤胃内容物(pH=7.1)低1.3个单位。两物种消化道总挥发性脂肪酸浓度无显著性差异,但新西兰兔盲肠中乙酸与丙酸的比例高于湖羊瘤胃3倍以上。新西兰兔盲肠无论每克冷冻干燥样品还是每毫克微生物蛋白所产生的羧甲基纤维素酶(P0.01)、微晶纤维素酶(P0.01)、果胶酶(P0.01)活性均显著高于湖羊瘤胃。以上结果提示,新西兰兔盲肠较低的pH值、较高的氧化还原电位、较快的饲料过消化道速度可能是导致其甲烷排放量低于湖羊瘤胃的化学因素。两物种消化道不同的纤维降解微生物组成可能是导致其挥发性脂肪酸组成比例不同的原因。新西兰兔盲肠中可能存在更多纤维降解微生物和果胶降解微生物。2消化道古菌数量、多样性、基因表达量对甲烷排放量的影响古菌绝对定量结果显示,湖羊瘤胃内容物中RCC(P0.01)、non-RCC产甲烷菌(P0.01)、mcrA基因(P0.01)的数量均显著高于新西兰兔盲肠内容物。扩增子测序结果显示,湖羊瘤胃内容物中的古菌主要由Methanobrevibracterthaueri、Methanobrevibracter millerae、Methanobrevi6racter woesei 组成,新西兰兔盲肠内容物中古菌主要由Methanobrevibracter woesei组成。转录组unigene物种注释结果显示,湖羊瘤胃内容物注释到古菌的转录组unigene占总序列数1.14%,新西兰兔盲肠内容物占0.02%。并且湖羊瘤胃内容物古菌转录组unigene主要以氢营养型产甲烷菌甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)和甲基营养型产甲烷菌未分热原体目(unclassified Thermoplsmatales)为主。差异表达基因甲烷代谢通路富集结果显示,湖羊瘤胃内容物中编码H2/C02甲烷生成途径的酶的差异表达基因个数显著高于新西兰兔盲肠内容物,其中编码 mcr差异基因的个数最多。以上结果提示,湖羊瘤胃内容物古菌数量、多样性组成、基因表达量、H2/C02甲烷生成途径差异表达基因的数量均显著高于新西兰兔盲肠内容物,这是导致湖羊甲烷排放量高于新西兰兔的原因之一。3消化道氢代谢微生物数量、细菌多样性、基因表达量对甲烷排放量的影响湖羊瘤胃内容物中产生氢气的真菌(P0.01)、原虫(P0.01)、白色瘤胃球菌(P0.01)、黄色瘤胃球菌(P0.05)、溶纤维丁酸弧菌(P0.01)的数量均显著高于新西兰兔盲肠内容物,利用氢气的产乙酸菌功能基因fhs(P0.01)的数量显著低于新西兰兔盲肠内容物。代谢过程中产生较多氢气的瘤胃球菌属(Ruminococcus)、普雷沃氏菌属(Prevotella)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、Succiniclasticum 属是湖羊瘤胃内的优势细菌群,且这些微生物与甲烷排放量呈正相关关系,其中瘤胃球菌属(Ruminococcus)和普雷沃氏菌属(Prevotella)的基因表达量最高。代谢过程中产生琥珀酸盐的拟杆菌属(Bacteroides)、产生乙酸盐的Blautia属、产生丁酸盐的颤螺菌属(Oscillospira)是新西兰兔盲肠内的优势细菌群,与甲烷排放量呈负相关关系,其中产生琥珀酸盐的拟杆菌属(Bacteroiides)的基因表达量最高。以上结果提示,湖羊瘤胃和新西兰兔盲肠中产生氢气和利用氢气的微生物多样性组成和基因表达量的差异可能是导致两物种甲烷排放量差异的原因。拟杆菌属(Bacteroides)、Blautia属、颤螺菌属(Oscillospira)可以作为调控反刍动物瘤胃甲烷生成的潜在靶向微生物。4消化道中具有碳水化合物代谢功能的微生物多样性组成的比较新西兰兔盲肠内容物中糖苷水解酶(GH)、碳水化合物酯酶(CE)、多糖裂合酶(PL)基因的多样性组成高于湖羊瘤胃内容物,其中糖苷水解酶(GH)基因的相对丰度显著高于湖羊瘤胃内容物(P0.01)。梭菌目(Clostridiales)、拟杆菌目(Bacteroidates)、普雷沃氏菌属(Prevotella)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、拟杆菌属(Bacteroides)、产琥珀酸丝状杆菌(Fibrobacter succinogenes)、黄色瘤胃球菌(Ruminococcus flavefaciens)等微生物在降解植物结构性碳水化合物的过程中发挥着重要的作用。湖羊瘤胃内容物和新西兰兔盲肠内容物中降解饲料结构性碳水化合物的微生物多样性组成存在差异。湖羊瘤胃中具有碳水化合物酶活性的微生物在降解饲料结构性碳水化合物过程中产生较多氢气,这可能是其甲烷排放量较高的原因。拟杆菌属(Bacteroides)具有在不影响饲料消化率的情况下,可以调控反刍动物瘤胃甲烷生成的潜力。综上所述,本研究从消化道不同发酵模式和氢代谢微生物多样性组成两方面揭示湖羊和新西兰兔甲烷排放量差异的原因。消化道不同pH值是导致两物种甲烷排放量差异的主要化学因素。消化道中产生氢气和利用氢气的微生物多样性组成和基因表达量差异是导致两物种甲烷排放量差异的主要微生物因素。另外,本研究从基因表达水平验证了普遍存在于动物消化道中的微生物具有碳水化合物代谢功能,并在降解植物多糖过程中发挥重要的作用。其中,拟杆菌属(Bacteroides)是具有碳水化合物代谢功能,并且可以调控反刍动物瘤胃甲烷生成的潜在靶向菌。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S829.1;S826
【图文】：

邋１０００逡逑Ｂｏｄｙ邋ｍａｓｓ邋（ｋｇ）逡逑图１－２反刍动物、马科动物、骆驼、猪的甲烷排放量和体重的关系（Ｆｒａｎｚ等，２０１０）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｍｅｔｈａｎｅ邋ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｒｅｌａｔｉｏｎ邋ｔｏ邋ｂｏｄｙ邋ｍａｓｓ邋ｉｎ邋ｒｕｍｉｎａｎｔｓ，邋ｈｏｒｓｅｓ，邋Ｓｏｕｔｈ邋Ａｍｅｒｉｃａｎ逡逑ｃａｍｅｌｉｄｓ，邋ａｎｄ邋ｐｉｇｓ邋（Ｆｒａｎｚ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１０）逡逑１０００邋１邋ｆ＊邋Ｈｏｒｓｅ逦９－＾逡逑；0邋Ｅｌｅｐｈａｎｔ逦ｙ邋＝邋０．６６ｘ°逦＾逡逑＾逦１00；逦ａ邋ｗａｌｌａｂｙ逦＃逡逑＾逦0邋Ｈｙｒａｘ逡逑＝逦0邋Ｒａｂｂｉｔ逡逑ｌ0逦！逦■邋Ｇｕｉｎｅａ逦ｐｉｇ逡逑Ｃ逦－逡逑ｙ邋＝邋０．１８ｘ０９７逡逑０．１邋］逦＾ａ邋ｎ逡逑？邋０邋１邋＊＂逦ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｆ邋＾邋＾逦＜邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｆ邋＾逦ｉ邋ｉ邋ｙ邋ｉ邋ｈ邋ｂ邋ｖ邋ｔ邋＾逦ｉ逦ｆ邋Ｖ邋ｔ邋＇ｉ逦ｌｉ邋Ｖ邋Ｖ邋Ｉ邋ｔ邋ｉ邋１１１逡逑０．１邋１邋１０邋１００邋１０００邋１００００逡逑Ｂｏｄｙ邋ｍａｓｓ邋（ｋｇ）逡逑图１－３反刍动物和单胃草食动物甲烷排放量与体重的关系（Ｆｒａｎｚ等，２０１１ａ）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－３邋Ｍｅｔｈａｎｅ邋ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋ｉｎ邋ｒｅｌａｔｉｏｎ邋ｔｏ邋ｂｏｄｙ邋ｍａｓｓ邋ｉｎ邋ｒｕｍｉｎａｎｔｓ邋ａｎｄ邋ｎｏｎ－ｒｕｍｉｎａｎｔ逡逑ｍａｍｍａｌｉａｎ邋ｈｅｒｂｉｖｏｒｅｓ邋（Ｆｒａｎｚ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１１ａ）逡逑９逡逑

图１－４高产甲烷绵羊和低产甲烷绵羊瘤胃中调控Ｈ２／Ｃ０２甲烷生成途径的酶基因的相对丰逡逑度和表徸量的比较（Ｓｈｉ等，２０１４）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ邋ｏｆ邋ｇｅｎｅ邋ａｎｄ邋ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔ邋ａｂｕｎｄａｎｃｅ邋ｆｏｒ邋ｅｎｚｙｍｅｓ邋ｉｎｖｏｌｖｅｄ邋ｉｎ邋Ｈ２／ＣＯ２逡逑ｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｅｓｉｓ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｈｉｇｈ邋ａｎｄ邋ｌｏｗ邋ｍｅｔｈａｎｅ邋ｙｉｅｌｄ邋ｓｈｅｅｐ邋（Ｓｈｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１４）逡逑通过Ｓｈｉ等（２０１４）的研究发现，不能通过基因水平揭示的动物生理现象，可逡逑在转录水平得到合理解释。因此，利用宏转录组学对动物消化道微生物

本文编号：2717813