瘤胃丙酸发酵的增强策略及其对碳水化合物代谢的动态影响

发布时间：2020-06-27 07:17

【摘要】：反刍动物依靠功能强大的前胃系统将人类所不能消化的纤维性植物资源转化为高品质的肉和奶,但其饲料转化效率相对处于较低水平。这与它们采食较多的结构性碳水化合物有关外,瘤胃微生物将降解的单糖进一步代谢为乙酸、丙酸和丁酸的过程中分别损失了38%、-9%和22%的能值,同时发酵产生的CH_4也损失了2-12%的饲料能量。能量是决定动物生产性能和机体健康的重要因素,如何在相同日粮的背景下,如何长期调控瘤胃代谢产生的氢向能量更高效的丙酸转化,同时降低以CH_4形式的能量损失是本研究的目的。本研究分为微生物调控和生化调控两部分,共包含五个试验。第一部分瘤胃微生物调控。调控假设:选择性抑制瘤胃的产乙酸微生物,会使更多的底物被产丙酸微生物利用生成丙酸;同时与甲烷菌竞争利用氢,降低CH_4排放。原虫约占瘤胃生物质总量的50%,是瘤胃主要的产乙酸微生物。试验一利用Meta分析研究驱除原虫后,反刍动物CH_4排放量、挥发性脂肪酸(VFA)发酵模式和日粮纤维降解率随时间的动态变化规律。49项研究的Meta分析结果表明:驱除原虫显著降低反刍动物CH_4排放量和瘤胃乙酸丙酸比(A:P),但同时降低日粮纤维降解率、瘤胃总VFA浓度和丁酸比例。这些降低幅度均随驱除时间的延长逐渐削弱。与正常动物相比,长期驱除原虫动物的CH_4排放量(≥11 wk)和瘤胃A:P(≥7 wk)反而显著升高,并达到稳定。因此,长期驱除原虫不利于瘤胃碳水化合物代谢对机体的能量供应。试验二通过添加莫能菌素同时抑制瘤胃产乙酸的原虫和细菌,研究其对碳水化合物代谢参数和微生物区系的动态影响。本研究以6头瘤胃瘘管奶山羊作为模式动物,采用前后自身对照设计:包括基线期3 wk,莫能菌素(32 mg/d)处理期8 wk,恢复期2 wk。本试验通过限饲和环控代谢舱技术,排除动物干物质采食量和环境温度变化对研究结果可能造成的干扰。结果表明,添加莫能菌素降低奶山羊CH_4排放、瘤胃A:P和纤维降解率,且在采食后1 h的抑制效果最大。然而抑制幅度均随处理天数和采食后时间逐渐下降。莫能菌素的丙酸增强效果相对持久,随处理天数的波动较小。莫能菌素对瘤胃微生物区系α和β多样性的改变也随处理时间逐渐修复,但对微生物区系结构进行了重塑。其中瘤胃总淀粉和总纤维降解菌属的相对丰度均随处理时间逐渐上升。因此,莫能菌素长期添加更利于瘤胃碳水化合物代谢对机体的能量供应。第二部分瘤胃生化调控。调控假设:通过生化调控剂可刺激微生物的丙酸发酵途径,有利于更多的底物发酵生成丙酸。试验三关注具有生物活性的发酵底物对丙酸途径的刺激作用。采用人工瘤胃技术比较添加1%的功能性多糖(黄芪多糖、枸杞多糖和香菇多糖)和寡糖(低聚木糖、低聚果糖和壳寡糖)对瘤胃碳水化合物代谢的定量影响。研究表明,黄芪多糖、香菇多糖和低聚木糖均可提高纤维降解菌(R.albus、R.flavefaciens或B.fibrisolvens)的相对丰度,但仅香菇多糖显著提高日粮纤维降解率。黄芪多糖、香菇多糖和低聚木糖均提高了人工瘤胃VFA产量,且提高量远高于自身可转化量。6种处理中,仅壳寡糖影响VFA比例模式:降低丙酸比例。因此,添加1%的功能性多糖和寡糖可促进瘤胃发酵,但无特异的丙酸增强效应。试验四以高剂量(8%)延胡索酸的体外丙酸转化率作为研究对象,研究丙酸发酵过程中的限制因子:限制性辅酶(10 ppm生物素)、氢分压(0.5%单宁)和产丙酸菌的丰度(100 ppm莫能菌素)。结果显示单独添加生物素、单宁或莫能菌素对VFA浓度均无影响。单独添加延胡索酸显著提高了丙酸浓度,但实际的转化率仅为54.7%。延胡索酸配合添加莫能菌素其丙酸转化率提高至77.0%,而配合添加单宁降低至48.8%。延胡索酸同时配合添加生物素和莫能菌素,丙酸转化率提高至80.6%,而同时配合生物素和单宁,丙酸转化率降低至44.9%。因此,氢分压是限制瘤胃丙酸发酵的因素,延胡索酸和莫能菌素在促进瘤胃丙酸生成方面具有较好的协同效应。试验五关注甲烷合成抑制剂(硝烟酯)与氢受体(延胡索酸)对奶山羊碳水化合物代谢的动态影响及协同效果。试验采用2×2双因素设计:延胡索酸(34 g/d)和硝烟酯(0.5g/d)。24只泌乳奶山羊随机区组分入4个处理组,第3、6、9和12 wk采集样品。结果表明,延胡索酸和硝烟酯均可持续抑制奶山羊CH_4排放。延胡索酸的实际CH_4减排量是其作为氢受体可减排的3.5倍,但在与硝烟酯同时添加时这个倍数降为1.3倍。延胡索酸和硝烟酯对日粮消化率均无影响。延胡索酸显著提高瘤胃丙酸比例和血清苹果酸脱氢酶酶活和总抗氧化能力,降低血糖和β-羟基丁酸的浓度。硝烟酯对瘤胃VFA的比例模式无影响,提高血清总抗氧化能力,降低甘油三酯含量,血糖有降低的趋势。因此,延胡索酸不仅可与甲烷菌竞争氢生成丙酸,还可增强瘤胃的丙酸发酵通路,其CH_4抑制效果决于在瘤胃中的代谢速率。延胡索酸和硝烟酯均可提高机体的糖酵解和抗氧化能力,抑制脂质动员。综上所述,(1)抑制瘤胃产乙酸微生物,可促进丙酸发酵抑制CH_4排放,但调控效果随时间逐渐衰退。从瘤胃碳水化合物代谢调控效果和持久性来看,同时抑制产乙酸的原虫和细菌的效果要优于仅驱除原虫。(2)底物刺激方面,添加1%的功能性多糖和寡糖可促进瘤胃VFA发酵但无特异的丙酸增强效应。中间代谢因子方面,氢分压是限制瘤胃丙酸发酵的因素。(3)延胡索酸在体外和体内表现出不同的瘤胃调控功能。延胡索酸不仅可与甲烷菌竞争氢生成丙酸,还可增强瘤胃的丙酸发酵通路。延胡索酸的瘤胃调控效果取决于其在瘤胃中的代谢速率。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S816
【图文】：

碳水化合物代谢,微生物,途径,瘤胃微生物

纤维素是自然界最丰富的可再生资源(Shekhar, 2011)，而且比石油更人类只利用了其中的 2% (Pauly and Keegstra, 2008)。反刍动物依靠功将人类所不能消化的纤维性植物资源转化为高品质的肉和奶。过去的的生产效率和饲料转化率都得到了一定的提高，但相比于猪和鸡等单低水平。这与它们采食较多的结构性碳水化合物有关外，瘤胃微生物、丙酸和丁酸的过程中分别损失了 38%、-9%和 22%的饲料能值(Ryle a同时发酵产生的 CH4也损失了 2-12%的饲料能量(Johnson and Johnson, 动物生产性能及机体健康的重要因素，如何在相同日粮的前提下，使地供给机体是反刍动物营养研究面临的挑战。组学技术的发展，大量研究比较了高效动物和低效动物瘤胃微生物区(Li et al., 2016a; Shabat et al., 2016; Li and Guan, 2017; Sasson et alet al. (2016)研究发现，高效奶牛相比于低效奶牛有更高的瘤胃丙酸和丁CH4排放量和微生物多样性(图 1-1)。本章综合论述了碳水化合物在瘤径及其干预措施。

单体组成,半纤维素,连接方式,碳水化合物

部位、生理功能和发酵特性分成的纤维性（存在于细胞壁的结构性碳水化合物，属速发酵部分）和非纤维性（存在于细胞内容物的贮能性碳水化合物，属于快速发酵）碳水化合物(Van Soest et al., 1991; 赵向辉, 2012)。随着科学技术的发展，我们对化合物降解的理解逐渐深入到分子水平甚至化学键水平(Cantarel et al., 2009; Kao al., 2013; Boutard et al., 2014)。了解不同碳水化合物的化学结构对进一步提高其肠道率具有重要的指导意义。1.1 纤维性碳水化合物饲料中的纤维性碳水化合物(Fibrous carbohydrate, FC)主要包括纤维素和半纤维素维素是由 β-1,4 糖苷键连接葡萄糖而成的大分子聚糖，是自然界中分布最广、含量富的一种多糖。半纤维素是由葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等不同类单糖构成的异质多聚体，单体间的链接方式也较为复杂多样。图 1-2 以木葡聚糖、酸阿木聚糖和半乳甘露聚糖为例，展示半纤维素的单体组成及其连接方式。不同植或植株的不同部位，细胞壁的半纤维素组成也存在很大的差异(Pauly and Keeg08)。木质素也属于酸性洗涤纤维，但并不是碳水化合物，它是由对香豆醇、松柏芥子醇等醇单体构成的复杂酚类聚合物。

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