杜海东 李科南 娜仁花

(内蒙古农业大学动物科学学院，呼和浩特 010018)

瘤胃是反刍动物独有的器官，其富含微生物(细菌、古菌、原虫、真菌)，这些微生物与宿主构成了复杂的共生网络，对宿主的生理机能维持、免疫功能和整体生产效率至关重要[1]。瘤胃能够利用微生物发酵将低质量的饲料转化为高质量的动物蛋白质[2]。据报道，瘤胃微生物的发酵产物能为宿主提供约70%的日常能量[3]。因此，调控瘤胃微生物是提高瘤胃发酵、增强动物生长和健康的有效方法。在前人的研究中，通过开发添加剂调控瘤胃核心微生物群，从而将瘤胃发酵转向更有效的代谢途径。然而，各种调控手段的效果往往是有限的，调控结果往往不符合预期或者短效，这主要是因为人为调控难以改变成年动物瘤胃中已建立良好和完全成熟的微生物生态系统[4-5]。有充分证据表明，一旦停止调控，微生物群的组成和瘤胃发酵功能将恢复到原来的状态[6]。幼龄反刍动物瘤胃微生物处于快速定植和改变的过程中，这一阶段的瘤胃微生物群比成年反刍动物表现出更大的灵活性，这也为操纵如此复杂的微生物生态系统提供了机会[1]。近年来，已有大量的研究证明幼龄反刍动物瘤胃微生物群的变化与母体密切相关，微生物可以从母体传播到后代，这为生命早期微生物群的获得、发育和早期干预提供了机会[7]。虽然成熟瘤胃微生物群与幼龄反刍动物不同，但生命早期的微生物改变会对动物产生长期的影响[8]。

在本文中，首先总结了生命早期瘤胃微生物的组成与发展，然后重点总结了影响母体微生物在早期生命中获取和继承的主要因素，其中包括母体品种、分娩方式、幼畜饲喂方式、母体妊娠期饲粮组成与饲料添加剂使用，最后对未来的研究方向进行了展望，旨在为母仔微生物传播提供参考。

1 瘤胃微生物

通过调控瘤胃微生物减少反刍动物温室气体排放，提高生产性能的研究由来已久。随着微生物测序技术的出现和发展，推动了瘤胃微生物群研究的快速增长，扩展了我们对瘤胃微生物的认识。由于瘤胃内生理条件的限制，大部分微生物是厌氧菌，也含有部分兼性厌氧菌。距今为止，有相当一部分瘤胃微生物仍是未知或未分类的。瘤胃微生物复杂多样，据统计，在每克瘤胃内容物中包含超过100亿个微生物，主要包括细菌、古菌、真菌和原虫，其中95%以上是细菌[9]。微生物彼此之间以及与宿主之间形成了复杂的营养协同和拮抗关系，并在维持动物生理动态平衡过程中发挥关键作用[10]。

瘤胃微生物群通过调节食物的发酵和能量的吸收，与反刍动物代谢密切相关。此外，微生物发酵代谢产物还能提供反刍动物必需的多种氨基酸、维生素和各种纤维素分解酶以及一些抗生素，并参与宿主瘤胃上皮的发育和免疫系统的建立[11-12]。瘤胃微生物群是重要的“内分泌器官”，可以通过多种途径与动物器官进行信号传递，如通过营养物质或代谢物刺激关键受体或特定激素分泌，并产生调节作用[12-13]。瘤胃微生物群失调可导致多种疾病，包括酸中毒、氨中毒和其他代谢紊乱，所有这些都不利于宿主的生长和健康[14]。

2 早期瘤胃微生物的定植与发展

瘤胃微生物区系对瘤胃的发育、代谢和免疫反应至关重要，而早期微生物的定植对宿主健康的影响是长期的，甚至是终身的。瘤胃中出现第1批微生物的确切时间仍存在异议。已有研究证明母体子宫并非完全无菌状态，且在产前胎儿瘤胃和肠道便已存在来源于母体子宫的微生物群，这表明动物胃肠道的微生物定植开始于子宫[15-17]。现有研究表明，母体子宫内的微生物主要来自于母体肠道、阴道或口腔的微生物群，这些不同位点的微生物能够到达胎盘并成为子宫内胎儿的第1批微生物定植者[16,18]。然而，关于微生物在子宫内定植的研究都是基于一些分子方法，由于这些方法检测限度有限，所以很难检测出低生物量的微生物种群，且操作过程中缺乏对污染的适当控制[19]。此外，到目前为止还没有从胎盘中培养出活的微生物[18]。因此，关于微生物定植是否始于子宫仍存在争议，需要进一步研究。

毫无疑问，新生动物第1次全面接触微生物是在出生时，初生反刍动物瘤胃微生物群的建立、发展和成熟受众多因素的影响，包括母体效应、药物治疗、饲养管理和环境等[3]。幼龄反刍动物瘤胃中的微生物以厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门为主，占总数的90%以上[20]。幼龄反刍动物的瘤胃微生物主要来源于母体，微生物群可以从母体瘤胃、唾液、母乳和乳房微生物中垂直传播[21]。在初生动物瘤胃中，兼性厌氧和耐氧微生物如变形菌门和厚壁菌门占主导地位，这导致瘤胃中氧气的消耗，随后瘤胃被严格的厌氧菌如拟杆菌门定植[22-23]。此外，一些在成年反刍动物瘤胃中占主要位置的微生物已在1～3日龄反刍动物瘤胃中发现，包括粪球菌属、普雷沃氏菌属和瘤胃球菌属，在1日龄反刍动物瘤胃中还发现了纤维素分解菌，且在3日龄时其丰度显著增加[23]。按照培养模式可将幼龄反刍动物瘤胃微生物的发展过程大致分为3个阶段，即非反刍阶段(母乳喂养)、过渡阶段(母乳和固体饲料混合喂养)和反刍阶段(断奶)[24-25]。不同阶段瘤胃内微生物相似性的分析结果表明，瘤胃微生物生态系统在断奶前展现出非常高的个体间多样性和低稳定性，在出生后的最初几天(第0～3天)和提供开食料后不久(第10～20天)微生物群组成显示出巨大的差异。在生命早期，微生物群变化很快，而一个稳定的瘤胃微生物群在断奶后逐渐建立起来[20]。瘤胃微生物组成趋于稳定的确切时间尚不清楚，但一般来说这发生在断奶后[14]。断奶后，随着瘤胃成熟度的提高，瘤胃微生物组成变得相对稳定，大多数幼龄反刍动物微生物群已经达到了成年反刍动物的成熟状态，形成了终生的微生物群特征，这也意味着在此期间针对微生物群的干预可能不会形成长期效果。瘤胃微生物组成随宿主生长发育而变化，在断奶后趋于稳定，因此，调控生命早期瘤胃微生物区系为长期改善宿主效率和健康提供了新的途径[8]。

3 母仔微生物垂直传播的影响因素

在早期适当的干预措施有利于改变微生物组成，为调控生命早期的微生物系统提供了机会。越来越多的证据表明早期母体微生物垂直传播对后代微生物的定植和建立起关键作用[26-27]。初生动物通过吞咽来自母体的唾液和食糜以获得最初的微生物。此外，母乳喂养也会导致少量乳汁从食管沟渗漏到瘤胃，这部分母乳对后代瘤胃微生物群的发育有潜在的影响[28-30]。而经过自然分娩出生的后代，其胃肠道早期定植的微生物主要来源于母体产道和肠道[14]。此外，母畜品种、分娩方式、幼畜饲喂方式、母体妊娠期饲粮组成与饲料添加剂等因素均会对后代微生物的种类产生不同影响。然而，尽管关于母仔微生物传播在哺乳动物上已有大量研究，但关于早期微生物的确切来源、来源的贡献程度和传播模式尚未形成系统的研究模式。由于宿主微生物群的复杂性，使得从微生物环境中有针对性地调控目的微生物是极具挑战性的。以上问题的答案将使我们更接近母仔微生物垂直传播的真相，并为在生命早期调控微生物提供新的思路。

3.1 母畜品种

瘤胃微生物分类学特征在具有不同遗传背景的宿主之间是可区分的[31]。瘤胃微生物宏基因组和宏转录组研究显示，反刍动物遗传效应影响瘤胃微生物组成，研究发现，即使是在相同的环境条件、由相同的饲粮饲养，不同品种牛的瘤胃微生物群也是可区分的，并且在不同品种之间观察到独特的微生物分类特征[32]。Li等[32]研究了3个品种牛(安格斯、夏洛来和Kinsella)之间瘤胃微生物组成的差异，发现大约50%的可观察到的微生物受到品种的影响，包括8个门水平细菌(如拟杆菌门和螺旋体门)、55个属水平细菌(如普雷沃氏菌属和螺旋体属)以及10个种水平细菌(如密螺旋体和普雷沃氏菌)。在不同品种山羊中也发现了类似的结果，Cunha等[33]发现Alpine奶山羊的瘤胃细菌组成以拟杆菌门为主，相对丰度约为61.2%，其次是厚壁菌门和变形菌门，相对丰度分别为24.2%和4.1%，而Moxoto奶山羊瘤胃细菌组成主要为拟杆菌门和厚壁菌门，瘤胃中的总体优势类群为梭状芽胞杆菌和拟杆菌。

宿主遗传学塑造了后代的微生物群。Hernandez-Sanabria等[34]根据不同品种牛后代瘤胃内容物微生物群的差异，评估了宿主遗传对微生物群的影响，结果发现当不同品种牛的后代饲喂不同的饲粮时，后代中特定微生物系统类型的变动会受到亲代的影响，并最终影响宿主的代谢功能。不同品种母畜的微生物群具有很大差异且具有很强的宿主遗传关系，已有研究发现安格斯和夏洛莱这2个品种母牛的后代瘤胃微生物群存在差异，在28日龄断奶时，与安格斯犊牛相比，夏洛莱犊牛瘤胃微生物的丰富度显著增加[35]。Roehe等[36]通过宏基因组分析研究瘤胃微生物基因与甲烷排放或饲料转化效率之间的联系，发现宿主对古菌丰度和瘤胃微生物甲烷排放量有直接的遗传影响，且与后代犊牛所消耗的饲粮量无关。综上所述，宿主遗传在塑造后代微生物群发育中发挥显著作用，然而，关于遗传如何影响母仔微生物传播还需要进行进一步的研究。

3.2 分娩方式

分娩方式可以改变初生动物胃肠道微生物群并产生潜在的长期影响。关于人类不同分娩方式的调查发现，相较于自然分娩的婴儿，剖腹产出生的婴儿肠道微生物多样性降低，且主要为肠球菌、葡萄球菌、链球菌和肠杆菌，这与母体口腔、皮肤和外部环境的微生物更为相似，而自然分娩的婴儿肠道最初是由需氧菌肠球菌、链球菌、罗氏菌以及厌氧菌双歧杆菌、乳酸杆菌和柯林斯杆菌等组成，与母体产道和肠道的微生物群更相似[27,37-39]。虽然剖腹产在畜牧生产中并不常见，但确定产道对早期微生物群的潜在影响可能会揭示新的干预策略，以优化瘤胃微生物群[40]。研究发现，与自然分娩的犊牛相比，剖腹产出生的犊牛瘤胃微生物群的物种丰富度降低，这与人类剖腹产婴儿微生物多样性降低的结果一致。这种微生物多样性的下降可能是由于与自然分娩的动物相比，母体产道作为生命早期重要的微生物来源在剖腹产动物中被排除。Cunningham[14]发现，在7日龄不同分娩方式的犊牛瘤胃中共有16个操作分类单元(OTU)的丰度不同，其中有9个OTU在自然分娩犊牛中比较丰富，这些差异性OTU中包含反刍动物胃肠道微生物群常见的组成成员，包括分类为瘤胃球菌属、普雷沃氏菌科和假丁酸弧菌属的OTU，这些在生命早期定植的胃肠道微生物可能在长期内影响宿主的微生物群[29]。

3.3 幼畜饲喂方式

在生命的最初时间，由于瘤胃尚未发育，初生反刍动物完全依赖从母乳或代乳粉中获得营养。在反刍动物生产中主要有2种后代饲养系统，在商业牛奶系统中，幼畜出生后通常与母畜分离饲喂代乳产品；在肉类生产系统中，幼畜会一直呆在母畜身边直到断奶[41]。饲喂母乳或母乳替代品的初生反刍动物瘤胃微生物不仅会因乳品营养成分的不同而有所差异，而且微生物组成和丰度也会因成年反刍动物的存在与否有所不同[41-42]。研究不同饲养系统中的瘤胃微生物连续定植可以帮助设计有效的干预措施来控制早期瘤胃微生物组成。

成熟动物瘤胃核心微生物群建立于生命的早期阶段。研究发现，不同饲养方式的幼龄反刍动物具有的相同核心微生物群包括拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门，虽然瘤胃中这些微生物的相对丰度随发育阶段和饲粮的不同而有所差异，但发育中的瘤胃与成熟瘤胃的优势菌门是相同的，在幼龄反刍动物瘤胃中占主导地位的微生物也是其他年龄动物瘤胃内的核心微生物群[8,43]。但不同饲养方式的幼龄反刍动物核心菌属的丰度差异较大，在人工饲养系统中拟杆菌属的丰度较高，在母乳饲养系统中琥珀酸菌属是丰度较高[8]。在母乳饲养的幼龄反刍动物瘤胃中普雷沃氏菌属的丰度较高，该属已被证明在成熟瘤胃中是最丰富、最普遍的菌属[8,44]。人工饲养的幼龄反刍动物在断奶前瘤胃中拟杆菌属的丰度较高，而高丰度的拟杆菌属与断奶前幼龄反刍动物饲喂高热量母乳替代品有关[45]。此外，与人工饲养的羔羊相比，母乳饲养的羔羊在断奶时瘤胃微生物群更成熟。由于原虫只能通过与成年动物直接接触经唾液传递给后代，因此由人工饲养的羔羊在断奶时瘤胃中几乎不存在原虫，相反，母乳饲养促进了多种多样的原虫在羔羊瘤胃中的早期定植[8,25,46]。

瘤胃中的真菌占瘤胃微生物总量的5%～20%，在纤维消化中起着重要作用。研究发现，在所有的饲养系统中，羔羊瘤胃的核心真菌群落均由相同的真菌属代表，包括厌氧真菌Caecomyces、Neocallimastix和Piromyces，需氧真菌Phaeosphaeria、Alternaria和Filobasidium，但随着羔羊年龄的增加，母乳饲养羔羊瘤胃的核心真菌群落比人工饲养羔羊更多样化[42]。自然饲养促进了断奶时瘤胃厌氧真菌群落的早期发展，厌氧真菌如Neocallimastix、Buwchfawromyces和Anaeromyces的丰度增加，其中Neocallimastix和Buwchfawromyces能够分解植物细胞壁，并触发其他瘤胃微生物对饲料的早期定植[42,47]。

3.4 母体妊娠期饲粮组成

母体在妊娠期间的饲粮组成影响后代微生物群的获取。例如，在母羊妊娠后期饲粮中添加脂质(4%椰子油)降低了原虫Isotrichidae、Ophryoscolecidae的数量，且羔羊出生后，脂质(4%椰子油)组羔羊瘤胃原虫种群以及每日甲烷产量均显著减少，这种情况一直持续到5月龄[48]。除了饲粮中的脂肪含量外，母体妊娠期对蛋白质、纤维和微量元素的摄入量也会对初生动物胃肠道微生物群落结构产生影响。研究发现，母体妊娠期较高的脂肪摄入量与新生儿肠道微生物群中较高丰度的厚壁菌门和较低丰度的变形菌门显著相关，而较高的纤维和植物蛋白质摄入量与较低丰度的拟杆菌门相关[49-50]。此外，母体妊娠期营养会影响幼龄反刍动物瘤胃微生物的丰度和多样性，即使此时幼龄反刍动物的瘤胃微生物功能发育不全。研究发现，正常喂养组母牛后代与营养限制组母牛后代瘤胃的整体微生物多样性存在差异，正常喂养组的犊牛和营养限制组的犊牛共有8个OTU的丰度存在差异，营养限制组中较正常饲喂组丰富的类群共有4个，它们均属于拟杆菌门，其中3个类群为普雷沃氏菌属[14]。研究表明，妊娠期营养限制会导致后代出生时体重较小，而低出生体重的幼儿胃肠道中的普雷沃氏菌属更丰富[51-53]。Hummel等[54]研究了营养限制和矿物质补充对妊娠晚期母牛及其后代微生物的影响，结果显示营养限制减少了胎盘微生物的多样性，而补充矿物质对胎盘微生物群影响甚微，但补充矿物质改善了胎儿肠道微生物的多样性。目前，关于母体妊娠期饲粮组成影响后代微生物群的机制仍不清楚。有报道称妊娠期间的母体营养有可能是影响后代微生物群早期建立的因素，妊娠期营养可影响胎儿器官发育，特别是胃肠道发育[55-57]。由于胃肠道的生理机能与胃肠道中存在的微生物群密切相关，因此母体营养的改变可能会改变胃肠道微生物群。此外，母乳的微生物组成可能会受到母体饲粮的影响，母体饲粮对母仔微生物的垂直传播具有重要意义，需要进一步的研究来探索饲粮影响母仔微生物的垂直传播的作用机制。

3.5 母体饲料添加剂

通过不同的饲料添加剂调控瘤胃微生物群是提高瘤胃发酵、增强动物生长和健康的有效方法。有机酸、益生菌、酶和植物化学物质等添加剂显示出了降低动物甲烷排放的潜力，此外，它们也对微生物群对的饲料降解、吸收以及瘤胃发酵参数产生了重大影响[58]。各种饲料添加剂对动物性能的影响也会随母体传递给后代。有研究报道，在母羊饲粮中添加叶酸提高了后代羔羊瘤胃总挥发性脂肪酸含量以及肠道消化酶活性，还提高了生长激素和胰岛素样生长因子-1的浓度，从而提高了羔羊的生长性能和瘤胃发酵功能[59]。Elolimy等[11]发现，给妊娠后期母牛饲喂蛋氨酸可以诱导后代的微生物组成改变并使瘤胃代谢向更高效的方向转变，给妊娠后期母牛饲喂蛋氨酸使得后代犊牛断奶前的菌群中富含抗生素生物合成相关的功能基因，而这有助于减少微生物病原体的数量，并提高犊牛的生长性能；此外，母体饲喂蛋氨酸后提高了后代犊牛瘤胃中小类杆菌属的丰度，降低了放线菌属、伯克霍尔德氏菌目的丰度，而高丰度小类杆菌属和低丰度放线菌属是健康状况良好的标志。Dewanckele等[60]试验发现，给妊娠后期山羊饲喂富含二十二碳六烯酸的微藻增加了后代羔羊瘤胃中拟杆菌目、梭菌属和丁酸弧菌属的相对丰度。综上所述，不同饲料添加剂通过母体直接或间接影响后代出生后瘤胃微生物群的定植和发育，并影响其生命早期代谢、内分泌和生长性能的发展。

4 小结与展望

母体微生物群是后代微生物群的重要来源，受到多种因素的影响。关于母体微生物对后代的传播方式和贡献程度仍需要大量的研究。测序技术的不断进步使我们能够检测和了解到微生物群，但我们仍需要更进一步的对微生物群进行分析，以此确定母仔微生物传播的重要性和准确性。未来需要有针对性地开展研究使母仔微生物群的传播得到调控，使在生命早期定植的微生物能够被人为选择，而不是让初生动物偶然获得微生物。关于促进或抑制微生物传播以及生命早期微生物选择的内部或外部驱动因素仍然需要更多的研究。此外，还需要更多的证据证明垂直传播的母体微生物对后代的影响。