赵圣国， 郑 楠， 王加启*

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所 动物营养学国家重点实验室，北京 100193；2.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所 农业部奶产品质量安全风险评估实验室，北京 100193)

2016年，全球动物营养学家在胃肠道微生物组学研究领域取得一系列新成果。通过元基因组、元转录组、代谢组学方法，重点探讨了牛瘤胃微生物纤维小体的广泛来源和功能，研究了瘤胃功能微生物种群(如尿素分解菌)的组成，解析了瘤胃微生物功能异构体驱动相关营养素的分解利用模式，揭示了日粮营养素、宿主基因型、环境、生态位对微生物群落组成和功能代谢的影响，阐明了反刍动物生产表型(如瘤胃酸中毒、甲烷排放、饲料转化效率和能量利用效率)相关的瘤胃微生物种类及其基因功能(图1)。首次构建了猪肠道微生物组参考基因集，系统解析了猪全肠道黏膜微生物组成与多样性，阐明了猪增重相关肠道微生物种类。本文重点对10项代表性成果进行解读，期望对动物营养学者提供方法学和理论借鉴。

图1 10大亮点成果剖析图Fig.1 Profile chart of ten highlighted publications

1 研究热点

1.1 牛瘤胃微生物纤维小体基因的广泛来源与功能

纤维小体为胞外多酶复合物，被认为是自然界中最有效的降解植物细胞壁的体系之一。其通过蛋白质组合(结合蛋白和锚定蛋白)之间的特异性相互作用实现独特的模块化架构，能够形成各种酶组合。以色列魏茨曼科学院研究人员通过对前期在《Science》上发表的瘤胃微生物元基因组数据进行挖掘，筛选纤维小体基因，分析发现大部分锚定蛋白的功能不仅仅参与纤维降解。利用某些结合和锚定蛋白的相互作用分析，发现纤维小体可广泛被各种细菌所利用，并且某些细菌甚至不产纤维小体。该研究为全球瘤胃微生物群落间的相似性提供了证据，表明纤维小体在自然界中广泛分布与功能多样化[1]。

1.2 牛瘤胃微生物基因功能异构体驱动相关营养素的获取与利用

英国阿伯里斯特威斯大学研究人员对14头牛的瘤胃微生物元基因组进行测序，计算每个基因的功能异构体多样性。结果发现了153个优势细菌Prevotella和Clostridium间的功能差异基因，Prevotella拥有更多样的降解半纤维素的功能异构体，而Clostridium拥有更多样的降解纤维素的功能异构体。微生物间关键代谢过程具有显著差异，表明功能异构体多样性在执行特异性生态功能方面具有重要作用[2]。该研究揭示了瘤胃微生物间的相互作用关系，发现了具有降解功能的不同微生物基因。

1.3 利用人工瘤胃模拟系统揭示奶牛瘤胃优势尿素分解菌群结构

中国农业科学院王加启团队利用自主研发的人工瘤胃模拟系统，以尿素和脲酶抑制剂(乙酰氧肟酸)分别作为尿素分解菌的激活剂和抑制剂，通过高通量测序技术发现，添加激活剂尿素后能显著提高细菌丰富度和脲酶基因丰度，尿素和脲酶抑制剂改变了瘤胃细菌群落结构组成。通过制定尿素分解菌筛选策略，即尿素诱导增加、脲酶抑制剂诱导减少以及含有脲酶基因和酶活性，最终揭示了瘤胃重要尿素分解菌为Pseudomonas、Streptococcus、Haemophilus、Bacillus、Neisseria、Actinomyces和Succinivibrionaceae。该研究为胃肠道重要功能菌群的鉴定提供新的研究思路，同时为提高尿素氮利用率提供新的调控靶标[3]。

1.4 日粮谷物比例诱导山羊瘤胃微生物组成与代谢变化

南京农业大学毛胜勇教授团队调研发现，当前中国规模化牛场中普遍应用高比例谷物的日粮，导致瘤胃亚急性酸中毒时常发生。为探究高谷物日粮对瘤胃微生物种类和代谢的影响机制，研究人员分别给山羊饲喂0、25%、50%谷物日粮，通过高通量测序和代谢组学分析发现，提高谷物比例可显著改变细菌群落结构、多样性和种类组成，增加纤毛虫和产甲烷菌数量，降低厌氧真菌和古菌丰度，增加多种毒性、致炎和非天然代谢物的产生，如内毒素、酪氨酸、酪胺、组胺和苯乙酸。通过相关性分析发现菌群与代谢物具有明显的关联性。该研究为调控瘤胃微生物诱导的功能紊乱，如瘤胃酸中毒，提供重要的靶标[4]。

1.5 绵羊瘤胃中一类控制甲烷产生的乳酸产生和利用菌Sharpea

新西兰AgResearch草地研究中心研究人员对产生高、低甲烷的绵羊瘤胃细菌元基因组进行比较分析，发现了一类在低甲烷绵羊组中的优势细菌，即乳酸产生菌Sharpea。在基因和转录水平上研究发现，低甲烷绵羊组中瘤胃细菌代谢通路，如糖的转运和利用、乳酸、丙酸和丁酸的产生，均被显著激活。乳酸的产生和利用主要由Sharpeaazabuensis和Megasphaeaspp.发挥作用。单糖经乳酸生成丁酸会比直接代谢生成乙酸和丁酸少产生24%甲烷。因此，瘤胃乳酸产生和利用菌的富集是导致绵羊甲烷排放减少的重要原因之一，Sharpea可以作为低甲烷排放绵羊筛选的重要标记物[5]。

1.6 通过瘤胃元基因组筛选低甲烷排放和高饲料转化效率的肉牛

英国Rowett营养与健康研究所John Wallace团队研究了肉牛瘤胃微生物基因与甲烷排放和饲料转化效率的关联性。发现瘤胃古菌(产甲烷菌)丰度与宿主基因型显著关联，能作为筛选靶标物用于低甲烷排放牛的选择。从瘤胃中鉴定了3 970个微生物基因，其中20和49个基因分别与甲烷排放和饲料利用效率显著相关。甲烷菌基因(如mcrA和fmdB)与甲烷排放相关，并且宿主与微生物应答基因(如TSTA3和Fucl)与饲料利用效率相关，表明宿主可能存在调控自身微生物的机制。这些与表型相关的微生物基因将可能作为动物育种的新辅助基因[6]。

1.7 奶牛调控能量利用效率的瘤胃微生物组学机制

以色列内盖夫班古里昂大学研究人员研究发现，瘤胃微生物组成与奶牛从饲料中获取能量的能力(即饲料转化效率)紧密相关。研究者选取78头饲料转化效率高或低的泌乳奶牛，分析瘤胃微生物种类、基因含量、活性及代谢物组成。研究发现，相对较低的微生物基因含量和多样性与高饲料转化效率密切相关，微生物的基因和种类能够精确地预测反刍动物饲料转化效率。能量利用效率高的奶牛瘤胃中细菌Megasphaeraelsdenii和Corprococcuscatus丰度高，丙烯酸代谢通路活跃。因此，这类微生物及其代谢通路使得动物机体提高了能量的利用率，同时降低了甲烷排放[7]。

1.8 猪肠道微生物组参考基因集

深圳华大基因与法国农科院、丹麦哥本哈根大学合作，收集287头猪粪样进行鸟枪法测序，获得770万非冗余基因，719种微生物信息。分析发现96%人体肠道微生物功能基因可在猪肠道微生物参考基因集中被发现，说明猪可作为人的实验动物模型用于生物医药研究和评价。另外，猪的性别、年龄和基因型都会影响肠道微生物组。通过对抗性基因检测分析，揭示了猪肠道微生物抗性基因种类和丰度，发现日粮中抗生素的使用显著影响肠道微生物抗性基因分布，这将有助于控制日粮抗生素滥用和提高肉品安全[8]。

1.9 猪全肠道黏膜微生物组成与多样性

英国利物浦大学研究人员为了揭示猪肠道黏膜重要生物屏障——微生物屏障的组成与变化，通过元基因组鸟枪法测序分析，发现猪小肠和大肠黏膜微生物组成显著不同，这与两个肠段内环境中氧气和营养素的差异密切相关。猪盲肠黏膜微生物种类与肠腔微生物也有差异。饲喂人工甜味剂影响全肠道黏膜微生物群落结构，可降低优势菌Campylobacter丰度，提示人工甜味剂可能会减少肉中致病菌污染[9]。

1.10系统发育网络分析揭示猪增重相关肠道微生物

法国巴黎萨克雷大学研究人员采集了518头猪粪样，通过对16S rRNA基因进行高通量测序，在属和种的分类水平上分别构建了系统发育网络。结果发现，猪肠道微生物网络与人肠道微生物网络相似，分为Prevotella和Ruminococcus两个肠型，且与猪60日龄体重和平均日增重显著相关。人与猪肠道微生物较为相似，并且猪肠道微生物肠型与生长表型密切相关，这说明肠型可以作为评价猪生长性能的重要指标[9]。

2 小 结

人体肠道微生物组学研究已经成为国际前沿热点，大量新的方法学工具被不断开发,新的微生物组学理论逐渐被假设和验证。动物胃肠道微生物组学研究要继续吸收新的方法，不仅要进行胃肠道微生物与日粮营养代谢关系、微生物种类与表型相关性的研究，更重要的是开展新的试验验证和机理解析，将相关性研究提升至因果研究的逻辑层次，对于一项新假设要在不同条件下重复验证，才能稳步提升动物胃肠道微生物组学理论水平。动物胃肠道微生物组在与健康高效养殖、优质安全产品生产和持续友好环境等方面均具有关联性，验证其作用、开展机理研究将成为新的研究切入点。