■劉旺景

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

全球反芻動物數(shù)量龐大，其中包括7 500萬野生物種和35億馴化物種[1]。反芻動物自身不產(chǎn)生消化和降解飼料纖維類物質(zhì)的酶，主要依靠瘤胃微生物產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸，為反芻動物提供營養(yǎng)物質(zhì)，而宿主則為厭氧微生物生長提供所需環(huán)境。瘤胃微生物根據(jù)功能可分為纖維素分解菌、淀粉分解菌和蛋白質(zhì)分解菌等，這些微生物菌群不僅能夠降解飼料中的多種成分還能夠進一步代謝其他微生物代謝的產(chǎn)物，而且瘤胃微生物進入皺胃，可作為反芻動物的重要蛋白質(zhì)來源[2-3]。因此，瘤胃微生物菌群是反芻動物消化系統(tǒng)的組成部分，對動物的早期發(fā)育、健康和生理至關(guān)重要。瘤胃微生物受諸多因素的影響，全球瘤胃普查項目（GRC）[4]發(fā)現(xiàn)瘤胃微生物群受宿主和飼糧等因素影響較大，諸多影響因素中飼糧占主導(dǎo)地位。早期的一項研究同樣發(fā)現(xiàn)哺乳動物瘤胃微生物群落的大部分變異可歸因于飼料的差異[5]。飼料的物理形態(tài)和化學(xué)成分的變化能夠誘導(dǎo)動物瘤胃形成獨特的消化道生態(tài)位，有利于特定微生物的定植，從而以一種復(fù)雜且相互聯(lián)系的方式工作[6]。宿主飼料的變化促進了瘤胃微生物代謝的變化，改變了揮發(fā)性脂肪酸和甲烷的產(chǎn)生，并最終影響肉和奶的生產(chǎn)。

1 反芻動物瘤胃微生物菌群組成

反芻動物瘤胃微生物菌群是一個龐大的群體，包括細(xì)菌（細(xì)胞數(shù)為1011個/mL瘤胃液）、原蟲（細(xì)胞數(shù)為104～106個/mL瘤胃液）、真菌（孢子數(shù)為103～106個/mL瘤胃液）和噬菌體（細(xì)胞數(shù)為107～1010個/mL 瘤胃液）[7]。反芻動物依賴微生物群落將飼料中復(fù)雜纖維類物質(zhì)降解成可發(fā)酵糖類，并最終將可發(fā)酵糖類轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（如乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽等物質(zhì)），這些發(fā)酵產(chǎn)物及微生物菌體蛋白則被動物用于維持、生長和哺乳等功能。關(guān)于瘤胃微生物菌群研究的項目[2015年的GRC項目[4]和2018 年的瘤胃微生物基因組學(xué)Hungate1000（RMGNH1000）項目[8]]，加深了我們對瘤胃微生物菌群以及其在消化、降解纖維類物質(zhì)等方面的認(rèn)知。GRC項目在細(xì)菌群落的測序研究中發(fā)現(xiàn)，在操作分類單元（OTU）水平上超過90%的測序樣品中，細(xì)菌序列的89.4%僅僅檢測到30 個細(xì)菌群落，提示瘤胃微生物生態(tài)系統(tǒng)由特征不明顯的微生物所組成的核心群落所主導(dǎo)，瘤胃中的核心OTUS分別是普雷沃氏菌、丁酸弧菌、瘤胃球菌和未分類的毛螺菌科、疣微菌科、擬桿菌科和梭菌科。瘤胃中還存在產(chǎn)甲烷古菌，這類微生物結(jié)合氫氣還原二氧化碳產(chǎn)生甲烷[9]。另外瘤胃真菌（如新麗鞭毛菌門）和原蟲（如等毛蟲和雙毛蟲）也是瘤胃微生物菌群的重要組成部分，研究表明厭氧真菌協(xié)同碳水化合物活性酶通過菌絲生長滲透植物細(xì)胞壁，在微生物的定植和植物細(xì)胞壁降解中起關(guān)鍵作用[10]；以往對于原蟲的研究認(rèn)為其與降低微生物菌體蛋白合成和增加甲烷排放有關(guān)，因而原蟲在動物生產(chǎn)中的作用是有爭議的[11]，近期有研究發(fā)現(xiàn)，動物飼喂高谷物飼糧，原蟲能夠快速吞噬淀粉顆粒，與瘤胃細(xì)菌競爭底物，減緩瘤胃中淀粉發(fā)酵速率，極大降低了酸中毒的發(fā)生概率[12]。同時原蟲有助于飼料中纖維成分的降解，Belanche等[13]分析發(fā)現(xiàn)缺乏原蟲的瘤胃微生物菌群豐度顯著下降（其中厭氧真菌下降92%、白色瘤胃球菌下降34%、黃色葡萄球菌下降22%）且飼料纖維的降解率下降14%～17%。反芻動物從出生到育成瘤胃微生物菌群類型完成了由需氧、兼性厭氧到嚴(yán)格厭氧的轉(zhuǎn)變，其主要特征是擬桿菌的豐度增加，而變形菌的豐度降低[14]，這種微生物的演替與動物飼料類型的變化有關(guān)，一般來說，飼糧類型和飼喂方式的變化會導(dǎo)致瘤胃形態(tài)和功能的改變，并最終導(dǎo)致瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)的改變[15]。近年來，隨著宏基因組測序等技術(shù)的興起，已經(jīng)有4 941種新的瘤胃微生物基因組被組裝，但已知可培養(yǎng)的細(xì)菌只占新組裝瘤胃微生物基因組的一小部分[16]，因而瘤胃微生物的體外培養(yǎng)技術(shù)依然存在未知領(lǐng)域亟待探索。瘤胃微生物菌群中對于病毒的研究較少，近年來對于瘤胃病毒組[17]及噬菌體[18]基因組序列的研究開始出現(xiàn)。

2 對反芻動物胃腸道發(fā)育及免疫應(yīng)答的影響

胃腸道微生物的定植對宿主健康的重要性最初已經(jīng)在人和小鼠的研究中報道[19]，近年來有關(guān)胃腸道微生物的定植對幼齡反芻動物腸道發(fā)育以及健康作用等方面的研究逐漸出現(xiàn)。從小鼠的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)腸道微生物群對于腸黏膜上皮以及黏膜免疫系統(tǒng)的發(fā)育和分化至關(guān)重要[20]，對于反芻動物來說，胃腸道微生物的定植在黏膜免疫系統(tǒng)的發(fā)育同樣至關(guān)重要，幼齡反芻動物胃腸道黏膜相關(guān)淋巴組織的發(fā)育開始于母體子宮，如果胎兒在母體子宮中無微生物的接觸和感染，派爾集合淋巴結(jié)中免疫球蛋白（IgG+和IgA+）的分泌將推遲[21]。Toll樣受體（TLRs）是參與機體免疫應(yīng)答的重要蛋白質(zhì)分子，TLRs識別腸道病原菌刺激機體產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，同時激活共生微生物促進白細(xì)胞介素6和腫瘤壞死因子的產(chǎn)生，從而維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和保護腸道免受損傷[22]。但隨著反芻動物日齡的增長，腸道黏膜中TLRs基因表達下調(diào)，可能存在一種機制使共生微生物免受因TLRs識別所產(chǎn)生的不必要炎癥反應(yīng)，同時由適應(yīng)性免疫應(yīng)答的增強抵消先天免疫反應(yīng)的降低，以維持機體免疫平衡[23]。Malmuthuge 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，與斷奶前相比，斷奶后犢牛胃腸道黏膜TLRs 基因表達下調(diào)，而空腸和回腸中CD4+、CD8+細(xì)胞隨著日齡的增加而增多，另外相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)胃腸道黏膜TLRs基因的表達與黏附微生物數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，提示胃腸道微生物菌群與黏膜免疫反應(yīng)受宿主日齡的影響，但微生物菌群影響胃腸道黏膜和系統(tǒng)免疫反應(yīng)從先天免疫應(yīng)答向適應(yīng)性免疫應(yīng)答轉(zhuǎn)變的機制仍有待確定。近期有研究發(fā)現(xiàn)，micro RNAs（miRNA）可能是調(diào)控反芻動物宿主與微生物菌群間互作的紐帶[25]，Liang等[26]研究發(fā)現(xiàn)瘤胃中雙歧桿菌與瘤胃上皮細(xì)胞中三種miRNA（miR?NA-15、miRNA-29和miRNA-196）的表達水平呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而這三種miRNA是反芻動物機體免疫細(xì)胞和淋巴組織發(fā)育的重要啟動元件，該研究間接為瘤胃微生物-宿主相互作用調(diào)控機體免疫應(yīng)答提供新證據(jù)。有研究表明，微生物能夠刺激消化道黏液層杯狀細(xì)胞分泌黏液蛋白，黏液蛋白減少會造成機體消化道屏障功能受損，病原菌通過消化道上皮進入血液循環(huán)系統(tǒng)，或者經(jīng)過淋巴管及淋巴結(jié)進入臟器導(dǎo)致最終全身性免疫反應(yīng)[27]。另有研究表明，革蘭氏陰性菌中的肽聚糖能夠刺激孤立淋巴濾泡的發(fā)育，其機理是肽聚糖能夠被樹突狀細(xì)胞表面的Toll 受體識別，激活MALMYD88免疫相關(guān)信號通路，而孤立淋巴濾泡、集合淋巴小結(jié)及腸系膜淋巴結(jié)共同構(gòu)成腸道淋巴組織，因此反芻動物腸道微生物能夠通過刺激腸道淋巴組織的發(fā)育，從而促進免疫系統(tǒng)的發(fā)育[28]。

3 對反芻動物生產(chǎn)性能和甲烷排放的影響

瘤胃微生物被認(rèn)為是地球上最多樣的生態(tài)系統(tǒng)之一，其首要任務(wù)是滿足反芻動物機體70%以上的能量需求，因此反芻動物個體間瘤胃微生物的差異可能影響宿主生產(chǎn)性能和能量利用等生理參數(shù)[29]。Shabat等[30]測定了146頭奶牛的飼料利用率，檢測其中76頭高飼料轉(zhuǎn)化率與低飼料轉(zhuǎn)化率奶牛微生物菌群組成并對其進行代謝組學(xué)分析，研究發(fā)現(xiàn)特定的微生物菌群依賴機制是影響反芻動物能量獲取效率的基礎(chǔ)。同樣在微生物菌群組成豐度與奶牛生產(chǎn)性能的相關(guān)性研究中發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門與擬桿菌門的比值和乳脂率高度相關(guān)，這主要與擬桿菌門中的普雷沃氏菌屬豐度差異有關(guān)，而該菌群與乳脂產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)[31]，且與肥胖疾病相關(guān)[32]。Lima等[33]通過16S RNA測序研究發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)奶牛與低產(chǎn)奶牛在瘤胃微生物菌群的分類與基因組間存在差異，發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)奶牛瘤胃微生物菌群中埃氏巨型球菌和靈巧糞球菌為優(yōu)勢菌屬，且通過宏基因組測序發(fā)現(xiàn)埃氏巨型球菌基因在高產(chǎn)奶牛中顯著富集，這兩種優(yōu)勢菌主要參與機體丙酸代謝，同時代謝組學(xué)研究結(jié)果也證實了這一點，高產(chǎn)奶牛瘤胃中乳酸鹽含量低，提示其微生物菌群能夠更高效地利用乳酸鹽，提高飼料利用率，而低產(chǎn)奶牛代謝產(chǎn)物中甲烷的產(chǎn)量提高，提示低產(chǎn)奶牛將更多的能量用于甲烷的生產(chǎn)。反芻動物瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)及豐度同樣對畜體產(chǎn)肉性能及畜體脂肪沉積有一定的影響，Myer等[34]研究報道，瘤胃菌群中厚壁菌門的豐度與反芻動物日增重顯著相關(guān)，并且菌群豐度會影響反芻動物飼料利用效率，Backhed等[35]研究發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)瘤胃菌群結(jié)構(gòu)能夠改善反芻動物機體脂肪的沉積，其中厚壁菌門及擬桿菌門對脂肪的沉積影響較大。甲烷的產(chǎn)生對于反芻動物來說是飼料能量的浪費，同時也是造成全球溫室效應(yīng)的原因之一。瘤胃中甲烷生成的主要途徑為氫營養(yǎng)型途徑，即利用二氧化碳作為碳源，利用氫氣作為電子供體合成甲烷，瘤胃中約80%的甲烷生成菌（如甲烷短桿菌、甲烷微菌等）均通過此途徑生成甲烷[36]。Zhou等[37]研究不同甲烷產(chǎn)量奶牛瘤胃中的產(chǎn)甲烷菌特性發(fā)現(xiàn)，雖然二者產(chǎn)甲烷菌豐度相似，但在組成上有顯著差別，在高甲烷產(chǎn)量奶牛瘤胃微生物組成中產(chǎn)甲烷短桿菌和產(chǎn)甲烷球形菌為優(yōu)勢菌屬，有研究表明甲烷短桿菌是瘤胃產(chǎn)甲烷菌中豐度最高的菌屬，能夠利用氫氣和二氧化碳還原生成甲烷[38]。Wallace 等[39]報道了低甲烷產(chǎn)量綿羊瘤胃微生物菌群組成中，丙酸生成菌的豐度較高，同時琥珀酸弧菌的豐度和相關(guān)基因的表達也顯著提高，琥珀酸弧菌能夠通過琥珀酸去甲基產(chǎn)生丙酸，為機體提供能量，提高能量利用效率?？偟膩碚f，甲烷的生成是多種微生物共同作用的結(jié)果，除了瘤胃產(chǎn)甲烷菌是直接產(chǎn)生甲烷的微生物之外，瘤胃原蟲、細(xì)菌和真菌等其他微生物也參與其中，其中瘤胃原蟲雖然不直接參與甲烷的生成，但通過自身氧化酶產(chǎn)生的大量氫氣能為瘤胃產(chǎn)甲烷菌的二氧化碳還原途徑提供電子供體[40]，也有研究發(fā)現(xiàn)，原蟲和瘤胃產(chǎn)甲烷菌同為寄生關(guān)系，控制反芻動物瘤胃中原蟲的數(shù)量，對甲烷產(chǎn)生量雖有一定的降低作用，但對瘤胃產(chǎn)甲烷菌的豐度沒有顯著的降低作用[41]。近期報道了有關(guān)瘤胃微生物對反芻動物采食量及日增重的影響研究。

4 瘤胃微生物的影響因素

4.1 添加劑

近年來，益生元、植物提取物、抗菌肽和益生菌等添加劑廣泛應(yīng)用于反芻動物生產(chǎn)中，然而調(diào)控瘤胃微生物菌群的相關(guān)研究較少。Quijada等[42]在新生羔羊飼糧中添加低聚果糖（來自甜菜和大蒜渣）以研究其對羔羊生長和瘤胃微生物的影響，結(jié)果表明，低聚果糖顯著提高了羔羊的平均日增重，采用16S rRNA高通量測序?qū)Ω嵫蛄鑫肝⑸锞航Y(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)擴增子序列變異（Amplicon sequence variants, ASVs）發(fā)生在雙歧桿菌、羅伊氏乳桿菌和韋榮氏球菌序列中，三種有益菌屬的豐度均顯著增加，這類有益菌對反芻動物早期瘤胃核心微生物菌群的定植和免疫系統(tǒng)的發(fā)育完善進而提高生產(chǎn)性能具有重要意義[43]；甜菜和大蒜渣中的低聚果糖能夠選擇性地促進雙歧桿菌和羅伊氏乳桿菌的生長，這是三種有益菌豐度增加的主要原因[44]，同時低聚果糖、雙歧桿菌和羅伊氏乳桿菌阻止大腸桿菌在瘤胃及后腸道的定植，極大降低了羔羊腹瀉率的發(fā)生[45]。近年來，植物提取物因其能夠調(diào)控瘤胃微生物被廣泛應(yīng)用反芻動物的養(yǎng)殖中，Du等[46]研究發(fā)現(xiàn)沙蔥及其提取物能夠提高肉羊的平均日增重，沙蔥及其提取物介導(dǎo)下瘤胃液微生物菌群與肉羊平均日增重的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門、柔膜細(xì)菌與羔羊平均日增重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，糖桿菌和β-變形菌與羔羊平均日增重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，沙蔥及其提取物可能通過調(diào)控瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)，進而影響肉羊平均日增重，相關(guān)機理仍在進一步探究中。從目前的研究報道來看，抗生素對瘤胃微生物組成的影響更為直接，莫能菌素是一種具有抗菌效應(yīng)的離子載體，能夠通過提高反芻動物瘤胃中丙酸的生成量，來降低動物的平均采食量，從而提高能量利用效率，還能夠選擇性地抑制革蘭氏陰性菌在瘤胃中的定植[47]；泰樂菌素可用于肉牛育肥階段，降低肉牛飼糧中因高比例碳水化合物快速發(fā)酵所引發(fā)的肝膿腫發(fā)生率[48]；Milton等[49]認(rèn)為兩種抗生素類型的飼料添加劑能夠降低碳水化合物快速發(fā)酵所產(chǎn)生負(fù)面影響，其作用靶點主要是瘤胃微生物菌群，但二者作用機制不同，泰樂菌素能夠抑制瘤胃壞死梭菌的生長，這是肉牛肝膿腫發(fā)生率降低的主要原因，而莫能菌素能影響瘤胃球菌和毛螺旋菌等革蘭氏陽性菌的豐度而提高革蘭氏陰性菌的豐度，但對后腸道微生物豐度和多樣性無顯著性影響，主要原因可能是莫能菌素被瘤胃主動吸收，大部分在肝臟中完成代謝并通過膽汁排出，只有小部分能夠到達后腸道。到目前為止，世界上很多國家已經(jīng)宣布“禁抗令”，我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布第194號公告，自2020年7月1日起飼料生產(chǎn)企業(yè)停止生產(chǎn)含有促生長類藥物飼料添加劑（中藥類除外）的商品飼料，而禁抗之后反芻動物面臨著多重應(yīng)激，導(dǎo)致相關(guān)疾病頻發(fā)和生產(chǎn)性能下降等諸多問題的出現(xiàn)，瘤胃微生物菌群的調(diào)控仍是廣大科技工作者應(yīng)持續(xù)關(guān)注的環(huán)節(jié)?？咕哪軌蚱茐姆雌c動物瘤胃中有害菌及病原體膜的完整性，Ren等[50]研究發(fā)現(xiàn)，山羊日糧中添加抗菌肽能夠增加瘤胃纖維桿菌屬、厭氧弧菌屬的豐度，同時降低普雷沃氏菌和琥珀酸弧菌屬的豐度，從而改善山羊瘤胃菌群結(jié)構(gòu)，提高其對飼料的利用效率。He等[51]研究發(fā)現(xiàn)，在斷奶前荷斯坦?fàn)倥Ｈ占Z中添加酵母培養(yǎng)物[5 g/（d·頭）]對其采食量和日增重?zé)o顯著性影響，而Lesmeister等[52]研究發(fā)現(xiàn)每頭犢牛每天飼糧中添加20 g的酵母培養(yǎng)物能夠顯著增加犢牛的采食量及日增重，造成上述研究結(jié)果不一致的原因可能是酵母提取物飼喂量、酵母產(chǎn)品類型及飼喂方式等的不同，對瘤胃有益微生物菌群豐度的影響結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌等有益菌的豐度均無顯著性改變。

4.2 飼糧類型和季節(jié)變化

近年來，為滿足高產(chǎn)動物對能量的需求通常采取的措施是提高飼糧中谷物類或易消化飼料的比例，但這種情況下易導(dǎo)致瘤胃中短鏈脂肪酸在較短時間積累，超過瘤胃的緩沖能力，極易引發(fā)瘤胃酸中毒疾病的發(fā)生，瘤胃酸堿度的改變使瘤胃微生物群失調(diào)，從而影響宿主健康。Tao等[53]研究報道了飼糧中精料由35%增加到65%時會誘發(fā)關(guān)中山羊瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)、代謝紊亂及腸道黏膜損傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高精料組山羊瘤胃微生物菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)，其中梭狀芽孢桿菌和蘇黎世桿菌等有害菌的菌群豐度顯著升高，瘤胃球菌、藤黃微球菌和牛腸球菌等有益細(xì)菌[54]的豐度下降，相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)有害微生物代謝產(chǎn)物對甲苯酚、脂多糖與瘤胃球菌呈顯著負(fù)相關(guān)，與梭狀芽孢桿菌呈顯著正相關(guān)，進一步揭示了高精料組羔羊代謝紊亂與幾種微生物間潛在的關(guān)系，同時微生物菌群代謝產(chǎn)物的變化誘導(dǎo)營養(yǎng)物質(zhì)運輸相關(guān)基因（NHE2、NHE3、MCT1和MCT4）mRNA的表達水平顯著下調(diào)，炎癥反應(yīng)相關(guān)基因（TLR4、MYD88、TNF-α和IL-1β）mRNA的表達水平顯著上調(diào)，說明其腸道黏膜受到損傷，進而影響宿主健康[55]。San?jay等[56]研究了泌乳期奶牛飼料由粗料向精料過渡時，瘤胃厭氧真菌和產(chǎn)甲烷菌的變化情況，結(jié)果表明新麗鞭毛菌門中枝梗鞭菌、瘤胃真菌和厭氧真菌的豐度受飼糧類型的影響較大，尤其是受結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響，而產(chǎn)甲烷菌對飼糧類型的變化呈現(xiàn)出較強的適應(yīng)性；同樣Ma等[57]報道了瘤胃厭氧真菌在高纖維含量飼糧中的富集，原因是瘤胃厭氧真菌通過菌絲入侵植物細(xì)胞壁并通過分泌多糖降解酶來降解纖維類物質(zhì)。有意思的是，共發(fā)生（Co-occurrence）網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果證實了盡管飼糧類型發(fā)生了變化，但不同微生物菌群間存在一定的關(guān)聯(lián)性，如擬桿菌門中的普雷沃氏菌屬、厚壁菌門中的毛螺旋菌以及古菌中的甲烷短桿菌和甲烷球形菌有極強的相關(guān)性，其中甲烷短桿菌和甲烷球形菌可能依賴其他細(xì)菌來滿足其對氫的需求[58]。季節(jié)的變化會影響牧草種類同時也會影響動物飼料攝入的類型，飼料種類及營養(yǎng)價值隨季節(jié)變化而改變，間接導(dǎo)致動物瘤胃微生物區(qū)系的變化。Bergmann等[59]采集美洲野牛從春季到夏季這段時間內(nèi)瘤胃微生物并進行分析，發(fā)現(xiàn)微生物菌群中軟壁菌門的豐度逐漸升高，軟壁菌門能夠優(yōu)先代謝單糖，這可能與美洲野牛在夏季采食的植物含有較高的能量和蛋白質(zhì)有關(guān)，并且排除了部分微生物隨植物定植于野牛瘤胃的可能性，結(jié)果提示微生物群落組成的微妙變化與野牛采食植物的季節(jié)性變化有關(guān)，并且即使健康的動物，微生物菌群結(jié)構(gòu)也并非一成不變，會隨時間的推移表現(xiàn)出顯著的差異。

4.3 飼喂方式

幼齡反芻動物瘤胃微生物的早期發(fā)育與定植對健康至關(guān)重要，可以維持瘤胃內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，刺激免疫系統(tǒng)發(fā)育健全，減少并阻斷病原體的定植，促進營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收[60]；而早期微生物的異常定植會導(dǎo)致動物生長后期發(fā)生代謝和免疫系統(tǒng)疾病[61]。飼喂方式是影響幼畜瘤胃微生物定植的主要因素之一，Bi等[62]報道了哺乳飼喂和人工飼喂的羔羊，其瘤胃微生物定植發(fā)生了顯著區(qū)別，人工飼喂方式下羔羊瘤胃微生物的來源主要是母羊腸道和畜舍環(huán)境，這種方式顯著增加了大腸桿菌和志賀氏菌等病原菌的含量，延遲了瘤胃厭氧環(huán)境和厭氧微生物的建立和定植。眾所周知，大腸桿菌為典型的腸道致病菌能夠附著于胃腸道上皮細(xì)胞并入侵靶細(xì)胞，引發(fā)腸道炎癥、腹瀉、甚至引發(fā)敗血癥等疾病[63]。Le 等[64]研究報道了與人工飼喂相比，母乳飼喂降低了動物結(jié)腸炎和腹瀉的發(fā)生率，可能的原因，一方面母體微生物向新生幼畜的直接傳遞，這部分微生物很快在胃腸道中定植并占據(jù)多數(shù)生態(tài)位，導(dǎo)致大腸桿菌以及其他病原菌的定植減少；另一方面母乳中含有有益的低聚糖、多糖和抗菌蛋白等多種活性成分，能夠刺激雙歧桿菌和乳酸桿菌等有益菌的增殖，抑制病原菌的附著與定植[59]。

4.4 其他因素

瘤胃微生物的定植還受性別、飼養(yǎng)方式和日糧營養(yǎng)水平等因素的影響。我國學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，性別是影響藏羊瘤胃微生物組成即演替的重要因素，在門水平及綱水平上母羊和公羊瘤胃微生物菌群有不同的變化，如隨著日齡的增加母羊瘤胃中擬桿菌門豐度逐漸升高，螺旋體菌門豐度逐漸降低，而公羊瘤胃中厚壁菌門豐度逐漸升高，藍(lán)細(xì)菌門豐度逐漸下降[65]。李娜等[66]基于內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)測序分析不同飼養(yǎng)方式對灘羊瘤胃真菌組成及多樣性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)放牧組羔羊瘤胃中真菌的多樣性顯著高于舍飼組，在門水平上新麗鞭毛菌門的相對豐度顯著高于舍飼組，而在屬水平上舍飼組中的酵母菌屬、赤霉菌屬的相對豐度顯著高于放牧組，提示飼養(yǎng)方式對灘羊瘤胃中真菌組成及定植有顯著的影響。Cui等[67]研究發(fā)現(xiàn)，日糧蛋白質(zhì)及能量水平會對瘤胃微生物的定植產(chǎn)生影響，相比之下蛋白質(zhì)產(chǎn)生的影響作用更為顯著，另外日糧低能量水平顯著提高羔羊的纖維素菌門及丁酸弧菌屬的相對豐度。

5 展望

飼糧是影響瘤胃微生物群落建立的主要因素之一，加上宿主遺傳和環(huán)境因素影響瘤胃微生物群落的演替和不同群落生態(tài)環(huán)境的出現(xiàn)。諸多研究結(jié)果表明反芻動物特定微生物代謝途徑和相關(guān)操作分類單元在提高生產(chǎn)效率和發(fā)展環(huán)保型畜牧業(yè)方面的核心作用，如將乳酸鹽高效轉(zhuǎn)化為丙酸鹽的途徑在高產(chǎn)奶牛和低甲烷排放綿羊、牛中均高度富集。因此，了解并有效調(diào)控瘤胃獨特微生物區(qū)系可能為優(yōu)化畜牧業(yè)、提高反芻動物生產(chǎn)力以及減輕其對環(huán)境的負(fù)面影響開辟新的途徑。但仍然存在以下幾方面需要我們進行思考：①宿主和瘤胃微生物菌群之間的相互作用尚不清楚。未來的研究不僅需要考慮微生物之間的相互作用，還需要考慮微生物代謝產(chǎn)物如何改變宿主細(xì)胞和組織（如瘤胃上皮、肝臟和免疫系統(tǒng)）基因的表達。②開發(fā)和更新微生物的研究手段和方法。微生物-宿主互作是腸道微生態(tài)這個復(fù)雜系統(tǒng)研究的關(guān)鍵，而精準(zhǔn)干預(yù)是我們研究微生物-宿主互作的目標(biāo)。但現(xiàn)有的微生物分析手段和研究方法仍是限制該學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的主要原因，是科學(xué)家亟待解決的瓶頸問題，當(dāng)前有關(guān)畜禽腸道微生物的研究多數(shù)處于大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析階段，而基于因果推理的微生物互作及腸道微生物的精準(zhǔn)干預(yù)只有在人類疾病治療中有相關(guān)報道，其中傅靜遠(yuǎn)團隊的基于雙向孟德爾隨機化分析了人類腸道菌群、短鏈脂肪酸和代謝疾病間的因果關(guān)系[68]，劉洋彧團隊利用結(jié)構(gòu)方程模擬對腸道菌群驅(qū)動物種進行探索[69]，而有學(xué)者將更高級別的反事實診斷算法嘗試應(yīng)用于人類疾病診斷中[70]。但類似的研究方法在畜禽腸道微生物的研究中鮮見報道，基于大數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性分析仍是目前研究的主流方向，同時也是微生物研究由關(guān)聯(lián)分析邁向因果推理的基石，只有這樣才能將關(guān)聯(lián)層面的研究真正轉(zhuǎn)接到因果驗證中，使畜禽腸道微生物的研究邁出一大步。③腸道微生物移植的可行性分析。并非所有腸道微生物移植都能夠達到預(yù)期的效果，原因是忽略了微生物的功能冗余性，微生物生物學(xué)的功能冗余性直接影響其韌性（即生態(tài)恢復(fù)力），宿主原腸道微生物功能冗余性強，則意味著外來物種很難定植，此時腸道微生物移植失敗的可能性增加，因此有必要開發(fā)一種算法計算每個樣本的功能冗余性，樣本功能冗余性與瘤胃微生物供體組相似度越高則認(rèn)為一般的微生態(tài)療法比如瘤胃液移植無法成功。未來的研究應(yīng)該積極從微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中尋找關(guān)鍵菌群，通過調(diào)控這些關(guān)鍵菌群的豐度實現(xiàn)對整個微生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。