近日，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所畜禽健康養(yǎng)殖與農(nóng)牧復(fù)合生態(tài)研究中心反芻動物生態(tài)營養(yǎng)研究團隊在國際微生物生態(tài)學(xué)頂級期刊The ISME Journal（一區(qū)TOP，IF=11.2）發(fā)表了題為Dietary selection of metabolically distinct microorganisms drives hydrogen metabolism in ruminants的研究論文。該研究以具有耐粗飼性狀的湘西黃牛為研究對象，應(yīng)用擴增子和宏基因組測序技術(shù)，結(jié)合體外驗證試驗，揭示了反芻動物瘤胃氫代謝的日糧碳水化合物驅(qū)動機制。
反芻動物可將人類不可食用的植物飼料轉(zhuǎn)化為高營養(yǎng)價值的動物產(chǎn)品，對于確保全球食品安全至關(guān)重要。然而，瘤胃微生物在降解碳水化合物過程中還會產(chǎn)生溫室氣體甲烷，其增溫潛能值是二氧化碳的28倍。反芻動物胃腸道甲烷已成為人類農(nóng)業(yè)活動的最大排放源，受到了國際社會的廣泛關(guān)注。研究表明，日糧碳水化合物結(jié)構(gòu)可改變瘤胃微生物的組成和功能進而影響甲烷生成，其中的氫代謝規(guī)律尚不明晰。
本研究率先解析了在高纖維和高淀粉日糧下，反芻動物瘤胃微生物碳水化合物降解、氫代謝和甲烷生成模式（圖1）。高纖維日糧通過富集以Fibrobacter succinogenes為代表的纖維分解菌群，提高了纖維利用率和乙酸產(chǎn)量，促進了甲烷菌增殖和甲烷生成。乙酸產(chǎn)量增加可來自于被高纖維日糧所富集的氫營養(yǎng)型產(chǎn)乙酸菌，這成為低質(zhì)日糧條件下反芻動物能量高效利用的新策略。高淀粉日糧通過富集以Ruminobacter sp.為代表的淀粉降解菌群和以Megasphaera elsdenii為代表的乳酸利用菌群，進一步激活了以乳酸為中間產(chǎn)物的丙烯酸酯途徑，從而促進丙酸生成，這有助于反芻動物在高淀粉日糧條件下維持瘤胃健康。高淀粉日糧顯著增強了瘤胃發(fā)酵能力，通過抑制甲烷菌增殖減少甲烷生成，導(dǎo)致瘤胃內(nèi)溶解氫濃度累積，進而促進具有呼吸功能的氫營養(yǎng)型細(xì)菌增殖，提高氫能利用效率。以上研究成果進一步深化了對反芻動物瘤胃健康維持和能量獲取模式的理解，為反芻動物氫代謝和甲烷生成機制提供了新見解。
此研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項等項目的支持，亞熱帶生態(tài)所博士生李秋爽和助理研究員王榮博士為本論文共同第一作者，譚支良研究員和王敏研究員為共同通訊作者。
圖1 高纖維和高淀粉日糧條件下反芻動物瘤胃微生物的碳水化合物和氫代謝途徑示意圖