1、动物营养学报，（）：瘤胃微生物与宿主的互作及其对瘤胃上皮发育的影响李科南 杜海东 娜仁花（内蒙古农业大学动物科学学院，呼和浩特）摘 要：瘤胃上皮在挥发性脂肪酸的吸收和代谢中发挥着重要作用，但瘤胃上皮发育的机制尚不清楚。近年来研究报道，瘤胃微生物与宿主存在互作关系，瘤胃微生物可以通过与宿主的相互作用，在瘤胃上皮发育和代谢中发挥作用。然而，瘤胃微生物与宿主相互作用的调节机制在很大程度上是未知的。因此，本文总结了瘤胃微生物与宿主互作以及其促进瘤胃上皮发育的最新研究成果，以期从瘤胃微生物与宿主互作角度，分析瘤胃上皮发育机制，为进一步了解瘤胃上皮发育过程中瘤胃微生物与宿主之间的关系研究提供理论依据。关键
2、词：瘤胃上皮；瘤胃微生物；宿主；互作中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：内蒙古农业大学动物科学学院双一流学科建设项目（）作者简介：李科南（），男，河北邢台人，博士研究生，从事动物环境与营养的研究。：通信作者：娜仁花，教授，博士生导师，：众所周知，对于反刍动物来说，瘤胃对机体新陈代谢、免疫和健康都很重要。瘤胃中栖息着复杂、多样和非致病的各种微生物，包括原核生物（细菌、产甲烷菌和噬菌体）和真核生物（原虫和真菌）。这些微生物通过分泌胞外酶，分解纤维素和半纤维素等反刍动物不能直接利用的物质，产生挥发性脂肪酸（，）、菌体蛋白和 族维生素，为宿主生存提供所需要的能量和营养。同时，瘤胃
3、作为一个天然的生物反应器，为这些微生物的生存繁殖提供了适宜条件。瘤胃上皮是宿主和微生物之间相互作用的独特场所，对宿主营养代谢、能量循环和免疫应答等起着关键作用。有研究表明，瘤胃早期微生物群落组成和组织发育状况影响其后续微生物演替过程及宿主表型。因此，深入了解幼龄反刍动物瘤胃上皮发育机制，不仅有助于对瘤胃精准调控，而且对反刍动物后期生长和健康也有深远影响。幼龄反刍动物瘤胃上皮发育受饲粮类型、内分泌等多方面因素的影响。此外，瘤胃上皮发育还受瘤胃微生物与宿主之间信号交流和代谢作用的交互影响，而新生反刍动物瘤胃上皮组织发育不完善，随着日龄的增长和固体饲料采食的增加，瘤胃上皮发育逐渐成熟。这一发育过程不
4、仅对机体有着深远影响，而且被当作一种独特的模式系统来研究微生物代谢物宿主基因的相互作用。沙玉柱利用荧光定量（）和 测序技术全面分析了冷季放牧藏绵羊瘤胃内环境变化特征，发现瘤胃微生物宿主基因表达之间存在交互作用，瘤胃微生物群落结构的改变，会导致 含量、瘤胃上皮形态结构和相关基因的表达发生变化，从而揭示了藏绵羊在冷季的特殊适应性。等研究发现，断奶前牦牛饲喂开食料或苜蓿干草可影响瘤胃微生物宿主之间的相互作用，进而调控断奶前牦牛瘤胃上皮发育和胰腺消化酶分泌及活性。然而，对瘤胃微生物宿主之间的相互作用及其调节机制的研究较少，比如瘤胃微生物与瘤胃上皮之间通过哪些信号交流，这些信号物质又是如何通过影响瘤胃上
5、皮功能基因动 物 营 养 学 报 卷表达、促进瘤胃上皮细胞生长并不明确。因此，本综述对瘤胃微生物与宿主互作以及其促进瘤胃上皮发育的最新研究成果进行了整理，为进一步了解瘤胃上皮发育过程中瘤胃微生物与宿主之间的关系研究提供理论依据。瘤胃微生物与宿主互作 在人类胃肠道中，微生物与宿主的相互作用是明确的，因为它们对宿主的健康有着巨大的影响。但关于反刍动物瘤胃微生物宿主相互作用的调节机制在很大程度上是未知的。深入了解幼龄反刍动物瘤胃上皮发育过程中微生物宿主之间的相互作用，有助于以后通过早期干预手段提高反刍动物的健康水平和饲料利用率。宿主对瘤胃微生物的影响 幼畜在出生后瘤胃微生物立即开始定植，最初由需氧和
6、兼性厌氧微生物组成，在 周龄时被厌氧类群完全取代，并逐渐形成一个稳定的瘤胃群落。在门水平，新生反刍动物瘤胃中变形菌门（）是最优势菌门，其次是拟杆菌门（）和厚壁菌门（）。随着日龄的增长，拟杆菌门很快替代变形菌门成为最主要的菌门。周龄后，瘤胃微生物群落在门水平上不再出现明显的时间变化，但在属水平某些细菌的相对丰度仍有变化。例如，普雷沃氏菌属（）在犊牛 周龄时为优势菌属，而在 周龄时拟杆菌属（）替代普雷沃氏菌属成为优势菌属。早期研究还发现，产甲烷菌在羔羊出生后 内就开始在瘤胃内定植，其丰度随着年龄的增长而提高，在出生后 达到成年反刍动物的丰度。然而，随着分子技术的发展，发现产甲烷菌在新生奶牛出生后
7、就可以 检 测 到 瘤 胃 内 、和的定植。相比于细菌和产甲烷菌，厌氧真菌和原虫在幼龄反刍动物瘤胃的定植时间较晚。例如，以 为主的厌氧真菌在出生后 出现，原虫在幼龄反刍动物的瘤胃中通常可在产后 内发现。这些结果表明，宿主日龄是影响细菌群落定植的因素之一。然而，由于原虫主要依赖唾液进行传播，因此，假如新生反刍动物不与成年动物接触，瘤胃原生动物就无法建立。此外，反刍动物出生后，瘤胃经历了非反刍阶段（从出生到 日龄）、过渡阶段（日龄）和反刍阶段（日龄以后）的生理变化。从非反刍阶段过渡到反刍阶段的过程是微生物与瘤胃共同发育的关键阶段。在瘤胃早期发育过程中，犊牛瘤胃微生物群落的组成存在明显的异质性，瘤胃
8、发育过程显著影响瘤胃细菌多样性。这主要是由于瘤胃的解剖结构发生了实质性的变化，随后生理功能和代谢功能发生了变化。如微生物产生的 对瘤胃乳头的大小和形状有影响，这些瘤胃乳头状结构影响微生物的定植，因为它们为某些瘤胃微生物提供了生态位环境。瘤胃微生物定植后，瘤胃与微生物群落之间的功能协同发育。然而，早期瘤胃发育过程中微生物群落的改变是否导致了宿主的功能变化，或者这些变化是否是宿主生理变化的结果，目前还没有定论，因为缺乏验证模型系统来验证它们之间的关系。最近有研究利用转录组和宏基因组测序技术探究山羊从出生到断奶瘤胃壁基因表达和瘤胃微生物之间的动态变化和相互作用，发现瘤胃的功能建立（第 天的免疫反应阶
9、段和第 天的营养代谢阶段）和微生物群落的演替（第 天的细菌素生物合成阶段和第 天的糖酵解活性阶段）均可分为 个阶段，瘤胃的功能建立在第 天的转变早于微生物的转变（第 天）和颗粒料的引入（第 天），说明瘤胃功能建立的第一阶段可能经历了不依赖饲粮和微生物刺激的程序化过程；由于第 天后饲粮逐渐摄入，瘤胃微生物由以蛋白质水解菌为主转变为以淀粉水解菌和纤维水解菌为主；此外，宿主免疫应答功能持续调节瘤胃微生物群落的定植，对瘤胃进化的新基因抗菌能力验证结果显示 防御素（）和溶菌酶（）这 个新基因具有特异性调控微生物群落的功能，以上结果表明瘤胃微生物群的转换是由饲粮和宿主共同调控的。越来越多的证据表明，宿主基
10、因对瘤胃内微生物数量有重要影响，然而，我们目前对这种影响的程度和潜在机制的理解仍然不完整。等对来自不同地理位置的 只动物瘤胃和前肠道样品采用 基因扩增子测序发现，普雷沃氏菌属、丁酸弧菌属（）、瘤胃球菌属（）、未分类毛螺菌科（）、瘤胃球菌科（期李科南等：瘤胃微生物与宿主的互作及其对瘤胃上皮发育的影响）、拟 杆 菌 目（）和 梭 菌 目（）在瘤胃中富集程度更高，可能代表瘤胃核心微生物群，虽然他们认为饲粮是瘤胃微生物组组成的主要驱动因素，但他们也发现了不同反刍动物中某些细菌种群的相对丰度存在一些差异，如：与牛相比，未分类韦荣球菌科（）在绵羊、鹿和骆驼中比例更丰富，这可能与瘤胃和骆驼前肠大小、解剖结构
11、和饲养频率的差异有关，这些类群因宿主的不同而不同，从而解释了瘤胃微生物群的宿主特异性。这种微生物对宿主特异性似乎不仅局限于瘤胃细菌，而且还包括古菌和原虫在内的微生物群落中也出现过。等研究表明，在高效和低效荷斯坦奶牛之间全部交换瘤胃内容物后，宿主能够使瘤胃细菌群落恢复到原来的状态。同样，水牛和娟姗牛在相似的饲养条件下对微生物群进行比较，发现水牛和娟姗牛之间的细菌、原虫和古菌存在差异。这表明瘤胃微生物群在一定程度上受宿主遗传的控制，而关于宿主遗传学在为特定微生物类群建立特定生态位方面的作用的机制方面的研究较少。瘤胃微生物组组成的差异除了宿主基因组学以外还存在的其他因素，包括早期饲养管理和一些品种的
12、牛（如比利时蓝牛）剖宫产。宿主免疫系统在瘤胃微生物群中发挥重要作用，例如，分泌型免疫球蛋白 不仅有利于肠道中的共生细菌生长，而且已被证明可以影响瘤胃细菌。瘤胃微生物对宿主的影响 瘤胃微生物群一旦建立，与宿主相关的共生菌群对宿主的代谢和健康起着重要的作用。大多数关于瘤胃微生物对宿主影响的研究主要以成年反刍动物为试验对象，报道了瘤胃微生物种类和丰度与饲料效率、甲烷排放、产奶量以及亚急性瘤胃酸中毒的相关性。然而，关于幼龄反刍动物瘤胃发育过程中微生物对宿主影响的研究较少。在哺乳动物出生期间和出生后，瘤胃迅速定植的微生物与宿主不断地相互作用，以维持新陈代谢和健康。尽管关于早期瘤胃微生物群落定植过程的知识
13、不断积累，但瘤胃微生物定植对反刍动物瘤胃组织发育的重要性在很大程度上是未知的。等通过对瘤胃微生物宏基因组测序和宿主转录组综合分析，探究犊牛从出生到 周龄瘤胃微生物组成及其对瘤胃早期发育的影响，发现普雷沃氏菌属、瘤胃球菌属、链球菌属（）和梭菌属（）等菌属是瘤胃优势菌属，并与瘤胃上皮形态发育、蛋白质定位和转运等功能显著相关。此外，观察到的瘤胃中高异质性和低丰富度的产甲烷菌表明，在断奶前的犊牛瘤胃中，产甲烷菌群落正在建立但不稳定，很容易通过饲粮改变。因此，通过断奶前饲喂策略对犊牛早期瘤胃产甲烷菌的改变，可以促进微生物发酵，减少瘤胃产甲烷菌。杨斌研究发现，在开食料基础上加苜蓿提高了断奶前羔羊瘤胃中丁酸
14、弧菌属的丰度，丁酸弧菌属是瘤胃中主要的产丁酸菌，而丁酸可以促进瘤胃上皮发育。断奶后，开食料基础上加苜蓿提高未分类的梭菌目（）和未分类的艰难杆菌科（）的相对丰度，促进瘤胃纤维消化的能力，同时这 种细菌与血液中 羟丁酸呈正相关，所以这 种细菌相对丰度增加有助于提高瘤胃功能。此外，瘤胃上皮组织附着细菌与宿主保持密切联系，虽然其占瘤胃微生物总数的比例不到，对 产量的贡献也很低，但它们是与宿主直接相互作用的微生物，在瘤胃上皮发育和免疫功能（炎症和屏障功能）中发挥作用。迄今为止，与瘤胃液体和固体相关微生物相比，瘤胃上皮微生物群落在反刍动物生理中的作用一直被低估，研究也较少。虽然推测瘤胃上皮微生物功能作用与
15、清除氧气、尿素分解、组织更新和屏障功能有关，但对该群体的认识仍然非常有限。最近的研究表明，瘤胃上皮微生物比瘤胃内容物相关的群落更多样化。通过 分析，等从 个不同的研究中确定厚壁菌门（）、变形菌门（）和拟杆菌门（）为瘤胃上皮门水平核心微生物群，弯曲菌属（）（）、普雷沃氏菌属（）、克 里 斯 滕 森 菌 科 群（）（）、丁 酸 弧 菌 属（）和奈瑟氏菌科（）中未培养的一个属（）为瘤胃上皮属水平核心微生物群；此外，甲烷短杆菌（）和 是核心产甲烷菌。越来越多的研究报道，瘤胃微生物群落在宿主免疫系统发育过程扮演重要角色，瘤胃微生物群落结构及代谢产物的改变影响宿主瘤胃上皮免疫调控网络。样受体（，）动 物
16、营 养 学 报 卷基因家族是目前单胃动物中研究最为深入的一种微生物模式识别受体。它们通过与特定的共生菌配体结合，抑制消化道上皮炎症反应，进而维持消化道的免疫稳定。同时，基因家族也是瘤胃上皮维持对共生菌免疫耐受的重要调控元件，它们表达量和表达活性的改变伴随着上皮细胞形态的成熟和微生物定植而发生。这说明 基因在调节宿主免疫和定植微生物群落之间的互作方面发挥着关键作用，但目前并不了解 的表达水平在多大程度上对瘤胃微生物的定植模式起作用。陈战研究发现，非纤维性碳水化合物引起的瘤胃微生物群落中特定共生菌数量的增加促进了瘤胃上皮 信号的增强，进而抑制瘤胃上皮炎症反应，促进瘤胃上皮对其微生物群落的免疫耐受性。等研究表明，耐酸中毒牛与酸中毒敏感牛相比，瘤胃上皮细菌多样性不同，且耐酸中毒牛瘤胃上皮中 和 的表达更高，提示亚急性瘤胃酸中毒的易感性可能与上皮组织的免疫活性有关，该免疫活性是由瘤胃上皮微生物诱导的。激活的瘤胃上皮免疫系统可能会减少严重炎症恢复时对能量的需求，最终提高宿主动物的饲料效率。此外，微生物产物如脂多糖（）和微生物相关分子模式（，）可能会刺激与免疫活性相关的基因表达，然而，目前关于瘤胃上
