反芻動物瘤胃內普雷沃氏菌的研究進展

張 潔， 張力莉， 徐曉鋒

（寧夏大學農學院，寧夏銀川 750021）

瘤胃是牛、羊等重要的消化代謝器官，其中所包含的瘤胃微生物則決定著營養物質被利用的效率，反芻動物將碳水化合物、蛋白質、脂質多以短鏈揮發性脂肪酸的形式進行吸收，并以這種方式供給機體所需能量的70%～80%。瘤胃微生物還可通過將劣質的植物性蛋白轉換為較優質的菌體蛋白，將優質的動物性蛋白轉化為菌體蛋白，來調控其蛋白質的生物學效價。轉化后的微生物菌體蛋白隨食糜進入到小腸后被吸收，為動物機體提供營養物質。瘤胃內微生物主要由細菌、厭氧真菌、古細菌、原蟲組成，其中以細菌豐度最高，從屬水平上分析，基本上所有的反芻動物瘤胃細菌群落中的優勢菌屬均為擬桿菌門的普氏菌屬（Bowen 等 ，2018；Wang 等 ，2017；Pitta 等 ，2014；Huo等，2014； Jami等，2013）。 普雷沃氏菌（Prevotella）是瘤胃中最具代表性的細菌屬（Henderson等，2015），在瘤胃微生物中占據著重要的地位。

1 普雷沃氏菌的分類及生長條件

1.1 普雷沃氏菌的分類 普雷沃菌在分類水平上屬于擬桿菌門、擬桿菌綱、擬桿菌目、普雷沃氏菌科，已從許多環境中分離出來，包括人類口腔（Downes等，2010）、人類皮膚膿腫（Sakamoto 等，2007）和土壤（Ueki等，2007）等。 普雷沃菌也普遍存在于食草動物和雜食動物的瘤胃和胃腸道內。Bryant等（1958）最初描述了用于建立瘤胃普氏菌群的細菌分離株，根據對血紅素的營養需求，初步分為兩個亞種，即Bacteroides ruminicola subsp.ruminicola（type strain 23）和B.ruminicola subsp.brevis（type strain GA33）。

1.2 普雷沃氏菌的生長條件 普雷沃氏菌為多形態桿菌，不產芽孢，不運動，嚴格厭氧。營養方式為化能有機營養，具有中等的糖分解能力，在葡萄糖肉湯中生長時容易形成光滑或線狀的沉淀，最低生長pH可達4.5。葡萄糖的利用率為30%～39%。盡管普雷沃氏菌分解糖的能力弱于擬桿菌屬，但普雷沃氏菌在富含氨基酸和小肽的條件下均能生長（Shah 等，1990）。

乙酸和琥珀酸及少量的異丁酸、異戊酸和乳酸是普雷沃氏菌的主要發酵產物。其最適生長溫度為37℃，但有些菌株在25℃或47℃也能夠生長。具有較弱的氨基酸利用能力，吲哚試驗呈陰性（Hayashi等，2007）。

2 普雷沃氏菌在瘤胃中的功能

2.1 普雷沃氏菌對碳水化合物降解的作用 碳水化合物是牛、羊所需營養物質的重要來源，動物機體對于碳水化合物的消化吸收能力會直接影響畜產品的產出和動物機體的健康狀況。而瘤胃中廣泛存在著降解和利用淀粉的普雷沃氏菌，其雖不能直接降解纖維素，但通過共培養普雷沃氏菌與纖維降解菌可有效地利用木聚糖和果膠（Rosenberg，2014）。普雷沃氏菌不僅含有高活性的半纖維分解菌（Kamra等，2005），還可對半纖維素的降解起作用，且對于非結構性的碳水化合物降解具有重要的作用 （Purushe等，2010；Bekele等，2010）。普雷沃氏菌對牛、羊消化和利用淀粉、木聚糖和果膠同樣發揮著不可忽視的作用（Schofield 等，2018；Mcgregor等，2016；Matsui等，2000）。此外，普雷沃氏菌具有降解植物細胞壁的作用（Bekele等，2010）。纖維消化率的高低也會影響普雷沃氏菌屬在瘤胃內的豐度（周美麗，2016）。王祿祿（2017）發現Prevotellaceae_UGG_001、Prevotellaceae_UGG_003這兩個菌屬會隨著山羊采食日糧中中性洗滌纖維（NDF）水平的升高豐度呈現出遞增的變化規律，也有研究證明這兩種菌屬于普雷沃氏菌科，通過與纖維的共培養后發現，該菌可間接地促進反芻動物對纖維的降解（Morotomi等 ，2009；Schwingel 等 ，1996）。 在 Zhao 等（2017）對小公犢牛糞便群落的研究中同樣發現，纖維消化率高低會影響這兩個菌在瘤胃中的豐度。綜上可知，普雷沃氏菌通過直接或間接的方式對牛、羊瘤胃消化吸收碳水化合物發揮著作用，而普雷沃氏菌在瘤胃內的豐度可間接反映動物機體對碳水化合物的消化水平。

2.2 普雷沃氏菌對蛋白質降解的作用 布氏普雷沃氏菌、普雷沃氏短桿菌和棲瘤胃普雷沃氏菌等均屬于普雷沃氏菌科，這幾種菌均具有蛋白酶活性和纖維素酶基因（Kopecny等，2003）。同樣，Rosenberg（2014）報道稱普雷沃氏菌具有分泌蛋白酶的活性。徐愛秋等（2010）研究特定氨基酸缺省對蛋白質降解的影響時發現，棲瘤胃普雷沃氏菌是蛋白質降解菌的一種。此外，Xu和Gordon（2003）的研究結果表明，棲瘤胃普雷沃氏菌是牛、羊瘤胃中的蛋白質降解菌。以上研究表明，普雷沃氏菌對于蛋白質的降解發揮著積極的作用，瘤胃內較高的普雷沃氏菌豐度可提高蛋白質的降解利用水平。

2.3 普雷沃氏菌對瘤胃內環境的改善作用 瘤胃內環境具有一定的自我調節能力，使瘤胃內維持動態的平衡狀態，而其中的瘤胃微生物對于穩態的維持發揮著不可忽視的作用。普雷沃氏菌作為瘤胃優勢菌屬，Chiquette 和 Allison（2012、2008）在高產奶牛上對其進行試驗，以評價其預防亞急性酸中毒的作用。研究結果表明普雷沃氏菌雖然對預防瘤胃酸中毒無效，但可以改善瘤胃內環境（Fraga等，2018）。由此可知，普雷沃氏菌在瘤胃內的存在不僅具有營養方面的作用，可能同樣對動物機體瘤胃內環境的調節發揮著作用。

3 瘤胃普雷沃氏菌豐度及變化

3.1 瘤胃普雷沃氏菌豐度 普雷沃氏菌在反芻動物瘤胃內豐度頗高，據報道普雷沃氏菌屬可達瘤胃微生物總量的42%～60%（Stevenson等，2009）。伊福泉等（2018）在飼用不同精粗日糧的雷州山羊試驗中發現，瘤胃微生物細菌菌群中普雷沃氏菌_1屬和Rikenellaceae-RC9gutgroup豐富度最高，約占所有菌屬的62.88%。同樣，韓旭峰（2015）在研究110日齡陜北白絨山羊瘤胃微生物時發現，屬水平上占比例最高的為未分類瘤胃細菌，其次以普雷沃氏菌和理研菌為主要細菌。林波等（2016）的研究結果同樣表明，普雷沃氏菌為水牛瘤胃中主要優勢菌。此外，胡丹丹等（2018）以及郭婷婷等（2018）研究發現，泌乳早期奶牛瘤胃普雷沃氏菌屬占瘤胃總細菌豐度的56.05%與51.48%，未注釋的瘤胃普雷沃氏菌屬占3.85%與2.51%，同樣為奶牛瘤胃優勢菌屬。以上研究均表明，在牛、羊瘤胃內普雷沃氏菌具有較高的豐度，以其絕對的優勢存在。

在不同的動物體瘤胃中，菌群具有其特異性和共有性。在Jami等（2012）的研究中發現，動物個體即使不同但細菌在分類上仍存在有半數以上的相似性，其中普雷沃氏菌屬的數量最多，但對于該菌具體的種類、數量、分布及未被培養的菌株作用，目前在本研究領域內都還處于未知階段。在不同物種、不同生長條件、不同生長階段的牛、羊瘤胃中，普雷沃氏菌存在的具體含量可能存在細微的差別，但與其他菌種相比仍均具有極大的優勢，為牛、羊瘤胃內細菌菌群的主要優勢菌。

3.2 瘤胃普雷沃氏菌豐度的變化 Ellison等（2017）及 Granja-Salcedo 等（2016）研究表明，日糧中粗蛋白質、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的差異和瘤胃內pH均會造成牛、羊瘤胃內普雷沃氏菌物種和豐度的差異。 同樣，Jami等（2012）發現，當日糧中的纖維和淀粉含量發生改變時，哺乳奶牛瘤胃細菌群落中屬水平上豐度最高為普雷沃氏菌，而普雷沃氏菌所屬的擬桿菌門在門分類水平上豐度最高達51%。Pitta等（2014）研究發現，當給水牛飼喂100%粗飼料時，纖維桿菌屬和球菌屬細菌要顯著高于精料與粗飼料比例為1∶1時，并且普雷沃氏菌屬數量是最多的。但Carberry等（2012）報道稱飼喂草料的小母牛比飼喂高精料小母牛瘤胃普雷沃氏菌更豐富，可能原因是普雷沃氏菌目前沒有系統的分類，具體菌屬的豐度變化不清。由上述一系列研究可知，采食日糧的精粗比對于瘤胃區系中普雷沃氏菌的豐度具有明顯的影響作用，但具體的機理目前鮮有報道。

日糧是影響牛、羊瘤胃微生物菌群的最關鍵因素，所以目前瘤胃微生物多樣性的研究和報道主要集中在不同粗飼料種類和日糧的精粗比方面。魏園（2018）發現不同粗飼料源日糧同樣會對瘤胃微生物區系產生明顯的影響。徐俊等（2015）研究稻草、苜蓿草、燕麥草和羊草4種不同粗飼料種類組成的日糧對奶牛瘤胃細菌菌群結構的影響，結果顯示不同的粗飼料類型對瘤胃細菌的作用不同，稻草組和苜蓿組擬桿菌門的豐度顯著高于燕麥草組和羊草組，其中燕麥草組豐度最低；在屬水平上，能夠降解纖維的普雷沃氏菌屬和纖維桿菌屬仍為各處理組奶牛瘤胃細菌的兩大優勢菌屬，各處理組中相對豐度最高的菌屬仍均為普雷沃氏菌屬。由此可知，采食日糧中不同的粗飼料來源會對普雷沃氏菌在瘤胃內的豐度產生影響，可能與不同粗飼料結構組成及營養成分含量有關。

牛、羊日糧中能量和蛋白質的消化吸收與瘤胃微生物的生長存在著緊密的聯系 （Walker等，2005；Clark 等，1992），但據 Cecava 等（1990）報道可知，日糧不同的能量水平對瘤胃細菌菌群結構的組成影響較小。王堯悅（2017）研究日糧蛋白質水平對瘤胃微生物的影響發現，隨著日糧蛋白質水平的提高，屬水平上的棲瘤胃普雷沃氏菌（P.ruminicola）發生了顯著的變化，普雷沃氏菌屬的數量呈現線性增長的趨勢。據此可知，采食日糧中的蛋白質水平會影響牛、羊瘤胃內普雷沃氏菌的豐度，與蛋白質水平呈正相關，這可能與普雷沃氏菌具有分泌蛋白酶的活性有關。

菌群區系的穩定取決于多種因素，普雷沃氏菌的豐度同樣受到多種因素的作用。不同的動物品種、不同生理周期、不同的健康狀態也會使菌群存在差異（張為鵬等，2007）。普雷沃氏菌作為瘤胃優勢菌屬，其種類和含量也會發生顯著的變化。在添加抗生素維吉尼亞霉素后，會導致肉牛瘤胃中的蛋白降解菌和淀粉降解菌數量產生明顯的下降（Poudel等，2018；郭同軍等，2009），普雷沃氏菌作為蛋白降解菌和淀粉降解菌的一種，豐度相應產生變化。氨濃度過高也同樣會限制普雷沃氏菌的生長（Kim 等，2017），徐愛秋等（2010）研究不同的特定氨基酸缺省對蛋白降解菌的影響時發現，對棲瘤胃普雷沃氏菌的生長限制性作用 （相對于全量氨基酸組）排序為支鏈氨基酸＞芳香族氨基酸＞蛋氨酸＞賴氨酸。另外，魏園（2018）研究發現，普雷沃氏菌屬對濃縮的單寧具有耐受性，且張梅梅（2015）研究發現，日糧中添加不同水平單寧后雷沃氏菌顯著低于未添加組；添加聚乙二醇（PEG）后普雷沃氏菌顯著高于2%和6%單寧添加組，牛羊進食日糧中單寧的存在對普雷沃氏菌的相對豐度亦會有一定的影。近年來，研究發現功能性寡糖具有調控動物胃腸道微生物生長和改變微生物區系組成的作用，郭成等（2018）研究發現，泌乳早期奶牛日糧中添加異麥芽糖（60 g/頭·天），瘤胃普雷沃氏菌屬具有增加的趨勢。添加寡糖的種類不同，對菌群影響結果不同。胡丹丹等（2018）以及郭婷婷等（2018）研究結果表明，泌乳早期奶牛瘤胃普雷沃氏菌屬并未發生顯著性變化。綜上可知，普雷沃氏菌豐度會因動物機體自身因素、日糧成分和添加劑變化、抗生素的使用情況、動物機體氨基酸及抗營養因子的存在等多種因素而發生變化，不同的影響因素所帶來的結果不盡相同，但具體的作用機理尚不明確。

4 展望

普雷沃氏菌是奶牛瘤胃優勢菌屬，同時也存在多樣性，目前普雷沃氏菌生長和功能機理未能完全的探究清楚，今后的研究將趨于利用微生物學、生態學、分子生物學、組學等綜合技術，從普雷沃氏菌培養條件方法、互作效應功能機理等方面著手，進行普雷沃氏菌群功能的深入探索。