反芻動物剩余采食量在瘤胃功能上的差異和相關分子生物學機制

和東遷 陶金忠

(寧夏大學農學院，銀川750021)

提高動物飼料效率可以增加維持營養代謝能、生產性能和經濟效益。在養殖行業常用動物的飼料轉化率評估飼料效率，然而在生產實際中不同體型和生長速度的動物之間飼料效率存在差異，無法用料重比來衡量。因此，在1963年Koch等[1]采用了一種在恒定增重和中等體重條件下的飼料消耗量或具有相同的預期增重和維持能量需求的飼料消耗量來評估飼料效率。目前，剩余采食量(residual feed intake，RFI)被廣泛用于評價飼料效率，它是生產中實際采食量和根據動物生產(即生長、產奶、仔畜生產等)和體況維持的預期采食量之間的差值來計算，低RFI的動物消耗飼糧更少，效率更高；而高RFI的動物效率則更低。家畜的飼料成本在畜牧業生產成本中占總成本的60%～70%，提高飼料效率對動物養殖經濟效益變得尤為重要[2]。在生產實踐中選育低RFI動物不僅可以降低生產成本，還可以減少因甲烷及糞便排放引起的環境污染，特別是在飼料成本上升或家畜價值下降的時期，選擇更高效的種畜可以極大地保持經濟效益。

反芻動物瘤胃中含有大量的微生物，對飼料消化起到了至關重要的作用，與瘤胃微生物相關的一些生物途徑可以顯著影響宿主的能量代謝和生長性能，反過來宿主為微生物繁殖提供了一個富含底物的環境。揮發性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)是瘤胃發酵產生的主要產物，也是反芻動物能量利用的主要能源物質，占總能需求的80%[3]。瘤胃上皮吸收和代謝短鏈脂肪酸能力的差異可能與飼料效率的差異有關，因此通過研究不同RFI反芻動物在瘤胃功能上的生物學基礎，發現差異微生物或差異表達基因對養殖生產有重大的指導意義。目前，RFI在反芻動物的研究主要集中在影響RFI的生理學基礎、RFI遺傳與變異和甲烷的排放[4]。本文綜述了近年來RFI與瘤胃上的功能差異和分子生物學研究，從瘤胃功能上為反芻動物提高飼料效率和分子選育提供理論基礎。

1 RFI計算模型

RFI的計算模型是通過維持能量(代謝體重)與生產性能(日增重、產奶量)來預測采食量的一種線性模型。根據RFI模型，驗證其模型方程的截距是否顯著，若截距顯著，則可根據該模型計算預期采食量。目前主要有4種RFI預測模型。

第1種最初是由Koch等[1]提出：

Yi=β0+β1ADGi+β2MWTi+ei。

式中：Yi為動物i的干物質預期采食量；β0為模型回歸截距；β1為平均日增重(ADG)的干物質采食量(DMI)偏回歸系數;β2為中期體重(MWT)對DMI的偏回歸系數；ei為動物i對DMI中的隨機誤差，下同。

第2種是澳大利亞肉牛飼料效率估計模型：

Yi=β0+β1ADGi+β2MMWTi+ei[5]。

式中：MMWTi為平均中期代謝體重。

第3種是法國綿羊預測模型，增加了體況預測因子：

Yi=β0+β1ADGi+β2Wmid-test,i+β3FD+β4MD+ei[6]。

式中：Wmid-test為中期體重；FD為背部脂肪厚度；MD為第12到13肋骨間肌肉深度。

第4種是澳大利亞飼養標準預測模型，該模型包括維持所需的凈能(NERm)和中期體重所需的凈能(NERg)[7]：

NERg={EBG×[(20.3-R)/1+exp(2.4-6P)]+

(6.7+R)}/Kg。

式中：EBG為空腹體重(EBG=0.92×ADG)；R為體重的增減量[R=250×EBG/(SRW0.75)-1，SRW為標準體重=77]；P為生長階段(P=ALW/SRW，AWL為中期平均體重)；Kg為代謝能效率(Kg=0.042×M/D+0.006，M/D為干物質飼料能量密度，下同)。

NERm=K×0.28×ALW0.75×exp(-0.03A)/Km+0.1×NERg)。

式中：K=1(山羊或綿羊)；A為年齡；Km為維持代謝能效率(Km=0.5+0.02M/D)。

所需的總能=NERm+NERg，然后根據能量含量換算成干物質采食量即RFI預測值。然而一些影響RFI差異的因素沒有被考慮進去，如遺傳、環境和測量誤差。同樣一些動物生物學過程也可造成RFI表型的差異，如飼料消化、甲烷的排放、飼喂過程、熱增耗、代謝過程、奶牛泌乳階段、運動和動物體況等[8]。Olijhoek等[9]通過動物運動和甲烷產量作為能量消耗建立新的剩余采食量表型模型，結果發現該模型對RFI差異影響很小。Li等[10]發現忽視泌乳階段造成奶牛RFI的錯誤評估。因此在模型建立之初，應考慮上述能量損耗是否影響RFI或者能量損耗較低對生產可以忽略不計。此外，應在相同的遺傳水平動物和試驗環境條件下，盡可能地減小由試驗所帶來的誤差。

2 不同RFI動物與瘤胃功能之間的差異

2.1 RFI與瘤胃發酵參數的關系

瘤胃pH是瘤胃功能的重要參數，與飼糧種類和飼料效率有直接關系[11]。瘤胃內微生物最適pH為6.46～6.80，偏低或偏高都會影響瘤胃微生物的豐富度和活性[12]。Liang等[13]根據瘤胃微生物豐度和發酵參數的研究表明，低RFI個體瘤胃pH更低，并且低RFI個體瘤胃環境比高RFI個體更穩定。然而也有研究發現RFI差異對瘤胃pH影響不明顯[14-15]。

VFA是宿主微生物發酵和瘤胃上皮吸收的重要參數，是衡量動物的飼料效率重要指標。VFA對動物體代謝最為重要的有直鏈乙酸、丙酸和丁酸，乙酸、丙酸、丁酸占瘤胃發酵VFA總產量的70%～75%[16]。Guan等[17]研究發現，低RFI奶牛瘤胃內總VFA含量有增加的趨勢，其中丁酸鹽和戊酸鹽含量顯著升高，丁酸鹽能在瘤胃壁上轉化為酮體和β-羥丁酸，它們是許多組織非常重要的能源物質，因此在低RFI條件下奶牛飼料效率更高。Hernandez等[18]發現異戊酸鹽在高RFI牛中的比例顯著高于低RFI牛，直鏈VFA與支鏈VFA比例顯著降低。Mcdonnell等[19]對比了3種飼糧對飼料效率差異的影響，發現只提供青貯飼料時，低RFI牛瘤胃乙酸與丙酸比例更高，但放牧和精粗比為3∶7的全混合日糧條件下不存在差異。能量代謝在不同RFI肉牛中存在顯著差異，微生物發酵產生的底物直接參與了宿主的能量代謝，這可能與RFI的差異有關[20]。綜上所述，低RFI動物瘤胃pH較低，瘤胃環境更穩定，含有較高含量的丁酸、乙酸和丙酸，但飼料差異也是影響低RFI動物瘤胃發酵參數的因素之一。

2.2 RFI與甲烷的排放

反芻動物中87%的甲烷主要在瘤胃中產生，甲烷消耗能占攝入總能量的5%～10%[21]，胃腸道產生的甲烷排放是反芻動物可消化能量損失的重要途徑。據估計反芻動物生產的甲烷占溫室氣體總量的近6%[22]，因此減少瘤胃甲烷的產生可提高反芻動物的飼料轉化率并且可降低環境污染。反芻動物個體甲烷產量差異與瘤胃微生物甲烷菌有關，Ellison等[23]發現采用青貯料飼喂羔羊時，史氏甲烷短桿菌(Methanobrevibactrsmithii)在低RFI羊瘤胃中豐度更高，但可以降解甲烷的菌種，如Mitsuokellajalaludini豐度并沒有發現與RFI有顯著差異。而Zhou等[24]發現不管在高精料或高粗料飼喂時，史氏甲烷短桿菌和瘤胃甲烷短桿菌(Mitsuokella.ruminantium)在高RFI牛瘤胃中豐度更高，這似乎更符合理論事實。Hegarty等[25]在安格斯肉牛研究中以大麥為基礎飼糧，采用育種值(EBV)估計RFI模型，來量化RFI與日產甲烷率(MPR)之間的關系，發現低RFI牛MPR較低，相比同代牛中高RFI牛甲烷產生量減少了25%，并且甲烷效率也較低。Muro-Reyes等[26]利用總能量攝入和干物質攝入估算甲烷排放，低RFI山羊甲烷排放量比高RFI少19%，表明低RFI山羊在不影響生產參數的情況下減少了甲烷排放。在奶牛的研究中也報道同樣的結果，RFI較低的動物，其DMI往往較低，飼料轉化率也較高，甲烷排放量也較低[27]。這說明在低RFI的反芻動物中甲烷產生量更少，甲烷效率低，使得低RFI的牛能量損耗更低。但Flay等[28]在以苜蓿為基礎飼糧的研究中，發現RFI差異不會影響MPR，低RFI奶牛甲烷效率(MY)更高，造成這種結果可能是苜蓿影響了奶牛瘤胃甲烷菌的活性，進而使MY增加。Mcdonnell等[19]研究發現，DMI、代謝體重(BW0.75)、MPR和相對于代謝體重甲烷產量在低RFI牛和高RFI牛之間沒有差異，在低RFI牛中較高，說明MY與DMI差異有關。Olijhoek等[5]研究了不同奶牛品種在精粗比不同的條件下甲烷產量與RFI之間的關系，發現高精料飼糧娟姍牛甲烷排放顯著降低，將RFI作為連續變量時，隨著RFI降低，MY反而會增加，這與Flay等[28]和Mcdonnell等[19]研究結果相似。Herd等[29]提出了剩余甲烷排放，通過實際排放與預測排放之差來計算，發現剩余甲烷排放與MY強相關，與DMI無關，與生產性狀弱相關。綜上所述，產甲烷菌的數量與甲烷排放有直接關系，篩選影響不同RFI個體產甲烷菌的代謝途徑或差異基因將有利于控制甲烷排放；由于RFI差異對MY的影響不確定，因而采用剩余甲烷排放可作為未來FRI對甲烷排放研究的另一種方式；飼糧差異、環境和遺傳變異都會影響甲烷排放，因此在未來的RFI的研究中甲烷排放需要進行重新評估。

2.3 瘤胃中微生物與RFI之間的關系

瘤胃微生物對飼料的發酵為反芻動物提供70%的能量來源，微生物的組成與變化直接與生產效率相關[30]。Guan等[17]采用PCR變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)技術研究了不同RFI的安格斯肉牛在飼喂高精糧飼糧時瘤胃內菌譜的組成，發現不同RFI的奶牛瘤胃菌譜明顯不同，低RFI奶牛瘤胃內菌譜成分的相似性(91%)顯著高于高RFI奶牛瘤胃內菌譜成分的相似性(71%)，表明某些特異性菌可能存在于低RFI中，而在高RFI中則不存在，并且研究發現在同一品種內瘤胃菌譜分布存在明顯差異，說明宿主遺傳可能在瘤胃微生物結構中起重要作用。Mccann等[31]應用PCR-DDGE條帶模式發現，不同RFI公牛的瘤胃中的普雷沃氏菌的種類在生長期飼糧飼喂與放牧牧草2種條件下存在顯著差異，結果表明飼糧差異會影響普雷沃氏菌，進而可能會影響飼料效率，因為普雷沃氏菌種類繁多，是瘤胃中的優勢細菌，能產生琥珀酸，它能利用各種碳水化合物及分解和利用纖維素、半纖維素、果膠、淀粉、糖和蛋白質。RFI與奶牛瘤胃菌群差異的研究發現，瘤胃微生物菌群豐度可能與飼料效率相關，對檢測到的瘤胃核心微生物操作分類單元(OTUs)與RFI做關聯性分析時發現，與高RFI相關的核心OTUs為普雷沃氏菌和丁酸菌，而低RFI相關的核心OTUs也是普雷沃氏菌，高RFI奶牛的總瘤胃菌群落有較高豐度的厭氧弧菌和丁酸弧菌，低RFI奶牛則擁有較高豐度的糞球菌，然而單個菌群的差異還很難解釋不同RFI個體間的差異[32]。Henderson等[33]發現無論哪種反芻動物，瘤胃微生物菌群都是由核心微生物群落主導的，飼糧對瘤胃微生物菌群的影響大于物種。Ellison等[18]研究了羔羊飼糧和飼料效率與瘤胃微生物的關系，結果證實了飼糧是影響瘤胃微生物組成的主要因素。此外，還證明關鍵微生物種類可能在調節飼料效率中發揮重要作用，而這些微生物種類可能因飼糧成分的不同而有所不同。馬萬浩等[34]對湖羊育肥期精粗比為75∶25飼糧條件下不同FRI影響生長性能和消化道微生物多樣性進行了研究，結果顯示高RFI組理研菌科_RC9_gut_group屬相對豐度顯著高于低RFI組，對其他瘤胃內幾乎所有菌屬相對豐度均無顯著影響，因此，認為不同RFI對湖羊瘤胃的影響只體現在個別可能具有重要作用的菌屬上。出現這種結果也可能是在高精料飼喂情況下，瘤胃pH降低，瘤胃微生物的多樣性和活性降低，微生物趨于一致，造成不同RFI羔羊瘤胃菌屬差異不明顯。綜上所述，大多數研究中不同RFI個體瘤胃微生物群落差異可能是由于動物品種和飼糧差異造成的，雖然影響RFI差異相關的微生物所知較少，但存在顯著差異。

宏基因組學和轉錄組學是在基因水平上研究微生物菌群功能，可以解釋分子水平與性狀之間的關系。Li等[30]通過轉錄組水平研究了肉牛瘤胃微生物活性與RFI之間的聯系，試驗基于16S rRNAs瘤胃微生物活性及代謝功能，通過對比分析發現，3種細菌科(松科、乳桿菌科和韋氏菌科)在高RFI動物中豐度較高，一種古細菌分支(甲烷瓣菌綱)在低RFI牛中豐度較高，2組間有32條微生物代謝途徑和12個碳水化合物活性酶(CAZymes)表達差異顯著，其中，30種代謝途徑和11種CAZymes在高RFI瘤胃中高表達，2種代謝途徑和1種CAZyme在低RFI瘤胃中高表達，因此認為高RFI牛瘤胃微生物菌群活性比低RFI牛的瘤胃微生物菌群活性更高，這可能與宿主飼料效率的變化有關。Rocky等[35]通過宏基因組測序技術研究不同RFI動物微生物之間的代謝關系，在低RFI和高RFI動物中沒有發現任何酶的活性存在顯著差異，但從代謝途徑中發現低RFI動物的微生物酶比高RFI動物更容易參加宿主代謝反應，并且低RFI動物擁有更短的碳鏈參與代謝反應。反芻動物瘤胃中微生物種類繁多且復雜，并且瘤胃代謝是一個動態過程，微生物活性在代謝過程中存在差異，因此關鍵微生物代謝可能影響飼料效率。

2.4 瘤胃上皮細胞基因表達與RFI相關性研究

轉錄組研究可以在不同的環境和個體條件下研究基因功能和機體的分子機理。瘤胃上皮是一個代謝非常活躍的組織，為細胞增殖、運輸、收縮和保護提供能量，瘤胃發酵產生的短鏈脂肪酸主要通過簡單擴散和特異性蛋白介導的轉運機制被瘤胃上皮吸收[36]，瘤胃上皮細胞吸收和代謝短鏈脂肪酸很可能與RFI存在相關性。為此，Kong等[37]基于轉錄組研究了不同RFI的赫里福德×安格斯牛瘤胃上皮細胞基因表達的差異，發現了122個差異表達基因，分析發現這些基因參與乙酰化、黏附連接的重塑、細胞骨架動力學、細胞遷移和細胞更新等生物學過程，通過加權基因共表達網絡分析(WGCNA)，鑒定出1個包含764個基因的顯著基因模塊，與RFI呈負相關。功能分析顯示，通過黏附連接、蛋白質和細胞周轉以及細胞骨架組織，參與調控細胞間黏附的基因顯著富集。此外，低RFI牛瘤胃上皮細胞中線粒體、乙酰化和糖酵解、三羧酸循環、氧化磷酸化等能量生成途徑相關基因的表達增加，可能是低RFI牛的瘤胃上皮細胞增加了組織形態發生，增加了營養物質吸收的細胞旁通透性，進而增加了能量生產以支持增加的組織形態發生的能量需求。Rathert等[38]重復了Kong等[37]的研究，測試了與上一個研究無親緣關系的海福特×安格斯牛群，并選擇了13個被Kong等[37]鑒定為與RFI相關的候選基因進行了驗證，結果發現著絲粒相關蛋白E基因表達與Kong等[37]研究結果相同，從而認為這種飼料效率關系在品種和環境上存在一定的差異。有研究表明，在對瘤胃上皮組織能量代謝的研究中發現，低RFI牛瘤胃上皮中參與氧化磷酸化的基因，泛素-細胞色素c還原酶10(UQCR10)和泛素氧化還原酶B4亞基(NDUFB4)表達減少，他們推測效率更高的動物(低和中RFI)在該組織中具有較低的能量消耗[39]。Elolimy等[40]在牛瘤胃上皮細胞中發現34個差異表達基因，其中低RFI牛瘤胃上皮細胞中與VFA吸收、代謝、生酮和免疫/炎癥反應方面相關的基因高表達，但在RFI與性別相互作用的研究中表明，RFI組間基因差異表達是由性別引起的，低RFI組公牛中溶質載體家族9成員A1(SLC9A1)、缺氧誘導因子1亞單位α(HIF1A)、烏頭酸酶2抗體(ACO2)顯著高表達，低RFI母牛3-羥基丁酸脫氫酶1(BDH1)基因高表達，而溶質載體家族9成員A2(SLC9A2)和丙酮酸脫氫酶E1亞基α1(PDHA1)基因低表達。盡管低RFI或高RFI條件下參與氧化磷酸化的基因表達存在爭議，這可能與動物的品種和性別差異等外在因素有關，但可以確定的是瘤胃上皮細胞的能量代謝顯著影響RFI差異。

3 小 結

反芻動物瘤胃微生物、瘤胃發酵參數和瘤胃產甲烷菌以及瘤胃上皮細胞的基因表達差異均會影響飼料效率。目前RFI相關研究結果顯示，關鍵瘤胃微生物差異與RFI差異有關，還需進一步測序發現是那些微生物主導了這種差異；低RFI動物瘤胃pH較低，瘤胃環境更穩定，更有利于短鏈脂肪酸代謝；瘤胃甲烷排放與RFI差異研究結果不盡一致，剩余甲烷排放可作為未來RFI與甲烷排放研究中的另一項補充方法；瘤胃上皮細胞的能量代謝對RFI差異影響顯著，但關鍵基因和關鍵能量代謝途徑還需進一步研究；同樣，飼糧差異、動物品種和環境在影響飼料效率方面的作用也不應該被忽視。總之，通過瘤胃功能選育高飼料效率動物的方法是行之有效的。