近日，中國科學院亞熱帶農業生態研究所畜禽健康養殖與農牧復合生態研究中心反芻動物生態營養研究團隊在國際微生物生態學頂級期刊The ISME Journal（一區TOP，IF=11.2）發表了題為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，應用擴增子和宏基因組測序技術，結合體外驗證試驗，揭示了反芻動物瘤胃氫代謝的日糧碳水化合物驅動機制。
反芻動物可將人類不可食用的植物飼料轉化為高營養價值的動物產品，對于確保全球食品安全至關重要。然而，瘤胃微生物在降解碳水化合物過程中還會產生溫室氣體甲烷，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業活動的最大排放源，受到了國際社會的廣泛關注。研究表明，日糧碳水化合物結構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量，促進了甲烷菌增殖和甲烷生成。乙酸產量增加可來自于被高纖維日糧所富集的氫營養型產乙酸菌，這成為低質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酵能力，通過抑制甲烷菌增殖減少甲烷生成，導致瘤胃內溶解氫濃度累積，進而促進具有呼吸功能的氫營養型細菌增殖，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基金、中國科學院先導專項等項目的支持，亞熱帶生態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
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