2024年我國牛存欄量為10204萬頭，全國羊存欄量為32074萬只。反芻動物消化系統在結構上與單胃動物不同，對營養物質的消化存在差異。營養物質在瘤胃內被微生物降解，產生的揮發性脂肪酸被瘤胃壁吸收供能；微生物蛋白與未降解的飼料流入小腸，由腸道內消化酶消化成小分子物質被小腸上皮直接吸收利用。反芻動物小腸過瘤胃營養物質可為機體提供17%-30%能量，這一過程主要依賴于胰腺消化酶的分泌。不同于單胃動物小腸淀粉降解率高達98%以上，反芻動物小腸淀粉消化率相對較低，約有40%~60%的過瘤胃淀粉未被消化利用，造成牛羊糞便淀粉殘留高。理論上反芻動物小腸內淀粉類營養物質化學性消化利用效率遠高于瘤胃，但淀粉小腸內的消化受到胰腺淀粉酶分泌不足的限制。因此，解析反芻動物胰腺外分泌功能分子調控機制，挖掘小腸淀粉降解受限的調控靶點有助于反芻動物日糧精準設計，為提高飼料利用效率、減少飼料資源浪費、降低環境污染提供理論依據。
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譚支良研究員團隊在反芻動物小腸淀粉消化受限的胰腺外分泌調控機制研究研究領域取得重要進展。相關成果以Low expression of CCKBR in the acinar cells is associated with insufficient starch hydrolysis in ruminants為題發表于Communications Biology（中國科學院1區top）。該研究首先明確反芻動物存在小腸淀粉降解率低的現象；之后以山羊為試驗動物，成功構建首個山羊胰腺單細胞圖譜；并利用細胞試驗證明山羊膽囊收縮素受體（CCKBR）低表達限制胰腺消化酶胞吐過程，為深入理解反芻動物胰腺外分泌功能不足以及提高反芻動物腸道飼料利用提供了新靶點。
主要研究結果包括：1）作者首先通過比較反芻動物全消化道淀粉殘留情況，明確十二指腸是過瘤胃淀粉的主要消化部位（圖1A-B）；通過比較生長和育肥階段反芻動物（羊和牛）與單胃動物（豬）的糞便淀粉殘留情況，明確反芻動物存在淀粉消化受限的現象（圖1C-D）。2）作者以山羊為試驗動物，首次繪制生成了新生山羊（非反芻模式）和斷奶山羊（反芻模式）胰腺單細胞圖譜，共鑒定到了包括胰腺外分泌腺泡細胞、導管細胞和內分泌胰島細胞β，δ，ELC等在內的11種細胞類型（圖2），并鑒定到了兩種腺泡細胞亞型，即高胰酶分泌特征的成熟型腺泡細胞亞型AC-s和低胰酶分泌特征的未成熟腺泡細胞亞型AC-i。胰酶（胰淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶）、胞吐關鍵基因（IRF2，RAB27A，VAMP2，VAMP8，COPZ2，STX2，STX3）在成年山羊AC-s亞型表達增強。單細胞轉錄組和蛋白質組聯合分析進一步表明反芻模式下的成年山羊的胰腺外分泌功能增強。值得注意的是，淀粉酶的活性在兩種消化模式下并未檢測到差異，說明胰腺α-淀粉酶活性較低可能是反芻動物淀粉水解的限制因素之一。3）胰腺單細胞細胞互作的結果顯示，與新生山羊相比，成年山羊預測到的腺泡與內分泌細胞之間相互作用的數量減少；在成年山羊AC-ELC互作中發現了特有的配受體對JAG1-NOTCH1，此外，研究人員還發現JAG1和NOTCH1在AC-s中表達增強，與此同時胰島激素INS、PPY、GCG和SST表達降低，與之一致的是，成年山羊血清INS的含量顯著低于新生山羊。這些結果表明成年山羊AC-s中活化的NOTCH通路可能通過阻止腺泡細胞向內分泌細胞β細胞轉化來維持“較強的胰腺外分泌功能”（圖3）。轉錄噪聲的結果顯示成年山羊內分泌細胞轉錄噪聲表達增加伴隨著非典型激素表達增強；且成年山羊腺泡細胞轉錄噪聲表達降低伴隨著胰酶表達增強。結果暗示反芻動物消化模式轉變，可能通過轉錄噪聲調節“典型”酶和“非典型”激素的表達，產生增強外分泌功能、抑制內分泌功能的生理基礎。4）單細胞轉錄組結果顯示反芻模式下成年山羊的腺泡細胞膜上關鍵調控受體CCKBR表達顯著降低。推測成年山羊腺泡細胞膜上CCKBR的低表達，加上十二指腸中Ⅰ型細胞的低分布，可能共同導致腸胰反射反應緩慢，并誘導食物進入小腸和消化酶釋放的異步過程，最終限制淀粉消化（圖4）。5）之后作者開展胰腺細胞實驗，通過CCK（10 pmol/L）處理高CCKBR豐度新生山羊和低CCKBR豐度斷奶山羊腺泡細胞，測定腺泡細胞轉錄組特征、鈣離子振蕩反應和胞吐反應。結果顯示鈣離子信號通路和胞吐信號通路在低CCKBR豐度成年山羊均要弱于高CCKBR豐度新生山羊（圖5），證明了成年山羊腺泡細胞CCKBR低表達抑制淀粉酶分泌。
此研究得到了中國科學院戰略先導項目、湖南省自然科學基金和湖南省創新型省份項目等項目的支持，亞熱帶生態所博士生程艷為本論文第一作者，賀志雄研究員和譚支良研究員及耶路撒冷希伯來大學(The Hebrew University of Jerusalem) 的Oren Parnas教授為論文共同通訊作者。
圖 1 反芻動物淀粉消化不足
圖 2 新生和成年山羊胰腺單細胞圖譜
圖 3 新生和成年山羊胰腺細胞互作網絡
圖 4 CCKBR是成年山羊小腸淀粉消化受限的潛在靶點
圖 5 成年山羊腺泡細胞CCKBR低表達抑制淀粉酶分泌機制
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