传统技术与现代分子生物学技术在瘤胃微生物多样性方面的研究进展

为了提高反刍动物利用瘤胃微生物的效率,微生物学家和动物营养学家都致力于瘤胃微生物的培养分离纯化和生理生化特性研究.但是由于瘤胃微生物大多是厌氧性的,很难培养成功,传统技术在瘤胃微生物的研究上受到很多限制.随着科学技术的进步,现代分子技术也开始逐渐渗透到瘤胃微生物的研究中来.文章将瘤胃微生物多样性研究的方法简要划分为纯培养技术,现代分子生物学技术和上述两种方法的联合使用,并重点阐述了不同方法的优缺点,展望了瘤胃微生物多样性研究方法的发展前景.     

宏基因组学用于瘤胃微生物代谢的研究进展

瘤胃微生物生态群落是一个非常复杂的生物体系,有着巨大的基因资源以及丰富的生态资源.宏基因组学通过免培养技术,研究生境中全部微小生物遗传物质的总和,在研究瘤胃微生物代谢和开发瘤胃微生物资源上展示出强劲的优势.该技术的应用有望解决反刍动物营养研究中诸多热点或难点问题.为此,本文介绍了宏基因组文库构建和筛选流程,详细讨论了流程中目的基因/基因组富集方法、载体选择原则和样品核酸提取等方法,并对瘤胃宏基因组学的应用现状进行了综述.     

反刍动物瘤胃微生物培养组学研究进展

瘤胃微生物被称为反刍动物的“隐藏器官”,与宿主营养物质的获取和生理健康的维持密切相关;目前宏基因组测序发现瘤胃中超过5 800个基因组,然而超过90%的微生物尚未被培养,处于“生物信息黑箱”^[1]中。培养组学是一种采用多种培养条件,结合高通量测序技术鉴定菌种的培养方法。高通量、并行化的培养组学技术在瘤胃微生物中的应用,为在菌株水平上研究重点菌株功能及其与宿主互作关系提供了新的视角。然而,目前培养组学运用于瘤胃微生物的研究仍然较少,尚处于起步阶段。本文从瘤胃微生物特点、培养组学技术及其在瘤胃微生物培养中的应用现状、面临挑战等方面进行综述,为不断优化、规范化培养组学研究方案、拓展瘤胃可培养菌株资源、加快瘤胃生物信息黑箱的破解提供思考。     

添加月桂酸和亚麻酸对非动态人工瘤胃发酵、甲烷生成和微生物区系的影响

本研究比较了添加亚麻酸(C18:3)和月桂酸(C12)后对体外培养瘤胃发酵、甲烷生成和微生物区系变化的影响.采用压力读取系统(RPT)测定产气量,气相色谱仪测定甲烷产量,培养24 h后取培养液测定挥发性脂肪酸、氨态氮和pH,并用实时定量PCR技术测定瘤胃微生物区系.研究发现,添加该2种脂肪酸能极显著降低甲烷产量(P<0.01),对产气量、乙酸产量和pH也有抑制作用(P<0.01),同时极显著提高丙酸含量(P<0.01).与对照组相比C12和C18:3能显著降低氨态氮的含量(P<0.05).添加脂肪酸后瘤胃真菌、原虫和甲烷菌含量极显著低于对照组(P<0.01),并且C18:3的抑制作用强于C12(P<0.01).上述结果表明,亚麻酸对瘤胃发酵的改变程度、甲烷生成和微生物生长抑制作用强于月桂酸.     

分子生物学技术的引入对拓展瘤胃微生态研究的作用

为了充分发挥瘤胃的发酵功能,研究人员一直致力于瘤胃微生态的研究。随着分子生物学技术的发展,研究瘤胃微生态学采用人工培养为基础的传统方法正在被以核酸为基础的分子生物学技术迅速取代。分子生物学技术对瘤胃微生态的研究可从微生物多样性、区系结构、功能几方面进行概括。本文将从上述几方面论述分子生物学技术在瘤胃微生态研究中的应用及最新研究进展。     

瘤胃微生物定量方法的研究进展

当前人们对瘤胃中微生物的认识只有10%～20%,不断改进研究技术和手段,才能大大推动瘤胃微生态领域的研究。作者阐述了瘤胃微生物传统定量方法（滚管计数法和最大或然数法）和分子生物学定量方法,如探针杂交技术、荧光原位杂交、DGGE、定量PCR和流式细胞计量术（flow cytometry )等的应用状况及其各自的优缺点。     

β-激动剂对体外培养的瘤胃微生物活力的影响

β-激动剂在提高反刍动物饲料转化率和胴体瘦肉率等方面比对其它动物的作用更明显。为探讨其作用是否与瘤胃代谢有关 ,本实验研究了 β-激动剂对瘤胃微生物活力的影响。实验选用了3种 β-激动剂———盐酸肾上腺素、克伦特罗(Clenbuterol)和塞曼特罗(Cimaterol) ,各设5个不同剂量(0.125 ,0.250 ,0.500 ,1.000 ,2.000mg/kg) ,研究不同剂量的β-激动剂对体外培养的瘤胃微生物产气量、微生物蛋白含量、底物消失率的影响。结果表明 :产气量、微生物蛋白含量和底物消失率与 β-激动剂之间存在着显著的量效关系。盐酸肾上腺素在0.5mg/kg 时微生物蛋白浓度最高(0.0917mg/ml) ,底物消失率最大(37.79 %) ,气体累计产量最大(269.06ml)。克伦特罗在0.5mg/kg 时微生物蛋白浓度最高(0.1167mg/ml),底物消失率最大(39.63 %) ,气体累计产量最大(269.38ml)。塞曼特罗在0.5mg/kg时 ,微生物蛋白浓度最高(0.1125mg/ml) ,1mg/kg 时气体累计产量最大(265.39ml)。3种 β-激动剂都显著促进了瘤胃微生物体外培养的活力(对照组微生物蛋白浓度为0.087mg/ml,底物消失率31.53 %,气体累计产量209.3ml) ,其中克伦特罗的作用最显著。本实验提示瘤胃微生物细胞本身可能存在 β-受体。     

16SrRNA/rDNA序列分析在瘤胃微生物区系研究中的应用

随着rRNA为主的分子生物学技术在瘤胃微生态研究中的不断应用与发展，动物瘤胃内环境微生物区系研究进入了一个新阶段，为动物营养学研究技术的发展提供了新的可靠的方法和手段。笔者综述了rRNA／rDNA序列分析技术应用于瘤胃微生物区系研究中的理论依据，以及该项技术在瘤胃微生物区系分析中的应用现状和前景。     

分子生物学技术在瘤胃细菌多样性研究中的应用

反刍动物的瘤胃是一个复杂的厌氧微生态发酵系统,研究其瘤胃微生物区系组成与功能已成为反刍动物营养学的重要内容,分子生物学技术是开展瘤胃微生物研究的重要技术手段。本文就变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术、16S r DNA序列分析、宏基因组技术、DNA芯片技术等在瘤胃细菌多样性研究中的应用情况进行了总结与归纳,为今后开展此方面研究工作提供技术参考。     

CNCPS研究综述——瘤胃发酵

康奈尔净碳水化合物-蛋白质体系(CNCPS)是在综合了有关研究瘤胃发酵的最新研究成果和理论的基础上,结合计算机技术形成的一套新的技术体系,在生产中体现了很好的实用性和优越性。通过阐述CNCPS对瘤胃微生态、瘤胃微生物、瘤胃微生物的组成、瘤胃发酵和过瘤胃、氮损失和内源氮循环的研究,从该体系的最初研究出发,揭示该体系的基本框架,为深入理解和应用CNCPS提供参考。     

瘤胃微生物定量方法研究进展

瘤胃微生物的定量有传统计数和现代分子定量2大类方法。其中，传统方法包括经典的亨氏滚管法和最大可能法，但它们测定瘤胃微生物总数的结果可能偏低。运用分子方法定量一些重要的微生物不仅能很好地解释它们在瘤胃代谢中的作用，而且有助于描述更多的微生物特性。因此，作者综述了瘤胃微生物定量方法的发展历程及研究进展，重点描述了运用分子定量方法的研究情况。     

持续动态瘤胃发酵系统的结构功能比较研究进展

持续动态瘤胃发酵系统是在体外模拟瘤胃内发酵环境,用于瘤胃微生物代谢以及评定日粮营养价值等方面研究的机械装置。该装置是由一系列具有不同功能的设备组成。目前较新的人工瘤胃模拟系统主要能实现发酵环境中各发酵参数的实时监控并对发酵产物如产气量等进行准确计量,但与实体瘤胃内环境还存在一定差距。本文通过对国内外几种典型的持续动态瘤胃发酵系统的各部分结构和功能进行对比分析,比较各自的优缺点,提出了较为合理的设计方法。总之,持续动态瘤胃发酵系统的设计向着自动化方向发展,但在食糜样品的采集方法等方面还需改进。     

瘤胃微生物对结构性碳水化合物的降解机制研究进展

反刍动物瘤胃内含有庞大的微生物种群,与瘤胃内结构性碳水化合物的降解有密切关系。参与结构性碳水化合物降解的瘤胃微生物主要包括细菌、真菌和原虫,尤以细菌和真菌的降解作用最大。瘤胃细菌和真菌通过与结构性碳水化合物的附着、粘连或穿透等一系列作用,使这些紧密连接的结构物质变得松散,再由它们分泌的各种酶类将这些松散的结构性碳水化合物逐步分解,转化成可以被反刍动物及其寄居的瘤胃微生物吸收利用的单糖。瘤胃微生物对结构性碳水化合物的降解也受到诸多因素的影响,主要包括植物的表皮、细胞壁的物理和化学结构特性、细胞壁的组成成分,以及瘤胃内环境和其他营养素等。     

多组学技术在奶牛瘤胃微生物与宿主互作机制中的研究进展

对于反刍动物而言,瘤胃对宿主的新陈代谢、机体免疫调节具有重要的意义。作为瘤胃内强大而丰富的群落,瘤胃微生物结构紊乱不仅会导致生产性能下降,还会引发机体全身炎症反应。近年来,多组学技术分析瘤胃微生物与宿主的关系及其调控机制已逐渐受到研究者的关注。本文从瘤胃微生物的影响因素、多组学技术在瘤胃微生物中的应用及瘤胃微生物紊乱对宿主的影响等多方面进行综述,以通过调节瘤胃微生物来提高奶牛生产性能、增强机体免疫力以及预防疾病等新的视角为奶牛养殖者提供参考。     

连续培养瘤胃模拟发酵的工作参数设置研究进展

体外培养法作为反刍动物营养学研究的重要方法,主要有批次培养法和连续培养法两种。由于连续培养法能够更好地模拟瘤胃内发酵情况,其应用也更为广泛。但连续培养瘤胃模拟装置的主要运行参数多,如温度、pH、稀释率、缓冲液与瘤胃液接种比、搅拌速率与方式等,且不同运行参数设置以及参数的组合对试验结果影响较大,因此作者在总结前人研究结果的基础上,就不同工作参数对连续培养瘤胃模拟发酵过程中挥发性脂肪酸、干物质消失率、pH、酶活、原虫数量、微生物蛋白等指标的影响进行了综述。     

Research Progress on Working Parameters of the Continuous Culture of Rumen Simulation System

In vitro culture method is an important way to research in ruminant dietetics, including batch and continuous culture methods. Because the continuous culture method can better simulate the conditions of fermentation in rumen, it was applied more widely. There are many operation parameters of rumen simulation technique involved in continuous culture, such as temperature, pH, dilution rate, the proportion of buffer to rumen fluid, stirring rate and way, meanwhile, different operation parameters and their combinations will have a great influence on the fermentation results. On the basis of summarizing the results of previous studies, the authors review the effects of different parameters on volatile fatty acid, dry matter disappearance rate, pH, enzyme activity, number of protozoa and microbial protein, in dual-flow continuous culture system in this paper.     

瘤胃甲烷生成过程中微生物之间的相互关系

反刍动物瘤胃含有甲烷菌,是主要的甲烷(methane,CH4)排放源,甲烷菌利用饲料发酵过程中生成的氢和CO2作为主要的电子受体和供体通过还原反应生成甲烷,在瘤胃功能性生态生境(niche)中发挥重要作用.除甲烷菌以外,其他瘤胃微生物也影响甲烷产量.瘤胃微生物总体来说可分为产氢微生物(hydrogenogens)和耗氢...     

饲粮中添加外源酶对湖羊瘤胃发酵培养液产气量、pH值及发酵参数动态变化的影响

旨在研究外源酶对湖羊瘤胃液微生物体外培养的影响,为将外源酶应用于湖羊饲料添加剂提供一定的科学依据。采用瘤胃液体外培养法,将10、20、30、40 mg/kg 4个水平的外源酶加入体外培养体系分别培养6、12、18、24、36、48 h后,测定体外培养液中的产气量（GP）、pH值、氨态氮（NH3-N）浓度、微生物蛋白（MCP）浓度、挥发性脂肪酸（VFA）浓度。结果表明,添加不同水平的外源酶可有效提高瘤胃微生物体外培养液的GP、pH值、NH3-N浓度、MCP浓度及VFA浓度。添加外源酶可改善湖羊瘤胃微生物发酵特性,其中以添加量为10 mg/kg效果最佳。     

瘤胃微生物纤维素酶的研究与应用前景

瘤胃是反刍动物复胃（多室胃）的组成部分之一，而瘤胃微生物则是指栖息在瘤胃中的微生物，主要包括细菌，真菌和原生动物，其中，瘤胃细菌和瘤胃真菌能分泌纤维素酶，纤维素酶是多组分复合酶，主要为内切型葡聚糖酶，外切型葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶，由于瘤胃纤维素酶对纤维素有较强的降解能力。故瘤胃微生物纤维素酶在降解纤维素，开发新饲料，作为新式酶源和处理有机垃圾等方面有广阔的应用前景。