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奶牛胃里的尿素分解菌揭秘

奶牛胃里的尿素分解菌揭秘

尿素是一种非蛋白氮饲料,常被用于反刍动物日粮配制,以降低日粮蛋白用量,节约饲养成本。在反刍动物的瘤胃中,尿素被分解成氨,氨则被用于合成优质微生物蛋白。在此过程中,尿素分解菌扮演着重要角色。然而,长期以来,受研究方法和技术限制,瘤胃尿素分解菌群仍不明确。

从上个世纪80年代以来,中国农业科学院北京畜牧兽医研究所的研究人员一直坚持尿素分解菌及其脲酶的研究,并不断取得突破。2016年,该所奶业创新团队在奶牛瘤胃优势尿素分解菌群的鉴定和分析上又取得新进展。

“研究清楚尿素在瘤胃中被哪些细菌分解、如何分解,有助于我们制定调控策略,提高尿素使用的有效性和安全性。”近日,论文共同第一作者、中国农科院北京畜牧兽医研究所奶业创新团队赵圣国博士在接受《中国科学报》记者采访时表示。

提效降本微生物至关重要

尿素是一种非蛋白质含氮物,含氮量为46.67%,和动物主要的蛋白质饲料豆粕相比,豆粕含氮量为6.7%,尿素含氮量约是其7倍。

“蛋白质含氮量一般为16%,如果100克尿素被微生物充分利用的话,可合成292克蛋白质,节约697克豆粕,节省2.4元。”赵圣国告诉《中国科学报》记者,在奶业发达国家,尿素常被用于日粮配方,添加比例大约为干物质的1%。美国年利用尿素饲料约100万吨,相当于节约600万~700万吨豆粕含氮量。

“大豆价格要远高于尿素价格,所以利用尿素替代部分大豆有助于降低奶牛生产成本。”赵圣国说。

事实上,我国也曾推广尿素饲料,但是没有规模应用。赵圣国告诉记者,尿素饲料没有规模应用的原因主要在于养殖者在饲喂过程中没有把握好尿素添加量以及与其他营养素的关系,导致奶牛有时发生氨中毒。

值得注意的是,在尿素饲料利用转化过程中,瘤胃中微生物的作用至关重要。赵圣国介绍,在反刍动物的瘤胃中,摄入的尿素被微生物分泌的脲酶催化分解成氨,这类微生物称为尿素分解菌。氨又是绝大部分微生物的氮源,被微生物利用合成微生物蛋白质。微生物蛋白质是奶牛的优质氮源,微生物蛋白占小肠总蛋白质的60%~85%,是乳蛋白合成的重要原料。

“但是,瘤胃中尿素分解菌分解尿素的速度非常快,导致释放的氨还没来得及充分合成微生物蛋白,就被排放出去了,尿素利用率偏低。所以,很多研究者希望减弱尿素分解菌数量、活性或脲酶活性,减缓尿素分解,提高利用率。”他解释道。

据估计,当前我国反刍动物尿素饲料需求量超过100万吨。“然而,瘤胃中的尿素分解菌种类到底是什么还不清楚,所以说研究清楚尿素在瘤胃中被哪些细菌分解、如何分解,有助于我们制定调控策略,提高尿素的有效性和安全性。”赵圣国说。

方法改进揭开微生物面纱

然而,一直以来,探明瘤胃中尿素分解菌的研究却囿于方法学的限制,进展比较缓慢。

赵圣国告诉记者,在此前很长一段时间内,微生物学研究基本上依靠分离培养技术。但胃肠道中微生物种类繁多,瘤胃中就有几千种,科学家对这些微生物的生长、营养、环境、生理等条件认识还很有限,无法设计完美的培养条件,导致90%以上微生物还未被分离培养。

奶业创新团队的研究人员意识到,想认清尿素分解菌群,必须采用不依赖于纯培养的方法。随着二代测序的快速发展,高通量测序已经成为可能,他们转而积极采用了高通量测序(元基因组)方法,而这一方法也在实验中被证明极大地扩充了研究所获得的信息。

同时,研究团队还根据瘤胃的物理化学和环境条件而自主研发设计了人工瘤胃模拟系统。在保证动物福利的同时,避免了动物试验干扰因素多的问题,最大程度反映处理效应;此外,操作上亦更为简便、省时,实验效率得以提高。

“研究的难点在于如何找出尿素分解菌群,并进行确证。”赵圣国介绍,研究团队首先进行实验设计,通过尿素(尿素分解菌激活剂)和乙酰氧肟酸(抑制剂)结合高通量测序技术研究细菌16rRNA基因变化,以寻找在激活剂组升高,但在抑制剂组同时下降的菌。

不过,这些菌还只能谓之为“准尿素分解菌”,研究还有重要一步:确证。“因为有可能这些菌中有一部分是次级代谢产物引起的变化,那么这样的菌不一定是尿素分解菌,所以我们需要确证。”赵圣国表示。

研究人员又将筛选到的准尿素分解菌,与已发表文献比较,看这些菌是不是有脲酶活性,同时与脲酶基因数据库比对,看这些菌是不是有脲酶基因。“只有具有脲酶活性和脲酶基因的菌,才是真正的尿素分解菌。”赵圣国说。

通过制定尿素分解菌筛选条件,即尿素诱导增加、脲酶抑制剂诱导减少以及含有脲酶基因和脲酶活性,奶业创新团队的研究人员最终揭示了瘤胃优势尿素分解菌:假单胞菌(Pseudomonas)、链球菌(Streptococcus)、嗜血杆菌(Haemophilus)、芽孢杆菌(Bacillus)、奈瑟氏菌(Neisseria)、放线菌(Actinomyces)和琥珀酸弧菌(Succinivibrionaceae)。

继往开来揭秘瘤胃微生物世界

新的研究方法、实验设计和研究结果,对胃肠道重要功能菌群鉴定提供了新的研究思路。另外,奶牛瘤胃尿素分解菌群的鉴定,为调控瘤胃尿素代谢和提高尿素氮利用率提供了新的调控靶标。国际同行评审时,认为“尿素分解菌群的阐述对于调控尿素分解具有重要指导意义”。

事实上,从1990年开始,中国农科院北京畜牧兽医研究所就一直坚持尿素分解菌及其脲酶的研究,研究人员针对我国蛋白质饲料资源严重匮乏的状况,曾在国际上首次用人工瘤胃技术获得了高纯度的瘤胃微生物脲酶,建立了脲酶抑制剂合成的创新工艺,研究解决肉牛、奶牛等反刍动物对尿素利用效率低的难题。该研究成果在1999年获国家科技进步奖二等奖。

当前利用高通量测序方法通过人工瘤胃模拟系统揭示奶牛瘤胃优势尿素分解菌群结构的研究也处于世界领先水平。国际同行评审时,认为“人工瘤胃模拟系统在研究瘤胃微生物群落在营养代谢中的作用中,是一个非常好的平台”。

赵圣国透露,对尿素分解菌群的认识将是团队未来五年中的重点工作内容。据悉,他们刚完成一个动物实验,分析了尿素分解菌在瘤胃固相、液相和上皮中的生态位分布。

同时,研究团队还将针对发现的尿素分解菌采用新型细菌分离方法,“比如流式细胞仪和磁性纳米分离等技术,以获得新的尿素分解菌及其基因组信息。”赵圣国说。

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