瘤胃優(yōu)勢尿素分解菌群系統(tǒng)發(fā)育樹 趙圣國供圖
尿素是一種非蛋白氮飼料,常被用于反芻動物日糧配制,以降低日糧蛋白用量,節(jié)約飼養(yǎng)成本。在反芻動物的瘤胃中,尿素被分解成氨,氨則被用于合成優(yōu)質(zhì)微生物蛋白。在此過程中,尿素分解菌扮演著重要角色。然而,長期以來,受研究方法和技術(shù)限制,瘤胃尿素分解菌群仍不明確。
從上個世紀80年代以來,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所的研究人員一直堅持尿素分解菌及其脲酶的研究,并不斷取得突破。2016年,該所奶業(yè)創(chuàng)新團隊在奶牛瘤胃優(yōu)勢尿素分解菌群的鑒定和分析上又取得新進展,相關(guān)研究成果已在微生物學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《微生物學(xué)前沿》(Frontiers in Microbiology)上發(fā)表。
“研究清楚尿素在瘤胃中被哪些細菌分解、如何分解,有助于我們制定調(diào)控策略,提高尿素使用的有效性和安全性。”近日,論文共同第一作者、中國農(nóng)科院北京畜牧獸醫(yī)研究所奶業(yè)創(chuàng)新團隊趙圣國博士在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時表示。
提效降本 微生物至關(guān)重要
尿素是一種非蛋白質(zhì)含氮物,含氮量為46.67%,和動物主要的蛋白質(zhì)飼料豆粕相比,豆粕含氮量為6.7%,尿素含氮量約是其7倍。
“蛋白質(zhì)含氮量一般為16%,如果100克尿素被微生物充分利用的話,可合成292克蛋白質(zhì),節(jié)約697克豆粕,節(jié)省2.4元。”趙圣國告訴《中國科學(xué)報》記者,在奶業(yè)發(fā)達國家,尿素常被用于日糧配方,添加比例大約為干物質(zhì)的1%。美國年利用尿素飼料約100萬噸,相當(dāng)于節(jié)約600萬~700萬噸豆粕含氮量。
“大豆價格要遠高于尿素價格,所以利用尿素替代部分大豆有助于降低奶牛生產(chǎn)成本。” 趙圣國說。
事實上,我國也曾推廣尿素飼料,但是沒有規(guī)模應(yīng)用。趙圣國告訴記者,尿素飼料沒有規(guī)模應(yīng)用的原因主要在于養(yǎng)殖者在飼喂過程中沒有把握好尿素添加量以及與其他營養(yǎng)素的關(guān)系,導(dǎo)致奶牛有時發(fā)生氨中毒。
值得注意的是,在尿素飼料利用轉(zhuǎn)化過程中,瘤胃中微生物的作用至關(guān)重要。趙圣國介紹,在反芻動物的瘤胃中,攝入的尿素被微生物分泌的脲酶催化分解成氨,這類微生物稱為尿素分解菌。氨又是絕大部分微生物的氮源,被微生物利用合成微生物蛋白質(zhì)。微生物蛋白質(zhì)是奶牛的優(yōu)質(zhì)氮源,微生物蛋白占小腸總蛋白質(zhì)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???,導(dǎo)致釋放的氨還沒來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,很多研究者希望減弱尿素分解菌數(shù)量、活性或脲酶活性,減緩尿素分解,提高利用率。”他解釋道。
據(jù)估計,當(dāng)前我國反芻動物尿素飼料需求量超過100萬噸。“然而,瘤胃中的尿素分解菌種類到底是什么還不清楚,所以說研究清楚尿素在瘤胃中被哪些細菌分解、如何分解,有助于我們制定調(diào)控策略,提高尿素的有效性和安全性。”趙圣國說。
方法改進 揭開微生物面紗
然而,一直以來,探明瘤胃中尿素分解菌的研究卻囿于方法學(xué)的限制,進展比較緩慢。
趙圣國告訴記者,在此前很長一段時間內(nèi),微生物學(xué)研究基本上依靠分離培養(yǎng)技術(shù)。但胃腸道中微生物種類繁多,瘤胃中就有幾千種,科學(xué)家對這些微生物的生長、營養(yǎng)、環(huán)境、生理等條件認識還很有限,無法設(shè)計完美的培養(yǎng)條件,導(dǎo)致90%以上微生物還未被分離培養(yǎng)。
奶業(yè)創(chuàng)新團隊的研究人員意識到,想認清尿素分解菌群,必須采用不依賴于純培養(yǎng)的方法。隨著二代測序的快速發(fā)展,高通量測序已經(jīng)成為可能,他們轉(zhuǎn)而積極采用了高通量測序(元基因組)方法,而這一方法也在實驗中被證明極大地擴充了研究所獲得的信息。
同時,研究團隊還根據(jù)瘤胃的物理、化學(xué)和環(huán)境條件而自主研發(fā)設(shè)計了人工瘤胃模擬系統(tǒng)。在保證動物福利的同時,避免了動物試驗干擾因素多的問題,最大程度反映處理效應(yīng);此外,操作上亦更為簡便、省時,實驗效率得以提高。
“研究的難點在于如何找出尿素分解菌群,并進行確證。”趙圣國介紹,研究團隊首先進行實驗設(shè)計,通過尿素(尿素分解菌激活劑)和乙酰氧肟酸(抑制劑)結(jié)合高通量測序技術(shù)研究細菌16rRNA基因變化,以尋找在激活劑組升高,但在抑制劑組同時下降的菌。
不過,這些菌還只能謂之為“準尿素分解菌”,研究還有重要一步:確證。“因為有可能這些菌中有一部分是次級代謝產(chǎn)物引起的變化,那么這樣的菌不一定是尿素分解菌,所以我們需要確證。”趙圣國表示。
研究人員又將篩選到的準尿素分解菌,與已發(fā)表文獻比較,看這些菌是不是有脲酶活性,同時與脲酶基因數(shù)據(jù)庫比對,看這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。”趙圣國說。
通過制定尿素分解菌篩選條件,即尿素誘導(dǎo)增加、脲酶抑制劑誘導(dǎo)減少以及含有脲酶基因和脲酶活性,奶業(yè)創(chuàng)新團隊的研究人員最終揭示了瘤胃優(yōu)勢尿素分解菌:假單胞菌(Pseudomonas)、鏈球菌(Streptococcus)、嗜血桿菌(Haemophilus)、芽孢桿菌(Bacillus)、奈瑟氏菌(Neisseria)、放線菌(Actinomyces)和琥珀酸弧菌(Succinivibrionaceae)。
繼往開來 揭秘瘤胃微生物世界
新的研究方法、實驗設(shè)計和研究結(jié)果,對胃腸道重要功能菌群鑒定提供了新的研究思路。另外,奶牛瘤胃尿素分解菌群的鑒定,為調(diào)控瘤胃尿素代謝和提高尿素氮利用率提供了新的調(diào)控靶標。國際同行評審時,認為“尿素分解菌群的闡述對于調(diào)控尿素分解具有重要指導(dǎo)意義”。
事實上,從1990年開始,中國農(nóng)科院北京畜牧獸醫(yī)研究所就一直堅持尿素分解菌及其脲酶的研究,研究人員針對我國蛋白質(zhì)飼料資源嚴重匱乏的狀況,曾在國際上首次用人工瘤胃技術(shù)獲得了高純度的瘤胃微生物脲酶,建立了脲酶抑制劑合成的創(chuàng)新工藝,研究解決肉牛、奶牛等反芻動物對尿素利用效率低的難題。該研究成果在1999年獲國家科技進步獎二等獎。
當(dāng)前利用高通量測序方法通過人工瘤胃模擬系統(tǒng)揭示奶牛瘤胃優(yōu)勢尿素分解菌群結(jié)構(gòu)的研究也處于世界領(lǐng)先水平。國際同行評審時,認為“人工瘤胃模擬系統(tǒng)在研究瘤胃微生物群落在營養(yǎng)代謝中的作用中,是一個非常好的平臺”。
趙圣國透露,對尿素分解菌群的認識將是團隊未來五年中的重點工作內(nèi)容。據(jù)悉,他們剛完成一個動物實驗,分析了尿素分解菌在瘤胃固相、液相和上皮中的生態(tài)位分布。
同時,研究團隊還將針對發(fā)現(xiàn)的尿素分解菌采用新型細菌分離方法,“比如流式細胞儀和磁性納米分離等技術(shù),以獲得新的尿素分解菌及其基因組信息。” 趙圣國說。