反刍动物瘤胃真菌的功能、影响因素及应用.pdf

NO.192023159综述养饲料研究FEEDRESEARCH反刍动物瘤胃真菌的功能、影响因素及应用何静马莉花徐晓峰马云马燕芬*（宁夏大学动物科技学院宁夏回族自治区反幺动物分子细胞育种重点实验室，宁夏银川7 50 0 2 1）摘要：瘤胃是反幺动物最主要的消化器官，寄养着细菌、真菌、原虫、古生菌等多种微生物，这些瘤胃微生物菌群在反幺动物消化系统中起着重要作用。瘤胃真菌在瘤胃微生物中占比较小，且绝大多数为厌氧真菌。瘤胃真菌可以充分降解纤维物质，同时真菌还参与蛋白质和淀粉的降解过程，以提高饲料的利用率。瘤胃真菌的数量容易受硫元素、氮元素以及瘤胃内其他微生物的影响，因而从这些方面对饲粮进行调控，能够提高瘤胃内真菌的数量，从而提高反幺动物的消化能力和对饲料的利用。文章结合国内外研究进展，从瘤胃真菌特点、功能、影响因素及应用等多个方面进行综述，以期为反垒动物的健康养殖提供参考。关键词：反垒动物；瘤胃；真菌；纤维中图分类号：S811.6文献标识码：A文章编号：10 0 2-2 8 13（2 0 2 3）19-0 159-0 5Doi:10.13557/ki.issn1002-2813.2023.19.031Functional effect,influencing factors,and applications of rumen fungi in ruminantsHE JingMA Li-huaXU Xiao-fengMAYunMA Yan-fenAbstract:The rumen is the main digestive organ of ruminants,hosting various microorganisms such as bacteria,fungi,protozoa and archaea.These rumen microbiota play an important role in the digestive system of ruminants.Rumen fungiaccount for a relatively small proportion of rumen microorganisms,and the vast majority are anaerobic fungi.Rumen fungican fully degrade fiber substances.At the same time,fungi also participate in the degradation process of protein and starchto improve feed utilization.In addition,the number of rumen fungi is easily influenced by sulfur,nitrogen elements,andother microorganisms in the rumen.Therefore,regulating the feed can increase the number of fungi in the rumen,therebyimproving the digestion ability of ruminants and the utilization of feed.The article reviews the characteristics,functioninfluencing factors and applications of rumen fungi based on research progress both domestically and internationally,inorder to provide reference for the healthy breeding of ruminants.Key words:ruminant;rumen;fungi;fiber瘤胃厌氧真菌不仅是重要的纤维降解剂，也是宿主的重要营养来源。瘤胃真菌是反台食草动物肠道中普遍存在的共生体，可以直接从反台动物胃肠道、新鲜粪便（甚至干燥长达10 个月的粪便）中分离出来 2 。自瘤胃中发现厌氧真菌以来，越来越多的厌氧真菌被分离和培养，真菌种类及性质也得到了广泛的挖掘 3。研究发现，早期分支的厌氧真菌对于水解大型食草动物消化道中未处理的木质纤维素至关重要 4。瘤胃真菌会产生降解植物所需的酶，这些酶反过来可通过真菌根状体渗透到植物细胞壁对其机械结构进行降解，且与瘤胃细菌相比，瘤胃真菌更容易降解顽固的植物细胞壁 5。目前，对瘤胃真菌的第一作者：何静，大学，研究方向为动物营养调控与免疫。通信作者：马燕芬，研究员，博士生导师。基金项目：宁夏自然科学基金（项目编号：2 0 2 2 AAC02006、2023AAC03042）；内蒙古自治区科技计划项目（项目编号：2021GG0025）；银川市科技计划项目（项目编号：2 0 2 2 XQ008)收稿日期：2 0 2 3-0 3-15研究还处于初级阶段，真菌在生物工程、饲料利用、沼气发酵工程等领域具有非常广泛的应用前景 6 。因此，全面了解瘤胃真菌，包括真菌培养、真菌活性和代谢、真菌的种类、作用、基因组信息等，可以为反台动物的健康养殖提供技术支撑。1瘤胃真菌的种类、存在形式及其特点1.1瘤胃真菌的种类真菌是具有营养吸收（渗透营养）作用的真核微生物 7 。目前发现厌氧真菌存在于所有前肠发酵的动物中（即植物发酵发生在胃消化之前的发酵罐），包括反动物（如牛科）、假反动物（即具有三腔胃的反台动物，如河马、骆驼、美洲驼、羊驼）和前肠非反动物（前胃增大的动物，如小袋鼠)；在多个后肠发酵的动物中也检测到厌氧真菌（即植物发酵发生在盲肠和大肠胃后消化的发酵罐，如大象、马和犀牛)；同时在一些较大的食草啮齿动物（如长耳豚鼠）中也发现了厌氧真菌 8 。真菌游动孢子数（10 3 10 个/mL）占瘤胃微生物组成的10%20%9。瘤胃真菌属于真菌界、新眠菌门、新肼菌NO.192023饲料研究FEEDRESEARCH160综述目、新眠科0)，主要分为新肼菌属、盲肠菌属、鸟菌属、毛霉菌属、厌气菌属和梭菌属。研究发现，在新肼眠菌门中共发现2 0 个可培养的厌氧真菌属，分别为：新卡利马蒂斯、盲肠菌、奥皮酵母、皮罗酵母、厌气菌、衣原菌属、布氏霉菌、球霉菌、蝴蝶菌属、费拉霉菌、利贝坦佐菌、阿格里索菌、阿克利奥什霉菌、卡佩罗霉菌、加扎洛酵母、乔布利诺菌、霍约洛霉菌、塔赫罗酵母、七叶草菌和泡霉菌0 。厌氧真菌的分类主要取决于其形态特征。按孢子上鞭毛数量分类包括：鞭毛少于2 8 个的单鞭毛真菌和鞭毛较多的多鞭毛真菌。按孢子囊和根状体系统中带核数量分类包括：仅带核的单中心真菌和多中心真菌。按真菌外形分类包括：丝状真菌、球状真菌和根状真菌。然而当营养环境发生变化时，厌氧真菌的这些形态特征也会发生变化10 1.2瘤胃真菌的存在形式真菌在瘤胃由两种形态构成：一种是具有鞭毛且能自由运动的游动孢子，其数量在短期内可发生很大的变化，在瘤胃中存活时间为1d；另一种是附着于植物纤维碎片上不动的植物性菌体形态，其数量和生物量在瘤胃食糜内有很大的差异 12 1.3瘤胃真菌的特点厌氧真菌可以根据其真菌菌体的形态细分为两种不同的类型：单中心真菌和多中心菌体。单中心真菌具有确定的生命周期，其中真菌菌体仅产生一个游动孢子囊；而具有核根状菌丝体的多中心菌体的发展则被认为是真菌进化的重要一步，使其通过碎裂进行营养繁殖的能力成为可能 3。大多数瘤胃真菌是厌氧的，会产生大量的氢气、一氧化碳、甲酸盐和乙酸盐等代谢产物 8.14。厌氧真菌是水生的且产生游动孢子的真菌，可以独特地适应消化道生态系统中的特定生态位 13)，其游动孢子呈球形或椭圆形，通过孢子囊鞭毛游动孢子的无性繁殖进行繁殖 8 。真菌在瘤胃中的生活周期为2 4 30 h，在39C下，生命周期将持续2 6 32 h不等，在这一期间真菌会经历营养体成熟、孢子在孢子囊内逐渐形成且成熟，随后孢子囊破裂释放出孢子，游离孢子附着在瘤胃到食物组织中，逐渐形成新的菌丝体 5。最适宜的生长温度为33 41C，最佳pH值为6.5。尽管真菌在瘤胃微生物中所占比例较小，但其数量会随着饲粮纤维含量的变化而变化。2瘤胃真菌的功能2.1降解纤维素木质纤维素（木质素、纤维素和半纤维素）是一种可再生、富含碳水化合物的生物质来源113。厌氧真菌参与瘤胃内木质纤维素的消化7)，在木质纤维素的降解（高达50%的摄入和未处理的木质纤维素）中起着十分重要的作用。厌氧真菌具有很高的纤维降解能力，根状体可以物理穿透并破坏木质纤维的木质素层，同时还可以产生纤维素酶、半纤维素酶（包括木聚糖酶）和酯酶等多种纤维降解酶17-18 。研究表明，对小麦秸秆进行瘤胃液厌氧发酵93d后，纤维素、半纤维素和木质素的降解效率分别达到97.6%、95.8%和42.4%19。厌氧真菌中广泛的碳水化合物活性酶谱和纤维素体使其具有强大的纤维降解能力 2 0 。此外，厌氧真菌作为木质纤维素降解剂,多种生物质降解碳水化合物活性酶能够与植物基质进行物理结合，以便促进水解 2 1。虽然瘤胃真菌只占整个瘤胃微生物生物质的5%2 0%，但其降解植物纤维的贡献要超过整个细菌群体 2 。同时，厌氧真菌在木质纤维素分解过程中还会释放一定量的糖以及其他发酵产物，如乙酸盐、乳酸、H,和乙醇 2 3。2.2降解植物细胞壁所有的真菌均能够降解植物细胞壁结构性碳水化合物，去除植物细胞壁上的多糖和一些木质化成分，厌氧真菌在降解植物纤维方面的效果取决于植物细胞壁降解酶 2 4。这些酶能够利用植物生物质作为能量来源，侵入植物组织 2 5。厌氧真菌门的专性厌氧真菌在消化食草动物肠道中的纤维饲料中同样起着关键作用 2 6 。瘤胃中植物细胞壁（纤维素和半纤维素）的有效分解通常需要纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶 2 7 。厌氧真菌作为大型食草动物瘤胃和后肠内植物纤维降解的主要贡献者 2 8 ，通过侵入性的根状生长和一系列有效降解生物质的酶来降解植物细胞壁 2 9。在植物细胞壁中，木质素在植物细胞壁的支撑组织中形成关键结构材料 2 7 1。厌氧真菌的根状体穿透植物细胞壁，消除植物纤维的坚韧性，使其变得更加疏松。同时，真菌分泌细胞外纤维素酶、半纤维素酶、蛋白酶和酯酶等可以有效降解木质素 15.30 。体外试验研究表明，4d内，瘤胃真菌可以消化约56%纤维素和半纤维素，降解16%的木质素 30 2.3降解蛋白质和淀粉瘤胃真菌具有分解淀粉和水解蛋白活性的能力 31。从羊瘤胃中分离出的真菌一额叶新肼体（Ne o c a l l i ma s t i x f r o n t a l i s）PNK 2 显示出高细胞外蛋白水解活性。此外，瘤胃真菌Ncm.patriciarum、O r p i n o my c e sjoyoni和Piromyces communis在与不同谷物孵育期间表现出蛋白水解活性 32 。未来可通过厌氧发酵将瘤胃真菌的发酵液进行浓缩处理，作为优良的饲料蛋白来源 12 。一些厌氧真菌，如Neocallimastix属、Piromyces属和Orpinomyces属的物种可以产生淀粉酶，具有发酵淀粉颗粒的能力 33。据报道，瘤胃真菌能够产生-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶，且额叶新肼眠体产生高活性的淀粉酶和木聚糖酶，可以改变其他细胞外酶的活性，参与膳食蛋白质的降解 34，并且通过生成麦芽糖等为主要产物的内切水解淀粉酶来水解淀粉。另外，Jooni酵母、Neocallimastix patriciarum 和 Piromyces communis 也能够消化谷物 35NO.192023饲料研究FEEDRESEARCH161综述养3影响瘤胃真菌种群的因素3.1饲粮采食高纤维日粮的动物与采食谷物日粮的动物瘤胃真菌组成不同 36 。试验表明，以高谷物日粮喂养的山羊，瘤胃中费拉霉菌（Fe r a my c e s）的相对丰度增加了5倍，高达6 1.1%，而木布利酵母菌（Joblinomyces）明显降低（14.5%），当饮食改变时，新肼抵菌的总体瘤胃种群从2.47108（首干草）下降至2.2 2 10（高谷物）37因此与喂食高谷物日粮相比，喂食高纤维日粮的动物瘤胃中新肼眠菌的多样性更丰富（7 0%）37 。当饲喂含较多粗纤维（果园草和首作为粗饲料的比例为50%）的牧草时，瘤胃中的真菌数量会随之增高5。当厌氧真菌从瘤胃中去除时，绵羊的饲料摄入量减少40%，而且还会影响干物质消化率和产奶量 313.2硫元素饲喂含硫丰富的牧草可刺激动物瘤胃中真菌的生长。研究表明，喂养富含硫的牧草时绵羊中的瘤胃真菌较多，但即使是完全不含硫的植物也能促进动物瘤胃真菌的形成 38 。研究表明，在日粮中添加硫化钠能刺激瘤胃真菌的生长，硫含量为0.2 5%时，瘤胃真菌总数在1d内的平均值达到最大，为11.2 310 3个/mL，极显著高于硫含量为0.12%的对照组（8.2 410 3个/mL）39。补充硫元素可以影响真菌的数量来改善瘤胃厌氧真菌的活性 40 ，还可以刺激真菌种群来改善反动物低硫牧草的消化，提高低质量粗饲料的养分利用率 。施用适宜剂量的抗降解硫源可促进动物瘤胃中真菌的生长 333.3氮源厌氧真菌对氮的短缺也很敏感。相比食用高蛋白日粮，食用低蛋白日粮瘤胃真菌浓度降低2 8%33。氮能够刺激真菌细胞生长，增强生物量形成和纤维素酶的基因表达 42 。以氯化铵做氮源时，纤维素酶活性最高，因此以氯化铵做氮源可以产生较高活性的纤维素酶 43。此外，秸秆改良有利于真菌生长，向秸秆改良土壤中添加氮肥可进一步促进真菌的生长 43.4植物次生代谢产物植物次生代谢产物（PSM s）在动植物协同进化过程中起重要作用(45。次级代谢是指对生物体的生长和繁殖非必需的代谢途径及其相关的小分子产物(46 。研究发现，植物提取物对瘤胃真菌会产生一定的影响 47 。PSM可以提高瘤胃发酵和饲料利用效率，通过抑制瘤胃甲烷生成来提高生产性能 48 。此外，瘤胃真菌对皂苷敏感 47 。在给山羊瘤胃内灌注不同浓度的绞股蓝皂贰后，在低浓度条件下真菌数量显著增加，在高浓度条件下真菌数量显著减少；添加八角茴香油真菌数量显著升高；而大蒜油和脱臭大蒜油则会使真菌数量显著下降 49。总之，PSMs对真菌的生长具有一定的影响 47 。4瘤胃真菌的应用前景4.1沼气工程厌氧真菌是其宿主动物消化道中木质纤维素生物质有效降解剂 50 。沼气发酵是指厌氧微生物在厌氧条件下将秸秆和粪便等有机质转化成沼气的一种发酵方式，有效地利用了生物质能源 51。酶降解能够使动物粪便的沼气产量提高约4%2 2%52 。玉米秸秆和谷子秸秆在反台动物养殖业中具有较高利用价值，可缓解优质牧草短缺的压力 53。厌氧真菌及其植物细胞壁降解酶能够有效降解玉米和小麦秸秆等农业生物质资源 54。研究表明，饲喂49.1g/kg的麦芽和34.4g/kg玉米秸秆日粮可以提高奶牛的产奶量、乳蛋白和乳糖产量以及乳蛋白含量 5。由此可知，厌氧真菌在改善沼气发酵、提高动物生产有着广阔的应用前景。4.2酶生物工程厌氧真菌是生化生产中常用的试剂 5。采用真菌以及相关酶等生物技术可以更好地对生物质进行降解利用 57 。研究发现，在厌氧真菌中发现纤维水解酶和蛋白水解酶的混合物，能更有效地加大牧草利用率，提高生产性能 58 。真菌通过产生木质纤维素分解酶促进了木质纤维素残基的腐烂，木质纤维素可以通过酸水解成5-碳链糖和6-碳链糖，这些糖可以通过厌氧过程转化为生物燃料 59。瘤胃真菌和细胞壁降解酶相互作用，能够显著提高反台动物对饲料的利用率 6 0 。厌氧真菌是木质纤维素生物质转化为生物燃料的一种非常有前途的酶资源 6 1。4.3瘤胃真菌与其他瘤胃微生物的相互关系瘤胃真菌和细菌之间相互作用的性质取决于特定的真菌-细菌配对 6 2 。当使用细菌和真菌的混合培养物时，纤维素酶和木聚糖酶的合成量增加(6 3。真菌还可以影响细菌生长和干物质的消化率，产生多种类型纤维素分解和半纤维素分解酶。然而，真菌和细菌之间也存在拮抗作用 32 。因此，真菌和细菌之间相互作用可能因物种甚至菌株而异，须单独评估 32 产甲烷菌是一种厌氧、产生甲烷的古细菌，一般与瘤胃真菌具有协同作用(6 4)。共培养的产甲烷菌可以提高厌氧真菌的纤维降解能力18 。产甲烷菌还可以利用厌氧真菌的代谢产物加速厌氧真菌繁殖，促进真菌ATP的产生，提高酶的活性 。研究表明，利用厌氧真菌和产甲烷菌的共培养来消化未经处理和蒸汽爆破的玉米秸秆，在3d内分别产生37.1mL甲烷/g底物和32.2 mL甲烷/g底物 3。将甲烷、乙酸盐作为发酵终产物，可以为厌氧真菌在沼气发酵中的应用以及高活性木聚糖酶和乙酸盐生产提供条件 。瘤胃原生动物通常被认为对厌氧真菌具有拮抗作用 6 5。据报道，某些原生动物捕食厌氧真菌游动孢子，真菌游动孢子富含几丁质，而纤毛虫Eudiplodiniummaggi拥有甲壳质分解酶，可以产生真菌细胞壁降解酶，并降低厌氧真菌的纤维溶解活性，利于瘤胃真菌细胞壁NO.192023饲料研究FEEDRESEARCH162非综述中几丁质的消化和代谢(6 5结论研究瘤胃真菌可以有效提高动物对粗纤维的利用率，同时为其他植物纤维的生物降解和利用提供有益的参考。目前，对真菌降解纤维素的机理、真菌与其他瘤胃微生物之间的相互关系、瘤胃真菌对底物的专一性、氮硫等元素对真菌的影响等方面的研究尚浅，未来研究中还需要进行深层次探索和分析。参考文献1 Hartinger T,Zebeli Q.The present role and new potentials of anaerobicfungi in ruminant nutritionDJ.J Fungi(Basel),2021,7(3):200.2 Leis S,Dresch P,Peintner U,et al.Finding a robust strain forbiomethanation:Anaerobic fungi(Neocallimastigomycota)from theAlpine ibex(Capra ibex)and their associated methanogensJ.Anaerobe,2014,29:34-43.3 Li Y,Meng Z,Xu Y,et al.Interactions between anaerobic fungi andmethanogens in the rumen and their biotechnological potential in biogasproduction from lignocellulosic materialsJ.Microorganisms,2021,9(1):190.4 Hooker C A,Lee K 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