酵母培养物对干奶至泌乳高峰期奶牛生产性能、机体免疫及胃肠道微生物的影响

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中文摘要：从干奶期开始到下一泌乳高峰期，奶牛生理状态及代谢水平将发生变化巨大，此时奶牛易发生能量负平衡和免疫抑制反应。该阶段的生理状态决定了奶牛整个泌乳期的生产和免疫水平。酿酒酵母培养物（Saccharomycescerevisiaefermentationproducts,SCFP）是由酿酒酵母发酵得到的一种混合添加剂，属于后生元的一种。SCFP作为后生元在畜牧业中的研究结果差异较大，特别是针对奶牛瘤胃及肠道微生物与宿主本身的互作机制尚未完全阐明。且目前关于SCFP的研究与生产应用中多集中于奶牛围产期（产前3周至产后3周），添加时间较短，无法明确其作为后生元对奶牛的调控机理。因此本研究以荷斯坦成母牛为研究对象，通过五部分试验探讨了自干奶期开始至下一泌乳高峰，长期饲喂SCFP对奶牛生产及免疫的影响机制，为SCFP在奶牛生产中的应用提供更科学的理论依据。试验的第一部分探究了SCFP对奶牛生产性能的影响。选取胎次、体重（BW）、体况评分（BCS）、上一胎次305天产奶量相似的经产荷斯坦奶牛40头，通过随机区组设计进行分组，将其随机均分为对照组（CON组，SCFP=0g/d，n=20）与试验组（SCFP组，SCFP=19g/d，n=20）。所有奶牛饲养条件相同，SCFP组在基础日粮中，每头牛每天额外添加19gSCFP。饲喂期从产前第60天至产后第60天，共120天，饲喂期结束后停止SCFP的添加。试验持续记录奶牛产奶量至产后第20周；收集产后第0（分娩后2h内）、7、14、21、28及60天的奶样，并对其进行乳成分分析；记录产前第60、21天及产后第0、21、60天的BW与BCS；收集产前第60、21天及产后第0、21、60天的瘤胃液，并进行瘤胃发酵指标测定；收集产后第60天的饲料及粪便样品，进行表观消化率的测定。试验结果显示，与CON组相比，SCFP组试验期平均产奶量显著提高2.28kg/d（P=0.04），初乳产量与质量无显著变化；两组间BCS及BW无显著差异，在产后第0-21天SCFP组相较于CON组BCS降低更少（P=0.03）。在产后第0天，SCFP组奶牛瘤胃内丙酸（P＜0.01）、异丁酸（P=0.04）、丁酸（P=0.01）、异戊酸（P=0.02）和戊酸（P＜0.01）的浓度显著高于CON组；在产后第60天，SCFP组较CON组中性洗涤纤维（P=0.06）和酸性洗涤纤维（P=0.07）的消化率有增加趋势。因此，添加SCFP可能通过提高奶牛消化率，增加奶牛产犊当天的瘤胃发酵水平，减缓奶牛的体脂动员，进而提升泌乳阶段的产奶量。试验的第二部分探究了SCFP对奶牛能量代谢、炎症反应以及抗氧化能力等生理状态的影响。在奶牛产前第60、21、7天，及产后第3、7、14、21、60天进行采血，并对血液的生理生化指标进行测定。在主要血液代谢物中，饲喂SCFP可以显著降低奶牛β-羟基丁酸（P=0.04）和非酯化脂肪酸（P＜0.01）浓度，提高总胆红素浓度（P=0.04），除此之外在产前第21、7天SCFP组胰岛素样生长因子1浓度显著高于CON组（P＜0.01）；在血清抗氧化指标中，饲喂SCFP显著提高了总抗氧化能力（P=0.02）、超氧化物歧化酶（P＜0.01）与谷胱甘肽过氧化物酶（P＜0.01）浓度，显著降低了丙二醛浓度（P＜0.01）；在炎症因子方面，饲喂SCFP显著降低了血清中白细胞介素-1β（P＜0.01）、肿瘤坏死因子α（P＜0.01）、血清淀粉样蛋白A（P＜0.01）、脂多糖结合蛋白（P=0.01）与肝素结合蛋白（P=0.03）浓度，同时白细胞介素-6浓度在产前7天及产后0、21、60天时显著降低（P＜0.01）。因此，SCFP可以减少体脂动员的影响，改善奶牛的能量负平衡状态，减轻奶牛的氧化应激与炎症反应，利于奶牛机体免疫与健康。试验的第三部分探究了SCFP对奶牛瘤胃内微生物组成的动态影响。在产前第60天与产后第0、21、60天，采集试验牛瘤胃液样本，并对样本V3-V4可变区进行16srDNA高通量测序。结果发现，在开始添加SCFP前（产前第60天）两组间奶牛瘤胃微生物多样性无差异。到产后第0天两组间奶牛瘤胃微生物组成与多样性差异较大，SCFP组瘤胃在门水平中拟杆菌门和属水平Prevotella、unclassified_c_Clostridia、Rikenellaceae_RC9_gut_group等益生菌的相对丰度显著高于CON组（P＜0.05，LDA＞3），并抑制了unclassified_c_Clostridia、norank_f_norank_o_RF39、Candidatus_Saccharimonas等有害菌的定植。而产后第21与60天两组间奶牛瘤胃微生物α多样性没有差异，但在SCFP组中norank_f_Bacteroidales_RF16_group与CAG-352两个益生菌分别在两个时间点较CON组显著增加。表明在产后第0天，SCFP对奶牛瘤胃微生物区系的稳定起到了积极作用。试验的第四部分基于第三部分的结果，深入探究了SCFP对奶牛产后第0天的瘤胃微生态影响。采集产后第0天瘤胃液样本进行宏基因组分析。结果显示，SCFP组与CON组相比Prevotella_sp、uncultured_Prevotella_sp、Prevotella_ruminicola、Paludibacteraceae_bacterium和Prevotella_sp_ne3005的相对丰度更高（P＜0.05，LDA＞3），其中的部分菌种与代谢通路功能正相关。奶牛瘤胃微生物可能通过淀粉与蔗糖代谢通路中β-葡萄糖苷酶和Endo-β-1,4-葡聚糖酶，以及糖异生代谢途径中的葡萄糖激酶的作用，将纤维素进行分解；并通过三羧酸循环以及丙酸代谢途径中的琥珀酸辅酶A转移酶和乙酸辅酶A连接酶的作用，最终生产大量丙酸。从功能的层面印证了SCFP对奶牛的纤维消化以及瘤胃发酵的促进作用。试验的第五部分探究了产后第0天SCFP在后肠道微生态中的作用。采集产后第0天粪便样本进行16srDNA高通量测序和非靶向代谢组分析。结果显示，SCFP组共鉴定出11个差异菌属，CON组共鉴定出8个差异菌属（P＜0.05，LDA＞3）。对两组间的代谢组结果进行注释共发现205种差异代谢物，其中88种显著富集于SCFP组，117种显著富集于CON组（P＜0.05，VIP＞1，FC＞1）。SCFP组后肠道中富集的Clostridium_sensu_stricto_1、Cellulosilyticum、Terrisporobacter、Eubacterium_ruminantium_group等有益菌与色氨酸代谢、吲哚及吡啶甲酸代谢正相关（P＜0.05），表明了SCFP能够调控后肠道菌群并改善奶牛后肠道微生物代谢。综上所述，SCFP作为一种后生元对于奶牛的生产及免疫具有促进作用。在奶牛干奶期至泌乳高峰期日粮中添加SCFP，可以提高奶牛分娩当天瘤胃内Prevotella_sp、uncultured_Prevotella_sp、Prevotella_ruminicola、Paludibacteraceae_bacterium和Prevotella_sp_ne3005等益生菌丰度，进而可能通过淀粉与蔗糖代谢和糖异生代谢，增加对碳水化合物的降解，并通过三羧酸循环和丙酸代谢生成更多的挥发性脂肪酸，降低血液中β-羟基丁酸和非酯化脂肪酸浓度，减轻奶牛的体脂动员情况，最终提升了奶牛的泌乳性能。而添加SCFP可以增加后肠道Clostridium_sensu_stricto_1、Cellulosilyticum、Terrisporobacter、Eubacterium_ruminantium_group丰度，并通过提高奶牛色氨酸代谢促进吲哚与吡啶甲酸的生成，调控后肠道菌群及宿主免疫，降低奶牛血液中炎症因子浓度，提高抗氧化水平，增强奶牛的免疫力。本研究从奶牛瘤胃及后肠道两部分着手，利用多组学测序技术，对奶牛胃肠道微生物与宿主的互作影响进行探究，揭示了SCFP作为后生元对于奶牛分娩当天生产性能及免疫能力提升的作用机制，为SCFP在生产中的应用提供了更深层次的理论依据。

作者：

徐一洺

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关键词：

奶牛干奶期后生元酿酒酵母培养物多组学分析微生态

授予学位：

博士

学科专业：

畜牧学

导师：

曹志军、陈勇

学位年度：

2024

学位授予单位：

新疆农业大学

语种：

中文

中图分类号：