反刍动物瘤胃中乳酸生成和代谢机制及其与瘤胃酸中毒的关系

Sub-acute rumen acidosis (SARA) is a frequently ooured nutritional metabolic disorder in ruminants induced by feeding excessive amounts of concentrate containing readily fermentable carbohydrates. Mechanisms of lactic acid formation and catabolic metabilism is closely relative to SARA, whereas its metabolic pathways remains unclear academically. In the proposed study, the metabolomics approach based on GC-MS along with rumen epithelium cell culture techniqures will be applied to investigate the influence of dietary fiberic structures on lactic acid formation and microbial metabolic pathways as well as SARA induced rumen microbial community variation in dairy goats. Subsequently, in vitro studies are conducted to investigate the influences of cabohydrates categories on the lactic acid metabolism pathway in the rumen epithelium and its consequence to rumen function. The mechnism of lactate metabolism in the rumen involved in effects of SARA related microbial diversity varity with the different diet are revealed based on the studies conducted in this porject. These studies are aimed to explore the different metabolic pathways of lactic acid in response to diets and to establish a linkage with rumen microbiota. Givem this potential that this result of studies could improve our understanding of SARA-related pathways of lactic acid metabolism in the rumen and give further insight into developing strategies for nutritional manipulation in ruminants.

亚急性瘤胃酸中毒（SARA）是反刍动物因大量饲喂快发酵碳水化合物的精料日粮而诱发的一种常见营养代谢病。乳酸在瘤胃中的产生和代谢机制与瘤胃酸中毒的关系密切，但其机制不甚明了。本项目围绕瘤胃内乳酸的产生和代谢通路，采用代谢组学分析技术、体外培养与体内试验方法，从SARA产生所饲喂动物日粮的碳水化合物组成与结构、瘤胃微生物群落结构和瘤胃内乳酸的产生、乳酸的微生物代谢通路及其瘤胃上皮细胞内乳酸代谢机制三个层次，研究乳酸的产生途径、代谢通路的差异及其与SARA的关系，探讨不同日粮条件下瘤胃上皮细胞内乳酸利用的规律，从整体上阐明不同种类和模式的碳水化合物日粮对乳酸产生机制和代谢调控的分子机制。本研究有助于解决反刍动物亚急性瘤胃酸中毒发生的关键科学问题，为今后制定不同日粮条件下的反刍动物亚急性瘤胃酸中毒防控措施提供科学依据。

亚急性瘤胃酸中毒（SARA）是反刍动物因大量饲喂谷物日粮而诱发的一种常见营养代谢病。乳酸是瘤胃中重要的碳水化合物代谢中间产物。乳酸在瘤胃中的产生和代谢机制与瘤胃酸中毒密切相关。本项目采用体外培养与体内试验方法，从SARA产生所饲喂动物的日粮碳水化合物组成与结构、瘤胃微生物群落结构和瘤胃内乳酸的产生、乳酸的微生物代谢通路及其瘤胃上皮细胞内乳酸代谢机制揭示了乳酸的产生途径、代谢通路的差异及其与SARA 的关系。研究阐明了瘤胃发酵底物中提高可溶性淀粉和葡萄糖浓度促进瘤胃牛链球菌乳酸产量，其乳酸发酵对pH变化更敏感的规律。研究发现培养底物的pH值改变了共培养细菌M. elsdenii和S. ruminantium通过乳酸-丙烯酸途径和乳酸-琥珀酸途径产生丙酸的比例。解析了瘤胃酸中毒模式下瘤胃内主要乳酸利用菌的乳酸代谢利用通路变化。底物乳酸浓度降低时M. elsdenii分解乳酸趋向产生乙酸，而乳酸浓度提高时则趋向生成丙酸和丁酸；而相较于底物浓度变化，M. elsdenii分解乳酸产生有机酸通路变化对环境pH更敏感，即高pH条件下M. elsdenii能够分解更多的乳酸；丙酸主要由丙烯酸途径产生，其次是琥珀酸途径，乳酸主要被发酵生成丁酸；低pH条件下，M. elsdenii对乳酸降解的贡献降低，但乳酸更多的通过丙烯酸途径生成丙酸。研究揭示了低pH值与低乙酸/丙酸比例抑制瘤胃上皮细胞的乳酸吸收与代谢，造成了瘤胃内乳酸蓄积的机制。瘤胃上皮细胞可代谢利用乳酸，同时乳酸在瘤胃上皮的利用与瘤胃酸度和瘤胃中C2/C3的比例密切相关，瘤胃内的低pH值与C2/C3比会抑制瘤胃上皮细胞乳酸转运蛋白的基因表达造成乳酸的堆积。体内试验证明了瘤胃灌注埃氏巨型球菌和饲喂酸处理谷物原料来防控瘤胃酸中毒的可行性。本研究针对因乳酸产生和利用引起反刍动物SARA发生的关键科学问题，从整体上阐明不同种类和配比的碳水化合物组成的日粮对乳酸产生的微生物机制和代谢调控的分子机制，为今后应用该研究结果制定反刍动物亚急性瘤胃酸中毒防控措施提供科学依据。