牦牛瘤胃微生物降解硝基毒素的生物学特性与机理

Over the past 50 years, human activity and climate change have lead to serious rangeland degradation on the Qinghai-Tibetan plateau, which have resulted in poisonous plants spread widely, following by the loss of numerous goats and sheep due to toxicity every year. Therefore, plant toxicity is a serious threat to the safety and development of animal husbandry of all over the world, and detoxification by rumen microbe becomes a hot topic from then on. The objective of this project is to investigate the biological characteristics of nitrotoxins (NPA/NPOH) degradation by rumen microbe in yak, and to reveal the rumen microbial structure of detoxified species through the enrichment culture and molecular biological methods, then to isolate the target strains from mix culture of yak rumen. Moreover, the present study is to explore the effect of nitrotoxin-metabolizing activity in the different gas phase, nitrocompounds, carbon source and energy, then search the suitable electron donor and carbon source for nitrotoxin-metabolizing bacteria. We also need to ensure the metabolizing pathway and metabolites of NPA/NPOH by the metabonomic analysis method, then clarify the mechanism of nitrotoxin degradation by rumen microbes in yak. The above study will lead to the obtaining of basic knowledge and technique skill for detoxicification in the rumen.

过去50年里由于人类活动和气候变化，导致青藏高原高寒草地严重退化，有毒植物不断扩张肆虐，家畜因采食而死亡的现象日益突出，给草地畜牧业经济带来巨大损失。这也是全球草地畜牧业面临的共同威胁，至此草食家畜的生物解毒也随之成为研究热点。本项目以牦牛瘤胃微生物为研究对象，探讨其对硝基毒素3-硝基-1-丙酸（3-nitro-1-propionic acid, NPA）和3-硝基-1-丙醇（3-nitro-1-propanol, NPOH）的生物学降解特性；通过富集继代培养并结合分子生物学手段，揭示降解硝基毒素牦牛瘤胃微生物的群落结构和种类组成，并进行微生物菌株分离培养；同时，探讨不同气体介质、硝基化合物、碳源及能量物质对硝基降解菌代谢NPA和NPOH活性的影响，确定硝基降解菌降解NPA或NPOH适宜的电子供体及碳源，并通过代谢组分析手段对牦牛瘤胃微生物降解NPA或NPOH的产物进行非靶向代谢产物分析，确定NPA或NPOH的代谢通路，以期揭示牦牛瘤胃微生物降解硝基毒素的相关机理。通过上述研究，为草食家畜的生物解毒提供理论基础和技术支撑。

采用传统分子学方法，二代测序等技术手段并结合体外模拟等方法，研究了纯培养条件下青藏高原反刍家畜硝基毒素（NPA）的降解特性；并且明晰了在冬季添加不同浓度的硝基毒素（NPA）对放牧牦牛与黄牛体外发酵特征的影响；同时阐明了牦牛、藏羊和小尾寒羊瘤胃真菌和原虫的组成，以期挖掘青藏高原独特和共有的微生物菌群；探究当地有毒棘豆属和黄芪属植物的营养价值以及黄芪属植物在不同季节对放牧牦牛和黄牛瘤胃体外发酵特征的影响。截止项目结题时，已发表SCI两篇，已投稿SCI三篇和中文CSCD一篇；培养博士、硕士研究生各一名。主要研究结果有：1）青藏高原反刍家畜具有降解硝基毒素（NPA）的能力，并且鉴定出三种反刍家畜瘤胃中与降解硝基毒素（NPA）相关的菌群；2）牦牛瘤胃真菌和原虫的组成与小尾寒羊和藏羊明显不同，小尾寒羊和藏羊瘤胃原虫和真菌组成接近。一些常见的瘤胃原虫和真菌在不同品种间相对丰度存在波动；3）不同浓度的硝基毒素（NPA）能够在冬季不影响体外干物质降解率的情况下有效提高瘤胃发酵性能；4）5种有毒棘豆属植物营养成分较高，且均高于或接近优质苜蓿饲草。5）4种有毒黄芪属植物在营养成分以及瘤胃体外发酵性能方面均优于当地的燕麦干草，并且牦牛的体外发酵性能明显优于黄牛，牦牛与黄牛暖季的体外发酵性能明显优于冷季。上述研究成果将对未来进一步筛选分离降解硝基毒素（NPA）的瘤胃单株菌提供数据支持，以期为藏区家畜生物解毒提供理论依据和技术支撑。同时，硝基毒素降解菌群的研究也为后续益生菌群的开发提供理论依据。通过体外试验模拟有毒植物体外发酵，将为后续降低甲烷排放提供一个新的可能途径，同时也为青藏高原有毒牧草的潜在利用价值提供科学依据。