放牧牦牛瘤胃微生物定植过程与季节响应模式研究

For a long time, seasonal forage supply imbalance and the harsh environment in Qinghai-Tibetan Plateau, has resulted in a series of unique adaptation mechanisms for the co-evolution of yak to withstand cold, low oxygen, high UV radiation, nutritional deficiencies and other adverse conditions. Rumen microflora fermentation system is an important nutrition reservoir to support the host to resist external stress. Revealing the colonization yak rumen microbial flora and their seasonal variations mode would help to clarify the essential characteristics of "nitrogen and carbon salvage" of grazing yaks. Based on our previous work, this study is mainly focused on the colonization of rumen microflora (bacteria, fungi, methanogen, protozoa) in the different growing stages of grazing yak and the rumen microbial flora seasonal variation of adult yak. The study will be carried out by high-throughput sequencing (Miseq), prediction analysis (PICRUSt) and other biotechnology. The identification of unique yak rumen microflora related to the harsh environment adaptation could also help the host system for further "low carbon" regulation, and thus provide theoretical and technical support to the sustainable development of Tibetan ecological livestock husbandry.

长期以来，高原严酷的自然环境和季节间草地牧草供给失衡，致使牦牛在协同进化过程中形成了一系列特殊的适应机制，以抵御低温、少氧、高辐射和营养缺乏等逆境条件。瘤胃微生态发酵系统是支撑牦牛机体抵御外部逆境的重要营养库。揭示牦牛瘤胃微生物菌群在瘤胃不同发育阶段的定植过程与季节响应模式，对于明晰放牧牦牛的‘节氮和低碳’特征至关重要。本课题主要基于我们前期的工作积累，通过Miseq高通量测序及PICRUSt后期分析等试验手段，着重研究放牧牦牛不同发育阶段瘤胃微生物菌群(细菌、真菌、甲烷菌、原虫)的定植过程以及成年牦牛瘤胃微生物菌群的季节变化规律。试图发现牦牛瘤胃微生态系统中有助于宿主抵御高寒逆境的特殊微生物菌群，并通过进一步调控目标菌群，达到提高牦牛生产性能之目的。为实现藏区生态畜牧业的可持续发展提供理论和技术支撑。

本课题组经过四年的野外试验和室内分析工作，从瘤胃微生物的来源、定植、季节响应、食性成分以及发酵互作五个方面对牦牛瘤胃微生物的高原适应性做了全面解析，主要结果如下：1）从出生到六月龄，犊牛的细菌组成与犊牛母亲瘤胃细菌组成的相似度最高，其余相似度依次为母亲的唾液、牛奶和乳房皮肤；犊牛瘤胃古菌与细菌的情况一致；而犊牛瘤胃原虫菌群组成与犊牛母亲的唾液原虫菌群组成最为相似，其次为母亲瘤胃液和乳房皮肤，说明犊牛瘤胃微生物组成与其母亲瘤胃微生物组成相似度较高。2）在刚出生7日龄，犊牛瘤胃细菌微生物组成受母牛乳房皮肤和牛奶影响最大（贡献值0.053和0.027），之后影响力逐渐降低，而从2月龄到六月龄母亲瘤胃液和唾液则对犊牛瘤胃细菌菌群来源贡献逐渐增大；母亲唾液和乳房皮肤对犊牛瘤胃古菌的影响力随着年龄的增加逐渐降低，而母亲瘤胃液对犊牛瘤胃古菌的影响力随年龄的增加逐渐增加；母亲瘤胃液对犊牛原虫菌群来源贡献值随年龄的增加逐渐降低，而唾液和乳房皮肤对犊牛瘤胃原虫的贡献值随年龄的增加逐渐增加。3）瘤胃微生物菌群组成（细菌、古菌、原虫和真菌）随牦牛发育阶段（7日龄到12岁）的变化而变化，较原虫和真菌而言，瘤胃细菌和古菌菌群组成随发育阶段的变化更加明显；4）在预测牦牛瘤胃微生物成熟度的过程中，Olsenella (细菌), Group 10 sp. (古菌), Orpinomyces (真菌) 和Dasytricha (原虫)贡献值最大，且瘤胃古菌菌群大约在5岁趋于成熟，而其它瘤胃微生物则在5到8岁间趋近成熟；通过网络分析，发现瘤胃中细菌（Christensenellaceae R-7 group， Prevotella 1，Ruminococcaceae UCG-014 和 Lachnospiraceae）和原虫（Trichostomatia）是瘤胃发育过程中的核心菌群。5）宏基因组分析发现牦牛瘤胃中与纤维降解相关的菌群（Fibrobacter succinogenes和 Ruminococcus albus）以及产甲烷菌群（Methanomicrobium mobile）的丰度均随冷季到来显著增加。 6）牦牛食物组分结构多样化且具有显著的季节性差异。7）牦牛与黄牛瘤胃液体外混合发酵显著提高了黄牛瘤胃发酵效率。