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重磅综述 | Nat. Rev. Microbiol.：瘤胃微生物群：食物安全和环境影响之间的平衡（上）

2021

08/19

微生态

A-

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本综述总结了60多年来对瘤胃微生物生态学和宿主微生物群相互作用的有关瘤胃微生物群落的主要特征，与瘤胃微生物群落的其他成员相互联系，以及这些联系是如何发生相关的研究。

编译：微科盟R.A，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。

微科盟原创微文，欢迎转发转载，转载须注明来源《微生态》公众号。

导读

哺乳动物肠道被认为是一个重要的微生物生态系统。在特定的哺乳动物谱系中，宿主与其相关微生物之间存在着完全强制性的依赖关系，微生物群落通过这种依赖关系执行基本过程，例如为宿主消化饲料。其中最具代表性和生态相关的例子是反刍动物-前肠发酵罐严重依赖其相关的肠道微生物消化植物饲料，这使反刍动物能够将构成植物生物量主要部分的纤维素和半纤维素等复杂多糖转化为营养性食物。瘤胃微生物组的功能与宿主生理学密切相关，如：瘤胃上皮细胞的发育可能涉及短链脂肪酸（SCFA）对宿主基因调控的调节。由于反刍动物宿主对其微生物组的典型强制性依赖性，这些系统是了解动物宿主与其微生物之间生态和进化关系基本方面的优秀模型。

本综述总结了60多年来对瘤胃微生物生态学和宿主微生物群相互作用的有关瘤胃微生物群落的主要特征，与瘤胃微生物群落的其他成员相互联系，以及这些联系是如何发生相关的研究。因为从非培养技术获得的典型瘤胃成分与报道的瘤胃来源的培养微生物之间仍然存在很大差异，若要进一步加深我们对瘤胃中不同微生物群功能的了解，我们需要分离得到更多瘤胃微生物，而更好地了解分离的瘤胃微生物组成员对于揭示驻留微生物之间的代谢相互作用以及使微生物组的合理设计成为可能至关重要。总的来说，本综述系统的汇总、概述了瘤胃微生物群的组成、生态和代谢，以及对宿主生理和环境的影响相关的总体前沿研究进展和概况，并提出了一些需要关注的科学问题和目前依然存在的挑战。

论文ID

原名：The rumen microbiome: balancing food security and environmental impacts

译名：瘤胃微生物群：食物安全和环境影响之间的平衡

期刊：Nature Reviews Microbiology

IF：60.633

发表时间：2021.5.12

通讯作者：Itzhak Mizrahi

通讯作者单位：以色列本·古里安大学（Ben-Gurion University of theNegev）生命科学学院

综述框架

摘要

引言

主要内容

1 瘤胃微生物组

1.1 瘤胃微生物组的组成

1.2 瘤胃代谢

1.3 氢介导的微生物相互作用

1.4 瘤胃微生物组的组成状态和功能结果

2 甲烷减排策略

2.1 减少甲烷产生的策略

2.2 通过饲养和遗传操作来减少甲烷生成

2.3 缓解微生物演替过程中产甲烷的策略

3 总结

摘要

反刍动物（Ruminants）生产可食用的产品，并有助于粮食安全。反刍动物拥有一个复杂的瘤胃微生物群落，使宿主能够通过微生物介导的发酵来消化植物饲料。然而，瘤胃微生物群也负责产生一种温室气体—甲烷，而反刍动物所产的甲烷占总人类活动（工业，畜牧业等）排放量的18%。传统的降低反刍动物甲烷产量的方法已经被证明是成功的，但效果有限，而且往往是暂时的。对宿主-微生物相互作用的进一步了解导致了新的缓解策略的发展。本文综述了瘤胃微生物群的组成、生态和代谢，以及对宿主生理和环境的影响。我们还讨论了为平衡粮食安全和环境影响而出现的最相关的甲烷缓解策略。

引言

近些年来，哺乳动物肠道被认为是一个重要的微生物生态系统。有趣的是，在特定的哺乳动物谱系中，宿主与其相关微生物之间存在着完全强制性的依赖关系，微生物群落通过这种依赖关系执行基本过程，例如协助宿主消化饲料。其中最具代表性和生态相关的例子是反刍动物-前肠发酵罐严重依赖其相关的肠道微生物来消化植物饲料。该过程使反刍动物能够将构成植物生物量主要部分的纤维素和半纤维素等复杂多糖转化为营养性食物，而这些多糖大部分是人类无法消化的。自新石器时代驯化以来，反刍动物已超过10000年成为家畜，而反刍动物消化人类无法消化的大部分多糖的能力使反刍动物成为我们社会、文化乃至进化的组成部分。宿主动物消化植物饲料的能力主要是由位于其上消化道的瘤胃中微生物群落的功能所赋予的。与反刍动物不同，非反刍动物的微生物在消化过程中的作用较小，而反刍动物需要一个复杂的群落，该群落编码多种功能，使动物能够利用和消化植物纤维。瘤胃微生物组的功能与宿主生理学密切相关，包括：瘤胃上皮细胞的发育，可能涉及短链脂肪酸（SCFA）对宿主基因调控的调节。由于反刍动物宿主对其微生物组的典型强制依赖性，这些系统是了解动物宿主与其微生物之间生态和进化关系的基本方面的优秀模型。

然而，瘤胃微生物群也产生一种有效的温室气体—甲烷。在过去的几十年里，全世界农业牲畜的甲烷排放量不断增加（图1a），从1961年到2017年，排放量显著增加了1.9倍。由于全球对牛奶和啤酒的需求不断增长，预计这些排放量在未来只会进一步增加。甲烷是《京都议定书》要求采取国际措施的六种气体之一，因为它占温室气体排放总量的14%，其全球变暖潜能是二氧化碳的28倍。卫星观测估计，2010-2015年期间的甲烷排放总量平均为548 Tg/年。大约三分之二的排放量（356 Tg/年）来自人为来源，其中100-117 Tg/年来自牲畜，通过呼气或农场产生的生物废物（如粪肥）直接散发（附图1a）。超过一半的牲畜排放源于非奶牛牲畜，其余的则分布在其他牲畜身上（图1b）。此外，在有这些畜牧业的亚洲和非洲等地区，放牧动物和非放牧动物在甲烷排放方面似乎没有显著差异。

图1. 全球甲烷排放量。根据联合国粮食及农业组织（FAOSTAT）肠道发酵估算或计算的甲烷排放数据，按地区和动物描述。a 1960年至2017年全球年排放量，并预测2030年和2050年的排放趋势（红点）。世界地图的颜色编码表示2017年收集的甲烷排放量从低到高。印度、巴西、中国、美国、阿根廷和巴基斯坦的甲烷排放量最高。b动物类型对甲烷排放的贡献水平。图表上的“其他”类别包括非反刍动物，包括：骆驼、猪、马、骡、驴和美洲驼（按甲烷排放的重要性从高到低排列）。数据包括放牧和非放牧动物的肠道甲烷排放量。

由于甲烷排放量的增加，两个主要的天然甲烷汇（即大气和土壤）已不足以平衡其排放量。甲烷在大气中的累积量相当于全球碳失衡总量的一半，这大大加剧了温室效应。然而，鉴于其在大气中的寿命相对较短，甲烷缓解策略似乎是可行的，反刍动物肠道微生物是这种策略的主要目标。近年来，在了解瘤胃生态系统及其与宿主的相互作用方面取得了重大进展。特定的群落结构、微生物及其代谢途径，以及驱动群落组成和生态系统功能的特定代谢物，与宿主基因组及其属性有关，如宿主能量收获效率。在这篇综述中，我们讨论了我们目前对瘤胃微生物组的组成和生态学的理解，以及调节甲烷排放的潜在方法。

主要内容

1 瘤胃微生物组

1.1 瘤胃微生物组的组成

瘤胃微生物群由细菌、原生动物、古菌和真菌组成，而在宿主体内它们以不同丰度和多样性存在。与真核域不同，古菌和细菌域对反刍动物宿主的生存能力至关重要。厚壁菌门和拟杆菌门在DNA和蛋白质水平上都是丰度最高的成员，包括关键的纤维降解物，包括纤维素降解菌，如：Fibrobacter succinogenes，Ruminococcus flavefaciens，Ruminococcus albus，以及几种高效降解半纤维素的细菌，如：Prevotella，Butyrivibrio和Pseudobutyrivibrio。在许多研究中发现所有这些细菌都属于核心属几乎在所有反刍动物中存在，而在最近一项由1000头奶牛组成的大型队列调查中，80-100%的动物中都存在这些细菌。因此，它们可能在瘤胃微生物群的代谢和功能中起着至关重要的作用（图2)。Prevotella、Butyrivibrio和Ruminocococus属的成员作为纤维半纤维素部分定植和降解的优势种进行了特别研究，因为它们包含更广泛的纤维相关酶库，使它们能够消化可用的纤维。在队列研究中分析的1000头奶牛中，也发现了利用纤维素分解细菌降解产物的细菌，如Treponemabryantii。瘤胃微生物组的主要成员还包括利用其他微生物的二次发酵产物的微生物，例如：Selenomonas ruminantium和Succinovibrionaceae科的成员（图2)。

图2. 最常见的瘤胃微生物组核心成员。在1000头奶牛瘤胃组学（Ruminomics）调查中观察到的普遍精确序列（prevalent exact sequence variants，ESV）的门、科和属级分类单元。在其他大规模调查中报告为核心的ESV属用复选标记表示。SILVA数据库中物种水平注释的ESV以粗体显示，而仅属水平注释的ESV以属于特定属的已知瘤胃分离物的名称分配。由于缺乏明确的属级注释或现有分离物而无法确定物种注释的ESV被指示为未确定（n.d.）。在肠道以外的环境中发现分离物的ESV标记为“无肠道分离物”，在任何环境中没有分离物的属的ESV标记为“无分离物”。根据已发表的显微图像显示了上述分离物的细胞形态。条形图，根据家庭水平注释进行颜色编码，显示了1000头奶牛（称为占比）队列中ESV出现的百分比（%）。

值得注意的是，低丰度类群不会转化为微生物群落中不太重要的成员。例如，仅从瘤胃微生物群中分离出极少数纤维素分解物种，它们只占其中很小的一部分，但却从消耗初级纤维消化产物的其他物种中剔除。在这种情况下，纤维素分解细菌F. succinogenes仅占细菌多样性的0.5%，它出现在大多数报告的核心微生物组研究和最近队列研究的所有动物中（图2)。F. succinogenes被认为是一种关键的纤维素分解物种，它通过从纤维素中产生可溶性糖和琥珀酸来促进其他微生物组成员的新陈代谢（图3)。

图3. 瘤胃微生物组代谢概况。瘤胃发酵级联的营养样水平和占据每个水平的相应分离微生物。在第一营养水平（I），植物纤维饲料的主要聚合物（纤维素和半纤维素）被专门的纤维素分解和半纤维素分解微生物降解成小低聚糖。在第二级（II），可溶性糖由瘤胃微生物群的大多数成员发酵。第三级（III）可分为两个子级，用于第二级发酵产物的利用。在第一子级（IIIa），小范围的二级发酵罐利用有机酸生产短链脂肪酸（SCFA）。在第二子级（IIIb），产甲烷菌和潜在的丙酮主要利用氢气，在较小程度上利用甲醇来生产甲烷和醋酸盐。每个水平的微生物丰富度表示为形状区域。b瘤胃核心微生物组成员的代表性分离物对各种代谢物的利用和生产，根据a部分中各自的营养水平进行颜色编码。

另一个重要的低丰度类群的例子是古菌域，它通常代表瘤胃微生物丰度高的一小部分，包括产甲烷菌，它们是这个生态系统中唯一的甲烷产生菌。尽管事实表明，饮食和地理等环境条件会影响产甲烷菌群落的组成，但产甲烷菌对所有前肠动物普遍存在，因此是反刍动物核心微生物群的一部分。这一点得到了上述最新研究的支持，该研究表明，以操作分类单元表示的来自 Methanobrevibacter和Methanosphaera属的物种分别出现在100%和60%的动物中，尽管它们只占相对丰度的一小部分（图2)。

1.2 瘤胃代谢

在瘤胃中，微生物群落以复杂和协调的方式进行代谢级联，从而在不同的瘤胃微生物之间存在连续的、交叉的食物网，形成营养水平。当将组成瘤胃微生物组的物种划分为功能组时发现：在这个生态系统中很明显存在着巨大的功能冗余。事实上，即使仅考虑位于代谢级联顶部的纤维溶解功能，大量碳水化合物活性酶也分布在大多数瘤胃微生物组中，对功能冗余的作用和重要性缺乏了解，这在瘤胃代谢级联的各个层次都很明显。这种广泛的功能冗余在最近的一项队列研究中得到了证实，该研究揭示了动物之间非常高的变异性，90%的队列中只存在一小部分核心微生物组。尽管这些微生物可能对宿主非常重要，但它们只占整个生态系统丰度高的一小部分，这表明其余的微生物保留了高度的冗余性；因此，瘤胃生态系统的功能是由具有相似功能的不同物种来完成的。因此，尽管动物的物种和分类特征可能不同，但微生物编码的功能似乎更稳定。最近，蛋白质组学数据表明，这种功能冗余是由微生物生态位划分（microbial niche compartmentalization）而造成的。

从广义上讲，瘤胃代谢可分为植物纤维大分子和聚合物化学转化的三个营养水平（图3a）。在第一个层次上，我们着重研究纤维素和半纤维素的降解和代谢，它们是植物细胞壁中最丰富和最难降解的糖聚合物。在这个水平上，植物细胞壁结构被微生物定殖，微生物利用属于不同糖基水解酶家族的酶将这些聚合物解构成可溶性形式；其中包括纤维素中较短的葡萄糖聚合物和单体，以及半纤维素中的各种戊糖。在第二个层次，这些可溶性糖通过特定的转运体导入微生物细胞，并通过各种途径进行代谢，如Embden–Meyerhoff–Parnas途径和戊糖磷酸途径，分别用于利用己糖和戊糖，以及其他疑似编码在瘤胃微生物基因组中的非典型代谢途径。这些非典型利用途径包括不完整的Embden–Meyerhoff–Parnas途径和焦磷酸（PPi）依赖的磷酸果糖激酶途径。由于瘤胃中代谢的厌氧性，这些糖的很大一部分随后通过各种下游途径发酵，从而导致有机酸、SCFA以及各种代谢物和气体（如二氧化碳和氢气）的产生，其中一些排泄的代谢物，如乳酸、琥珀酸、氢和二氧化碳，进一步转化为丙酸、丁酸、乙酸和甲烷等。一些关键的核心微生物组成员，如：S. ruminantium，Coprococcus catus和Succuricslaticum ruminis将乳酸和琥珀酸转化为SCFAs（图2和3）；所产生的大量氢气主要被产甲烷菌用来将二氧化碳还原为甲烷。还原硫酸盐和还原硝酸盐的微生物也用氢，并参与生产不饱和脂肪酸和微生物生物量，但利用率较低。此外，尽管瘤胃中存在同产乙酰和产乙酰的细菌，但产乙酰在热力学上不如产甲烷菌有利，而还原性产乙酰主要发生在没有产甲烷菌的情况下。也有证据表明瘤胃中存在甲烷氧化菌（将甲烷氧化成二氧化碳的细菌），但其活性有限。

产甲烷菌是产生电子汇（electron sinks）的关键，是整个食物链的关键驱动力。所有产甲烷菌都是Euryarchaeota古菌门的成员，共有7个目，其中甲烷杆菌、甲烷单胞菌、甲烷单胞菌和甲烷单胞菌在瘤胃生态系统中普遍存在。其中，甲烷诺杆菌目的甲烷诺杆菌属是最主要的，占瘤胃古菌群落的70%。就其生理和生态而言，可以区分三种不同的产甲烷菌群，这暗示了瘤胃中有关产甲烷菌代谢前体的不同生态作用。这些类别包括：氢氧化菌，利用氢气将二氧化碳、一氧化碳或甲酸盐还原为甲烷；甲基营养菌，利用甲基化化合物，如甲醇或甲胺；以及使用醋酸盐来进行这一过程的乙酸裂解产甲烷菌。甲烷八叠球菌属的成员可以使用所有这些前体。产甲烷菌在牛出生后几分钟就出现在瘤胃。早期产甲烷菌群落在新生动物中已经很活跃，但在底物利用方面与成熟动物群落不同。事实上，在成熟动物中，氢营养菌占产甲烷菌的大多数，而新生小牛的微生物群中甲基营养菌的比例更高，这表明生命不同阶段的不同代谢环境丰富了代谢不同的产甲烷菌群。了解这些功能动态对于制定有效的群落调节和干预策略至关重要。

从大分子到最终的电子受体，食物网的消费层次也引起了不同营养水平之间大量的微生物反馈相互作用。这些复杂的网络产生大量由微生物产生的代谢物，其中一些被反刍动物宿主利用以满足其能量需求。SCFA就是一个例子，它通过瘤胃壁被吸收，为宿主提供高达70%的能量需求。此外，瘤胃微生物本身是动物重要的蛋白质来源，随后在下消化道被消化。因此，瘤胃微生物共生体及其分泌的代谢组（即整个代谢产物分类）构成了动物营养的基础，影响全球粮食安全以及甲烷的生产和排放。

1.3 氢介导的微生物相互作用

氢是成年瘤胃生态系统中甲烷产生和瘤胃群落动态的关键分子。氢在植物纤维发酵过程中积累，并通过产甲烷作用被产甲烷菌去除。因此，以这种方式，产甲烷菌作为主要的电子汇在瘤胃履发挥其主要作用。此外，通过利用氢，产甲烷菌可能影响其他对氢分压敏感的微生物种类。最近的一项研究检查了已测序的瘤胃微生物基因组和现有的瘤胃转录组，发现三分之二的基因组编码和表达可能利用氢的酶，如[FeFe]氢化酶、[NiFe]氢化酶、[Fe]氢化酶和固氮酶。事实上，氢气压力通过微生物生长动力学和发酵热力学影响瘤胃甲烷的形成和发酵平衡，对应的例子如：R. albus 和 R. flavefaciens。这些主要的纤维素分解微生物被认为是瘤胃中主要的纤维降解菌。在体外，这些物种已被证明在产甲烷菌的存在下改变其代谢以增加能量产量，这些产甲烷菌消耗产生的氢并降低其分压，从而增加与葡萄糖发酵相关的自由能，从而在产氢和耗氢过程中与产甲烷菌的这种共营养相互作用中增加与其他纤维素分解物种（如瘤胃真菌半纤维素分解菌和额外的碳水化合物发酵菌：Neocallimastix frontalis，F. succinogenes）之间ATP增益和能量输出。此外，产甲烷菌的氢利用和氢分压的降低有助于缓解氢介导的生物质水解产物抑制，从而提高厌氧消化。事实上，来自不同动物的瘤胃样本中的产甲烷菌和纤维素分解微生物的丰度正相关。因此，位于瘤胃营养级联远端的这两个不同的过程是相互依赖的。这一点在一项研究中得到了证实：该研究考察了纤维降解过程中的微生物演替，表明产甲烷菌的丰度增加是导致氢分压降低的原因，而氢分压降低又使纤维进一步降解，并导致两个明显的纤维降解阶段。

这些代谢氢转移相互作用可能需要对应物种之间的物理互作。事实上，偶尔会发现产甲烷菌与瘤胃中的微生物产氢菌有关。这种物理互作的一个例子可以在纤毛虫原生动物身上观察到，它们属于瘤胃真核域。原生动物被认为是主要的氢供应者，因此与产甲烷菌相互作用。已经观察到几个属，如：Entodinium，Polyplastron，Epidinium，Ophryoscolex和产甲烷菌属，之间的物理联系。产甲烷菌被发现在体内和体外定植于原生动物，这种相互作用导致了一种互惠关系，这种关系被认为能促进瘤胃中甲烷的形成。在产甲烷菌和其他细菌之间也观察到了物理相互作用。在特定情况下，这些相互作用被认为是通过粘附素样蛋白进行机械介导的，例如：Methanobrevibacter ruminantium，其基因组中鉴定出一种蛋白质，该蛋白质被证实与原生动物和瘤胃细菌Butrivibrio proteolaticus结合。这些信息可能为真核生物和细菌域与产甲烷菌之间的相互作用提供机制上的线索。因为很显然，它们是驱动产甲烷菌的主要因素。

1.4 瘤胃微生物组的组成状态和功能结果

从饲料中获取并被动物吸收或以甲烷形式排放到大气中的能量在很大程度上受其瘤胃微生物组的活性和组成的影响。尽管产甲烷菌是瘤胃中唯一已知的甲烷产生菌，但甲烷产生量与产甲烷菌丰度之间的关系尚不清楚。事实上，在一些研究中，产甲烷菌的丰度与高甲烷排放反刍动物直接相关，而在许多其他研究中，没有明显的直接相关性，细菌和真核生物群落的组成对瘤胃微生物群的产甲烷潜力有很大影响，因为产甲烷菌依赖于其他微生物的活性。例如，在最近的一项研究中，核心微生物组（主要包括非产甲烷物种）组成的变化可用于高精度预测动物的甲烷排放量。这表明不能产甲烷的微生物组成员之间的代谢中继驱动能量流向甲烷排放。

似乎瘤胃微生物群中的相互作用的微生物网络定义了最终的群落组成、功能和结果（即替代的稳定群落状态）。因此，根据微生物相互作用类型和产生的代谢反馈的强度，瘤胃生态系统可以稳定在几种不同的微生物群落状态。建立不同的稳定群落状态与甲烷的产生和动物的排放有关。事实上，在两个地理距离较远的地区（以色列和新西兰）进行的两项平行研究确定了两种不同的群落组成，发现它们与两种不同的瘤胃生态系统功能相关。一种状态与较高的甲烷排放量和较低的宿主饲料效率有关，而另一种状态与较高的SCFA产量和较高的宿主饲料效率有关。在这两项研究中，乳酸和氢似乎是功能微生物群和功能结果的分叉连接。这种代谢分支的下游分支是乳酸利用和产甲烷作用—两者都利用氢，因此被认为是竞争。本次竞争的结果促成上述两个共同菌群的建立。因此，可供选择的稳定群落状态源于功能微生物群之间的相互作用，如乳酸利用菌与产甲烷菌之间的相互作用，可能决定正在排放的甲烷量。因此，在这种情况下，低甲烷排放的特点是微生物群分泌的代谢物既有可能抑制产甲烷菌，又有可能在与产甲烷菌竞争的代谢级联中作为前体发挥作用。例如，乳酸可以通过降低pH值来抑制产甲烷作用，同时，通过利用氢的途径进行代谢，从而引导瘤胃代谢远离产甲烷作用并向特定的SCFA产生方向发展。在这种组成状态下，Sharpea属的物种被强调为乳酸产生菌，而Coprococcus和Megasphaera被指定为氢和乳酸利用菌，它们通过丙烯酸酯代谢途径从这些前体产生丙酸盐。因此，甲烷产量的减少与宿主用作能量的丙酸盐的增加相结合，这可能解释了产甲烷量减少与产奶量增加之间的联系。

另一个与低甲烷排放量相关的群落状态通常以直接与产甲烷菌竞争氢气的细菌群为特征。在这些群体中，Succinivibrionaceae（琥珀酸菌科）在许多研究中得到了强调，最初在甲烷排放量低的小袋鼠的微生物群中发现了高丰度，但在甲烷排放量极低的反刍动物中也发现了高丰度。这一组被进一步确认为有限数量的遗传细菌之一。因此，Succinivibrionaceae科可能是微生物群定向育种计划中甲烷缓解策略的潜在目标（见下文）。此外，另一项研究最近记录了琥珀酸科成员在宿主出生一个月后数量激增，而在3岁时改变饮食习惯后，3月内产甲烷菌数量激增。这些发现表明琥珀酸菌科和产甲烷菌是相互排斥的，特定的条件有可能使琥珀酸菌科数量超越产甲烷菌。事实上，已经证明，增加氢气供应可以增加琥珀酸的生成，因为琥珀酸的生成焓低于甲烷的生成，是琥珀酸科的主要代谢产物。

这些天然存在的瘤胃微生物组分与减少甲烷产量和提高饲料消化效率有关，而在不做干预的情况下减少甲烷排放，同时维持粮食安全可能是未来研究的目标。相反，一些非产甲烷微生物群一直与高甲烷排放有关，其中包括瘤胃球菌属、普氏菌属和双杆菌属，以及原生动物。至于这些群落状态的组成和功能对饮食变化的影响有多大？是否可以通过饮食干预加以控制？这些问题还有待进一步研究和确定。