外源甘露寡糖调控绵羊瘤胃二氧化碳代谢机理研究

Mannan oligosaccharides (MOS) is a kind of functional oligosaccharides with brilliant prospect. In our previous study, whatever at the in vitro and in vivo condition, the ruminal carbon dioxide production decreased when adding MOS into diet. However, there is deficiency of relative achievements about mechanism of MOS inhibiting carbon dioxide production in sheep rumen. As a result, we propose a hypothesis that either MOS restrain the ruminal microbes to cut down the content of carbon dioxide in rumen, or MOS alter the metabolism pathway of carbon dioxide in rumen, such as increasing the capacity of microbes synthesizing amino acid, propionic acid and lipid or improving the carbon dioxide absorbing ability of rumen wall to synthesize the blood glucose and blood protein, and then we observe the ruminal carbon dioxide concentrate degrading as final consequence. Therefore, we plan to choose sheep fed diet with MOS as test object, using feeding experiment, carbon balance experiment, microbial 16S rRNA genome sequencing technique, rumen epithelial transcriptome and proteome technique to do systemic research on differences about metabolism pathway and microbe related to carbon dioxide production in sheep rumen. In addition, we hope to find the differential genes and proteins of ruminal epithelium related to carbon dioxide produntion, and the correlation between rumen epithelial transcriptome and proteome by defining function, pathway analysis and correlation cluster analysis of expression quantity as well. Then, we hope to reveal the mechanism of MOS reducing the carbon dioxide content in sheep rumen. Ultimately, the achievements could be used in sheep production process for environmental friendly purpose.

甘露寡糖（MOS）是具有开发前景的功能性寡糖。本团队前期研究发现，外源MOS在体外和体内试验中，均能有效降低绵羊瘤胃CO2排放，但影响机制目前并不清楚。因此，本项目以前期结果为切入点，假设外源MOS影响瘤胃微生物发酵而降低CO2产量，或者改变瘤胃CO2相关代谢通路（如提高瘤胃微生物利用CO2合成氨基酸、丙酸和脂类的能力或提高瘤胃壁对CO2的吸收而促进血糖和血浆蛋白的合成等）导致CO2的利用能力增强而使CO2排放减少。本研究以添加外源MOS绵羊为试验对象，采用饲养试验、碳平衡试验、微生物16S rRNA基因组测序、瘤胃腹囊上皮组织转录组和蛋白质组等技术，分析瘤胃CO2代谢相关通路和相关微生物区系的差异，探究瘤胃上皮组织CO2代谢相关差异基因和蛋白质，并对差异基因和蛋白质进行功能注释和通路分析以及组间关联聚类分析，揭示外源MOS降低绵羊瘤胃CO2排放的机理，为环境友好型绵羊生产提供基础数据。

本项目主要针对甘露寡糖（mannan oligosaccharides，MOS）调控浏阳黑山羊瘤胃发酵及微生物区系、MOS调控湖羊生产性能、屠宰性能、肉品质、胃肠道微生物区系及相关基因表达等方面进行了较为深入的研究。研究发现，MOS显著降低浏阳黑山羊瘤胃中甲烷和二氧化碳的排放（P<0.05），24h动态监测中也发现MOS组山羊甲烷和二氧化碳排放一直低于对照组山羊，MOS还显著降低浏阳黑山羊单位增重和单位胴体重的碳足迹（CO2-eq，P<0.05）；LEfSe分析显示， MOS组浏阳黑山羊瘤胃梭状芽孢杆菌和毛螺菌丰度显著高于而假单胞菌和琥珀酰弧菌丰度显著低于对照组山羊（P<0.05），瘤胃微生物主要参与代谢、遗传信息处理和环境信息处理过程。MOS对湖羊生产性能和屠宰性能以及器官指数和胃肠指数均未产生显著影响（P>0.05），但MOS显著提高湖羊肝脏重量（P=0.05）并显著降低盲肠重量和盲肠指数（P<0.05），显著提高湖羊肉色的a*45min和b*45min（P<0.05），并显著降低b*24h和L*24h（P<0.05）；LEfSe分析显示，MOS显著降低湖羊瘤胃、十二指肠和结肠中甲烷球形菌、甲烷八叠球菌和甲烷短杆菌丰度；湖羊瘤胃、十二指肠和结肠微生物主要参与养分消化、转运和分解、蛋白质代谢、脂类代谢、多糖的生物合成和代谢、膜转运、氨基酸代谢和糖代谢等过程。湖羊瘤胃组织转录组分析共筛选出278个DEGs，包括149个上调基因和129个下调基因，KEGG和GO分析显示，MOS上调的DEGs主要富集在氧化磷酸化、能量和碳水化合物代谢、脂类代谢以及固醇类激素合成等代谢通路，MOS下调的DEGs主要富集在TGF-β信号通路、蛋白质消化吸收、胰岛素分泌、甲状腺素分泌、RIG-Ⅰ样受体信号通路、谷胱甘肽代谢和组氨酸代谢等代谢通路。此外，在共轭亚油酸调控湖羊屠宰性能和胃肠器官指数、以及硝酸钙和单宁酸调控湖羊瘤胃动态发酵和血清抗氧化能力等的研究中，发现共轭亚油酸可提高湖羊胴体重和屠宰率（P＜0.05），硝酸钙降低湖羊瘤胃丙酸比例并提高乙酸比例和氨氮浓度（P＜0.05），单宁酸降低湖羊瘤胃总挥发性脂肪酸浓度和血清MDA浓度并提高血清T-SOD和GSH-Px含量（P＜0.05）。

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