瘤胃真菌對(duì)纖維降解的研究進(jìn)展

1、瘤鬥真菌對(duì)纖維降解的研究進(jìn)展反芻動(dòng)物消化生理的最大特點(diǎn)是瘤胃微生物能進(jìn)行復(fù)雜的消化代謝。長(zhǎng)期以來對(duì)瘤胃微生物區(qū)系研究丄要 集中于瘤胃細(xì)菌、纖毛蟲的數(shù)量、分布及其生命活動(dòng)等方面，對(duì)瘤胃真菌研究較少。自orpin發(fā)現(xiàn)厭氧真 菌與細(xì)菌共存于瘤胃后，瘤胃真菌的纖維降解能力逐漸成為研究熱點(diǎn)。1厭氧真菌的分類厭氧真菌除廣泛存在于反芻動(dòng)物的消化道內(nèi)，還存在于單f?草食動(dòng)物的盲腸中。根據(jù)菌根的形成方式、游 動(dòng)砲子的鞭毛數(shù)及假根的形態(tài)1,瘤胃厭氧真菌主要分6個(gè)屬,分別為neocallimastix、piromyces、 caecomyces、anaeromyces、orpinomyceshe和cyllamyce

2、s,其中17個(gè)種被確定。最新理論認(rèn)為瘤胃中厭 氧真菌的生活史分為兩個(gè)階段，即具冇鞭毛和運(yùn)動(dòng)能力的游動(dòng)抱子階段和附著在消化碎片上不動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)體 階段。而在逆境情況f如糞便中厭氧真菌的牛活史主耍由三個(gè)階段組成，即游動(dòng)他子階段、營(yíng)養(yǎng)體階段和 耐受性菌根階段2。在瘤胃中，厭氧真菌對(duì)植物組織的降解主耍發(fā)生在非活動(dòng)階段。2厭氧真菌對(duì)纖維的獨(dú)立降解作用2.1瘤肖貞-菌對(duì)纖維的物理性降解動(dòng)物采食高纖維口糧時(shí)厭氧克菌數(shù)量増多。因此，厭氧真菌對(duì)于高纖維低質(zhì)牧草的消化具冇重要作用。作 為瘤胃中唯一可以穿透植物角質(zhì)層的微牛物，真菌的穿透牛長(zhǎng)降低了植物纖維組織的內(nèi)部張力，使其變得 疏松而易被瘤丹微生物降解，便于動(dòng)物利川。

3、于長(zhǎng)青等(2004)研究表明，瘤胃真菌有很強(qiáng)的穿透能力和 降解纖維素的能力，能部分降解或消弱更多的抗性組織，穿透牧草角質(zhì)層屏障，因而可以降解無(wú)法被細(xì)菌 和纖毛蟲降解的木質(zhì)素纖維物質(zhì)3。samanta等(2001)通過對(duì)瘤胃中不同的微生物區(qū)系對(duì)小麥秸降解作 用的研究，發(fā)現(xiàn)含真菌的實(shí)驗(yàn)纟ri乙酸的摩爾比例較高，且無(wú)丙酸生成，同樣說明了真菌具冇較強(qiáng)的降解纖 維作用。由于真菌的穿透作用，使植物確片的抗張強(qiáng)度降低，從而大大增加了瘤胃細(xì)菌在植物上的棲屈 部位，使瘤f?細(xì)菌消化能力得以提高。動(dòng)物采食含硫牧草時(shí)，其采食量增加的原因部分歸功于刺激了真菌 的生長(zhǎng)，真菌的增多可加強(qiáng)其破壞或弱化纖維降解的解剖學(xué)阻力，

4、促使食物顆粒度降低，因?yàn)橹会躩較小的 飼料顆粒方能進(jìn)入后段消化道。瘤胃真菌對(duì)植物纖維的破壞作用使得家畜的反芻更易于進(jìn)行，從而加強(qiáng)了 飼料顆粒的降解過程。瘤胃真菌降解纖維時(shí)首先分離木質(zhì)化的纖維組織，從而為細(xì)菌利用與木質(zhì)索結(jié)合的纖維物質(zhì)創(chuàng)造條件。雖 然細(xì)菌是瘤訝內(nèi)主要分解纖維的微生物，但真菌卻是首先深入植物纖維組織中的微生物，為細(xì)菌發(fā)酵創(chuàng)造 了有利條件5。2.2瘤胃真菌對(duì)纖維的化學(xué)性降解瘤胃內(nèi)人部分植物細(xì)胞壁降解是由真菌完成的5。與細(xì)菌相比，厭氧真菌在降解高纖維植物過程中具冇更 多優(yōu)勢(shì)，如能降解含木質(zhì)素的植物細(xì)胞壁，且常優(yōu)先棲屈到上而，這種在厭氧條件下利用木質(zhì)索的能力， 對(duì)瘤胃微生物來說尤為重要。

5、毛勝勇等(2002)研究表明，去掉瘤宵厭氧真菌后，瘤鬥內(nèi)竣甲基纖維素酶 活力顯著下降，稻草片段消失率也顯著降低6。在瘤胃屮厭氧真菌能降解和發(fā)酵纖維素、木聚糖、葡萄糖 等各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的底物，產(chǎn)生卬酸、乙酸、乙醇、c02和112等。這種降解作用主要通過其豐富的假根系統(tǒng) 機(jī)械侵襲和產(chǎn)生的各種高活性酶化學(xué)降解來完成。瘤胃真菌可分泌多種降解纖維索的酶，主耍包括纖維索酶、半纖維索酶、木聚糖酶、半乳糖醛酸酶等13種, 而在這些酶中,研究最多的是木聚糖酶和纖維素酶7。木聚糖酶主要存在于真菌培養(yǎng)液中，有利于真菌在 植物細(xì)胞陳上聚集、生長(zhǎng)，有利于對(duì)半纖維素的消化。其活性受到底物和自身濃度的影響，當(dāng)其濃度為2. 5

6、 mg/ml時(shí)，酶的活力最鬲。而當(dāng)以大麥葉為底物時(shí)，酶活性要比其它類型底物高7。木聚糖、纖維素、纖 維二糖均可誘導(dǎo)木聚糖酶產(chǎn)生;五碳糖如阿拉伯糖、木糖添加于培養(yǎng)液中則降低木聚糖酶活性。瘤胃其菌 分泌的纖維索酶是多組分卿，主耍包含外切術(shù)聚糖酶(c1)、內(nèi)切匍聚糖酶(cx)和3-匍萄糖苛酶3種，其授 大活性u(píng)mol/(min-ml)分別為：0. 012、0. 15、0. 01。c1酶的主要作用是分解天然的晶體纖維;cx酶是 水解嗨，作用于可溶性纖維素衍生物；卩-葡萄糖昔嗨包含2個(gè)組分，內(nèi)切p-1, 4葡萄糖昔悔可以從纖維 素內(nèi)部切開bt, 4糖昔鍵，外切b-1, 4葡萄糖昔酶則可以從非還原端切下含

7、12個(gè)葡萄糖殘基。研究 發(fā)現(xiàn)，真菌對(duì)纖維素水解主要分2個(gè)階段進(jìn)行：準(zhǔn)備階段，在c1卿的作用下破壞纖維素結(jié)構(gòu)；第2階段， 在cx酶的作川下，把0-糖苜比校短的聚酊鏈水解成可溶性產(chǎn)物。瘤胃中，單個(gè)真菌對(duì)纖維素的降解則 是通過其分泌的水解解，由植物組織表面的損傷部位而廣泛地深入到植物組織的細(xì)胞間隙和細(xì)胞儲(chǔ)內(nèi)，并 分解利用其中可溶性碳水化合物和結(jié)構(gòu)性碳水化合物。此外，瘤胃真菌在木質(zhì)素/半纖維素降解中z所以起著重耍的作用，還因?yàn)榱鑫竻捬跫骄a(chǎn)生的酯酚能夠打 開酣鏈和酣鍵，使植物細(xì)胞壁中的半纖維索從木質(zhì)索/半纖維索復(fù)合物體中分離岀來，在瘤胃中，瘤胃真菌 可優(yōu)先附著并降解木質(zhì)化纖維組織，從而有利于其它酶對(duì)半

8、纖維素的進(jìn)一步作用。3厭氧真菌與其它瘤胃微生物互作對(duì)纖維降解的作用3. 1厭氧真菌與卬烷菌由于厭氧真菌產(chǎn)氫較離，可以和甲烷菌形成穩(wěn)定的共培養(yǎng)體系。兩菌種間氫轉(zhuǎn)移影響著瘤胃代謝功能，厭 氧真菌利甲烷菌一起協(xié)同生長(zhǎng),甲烷菌利用厭氧真菌發(fā)酵產(chǎn)物(112、c02等)生成甲烷。隨著屮烷菌利用厭 氧真菌發(fā)酵產(chǎn)物的增多，厭氧真菌生長(zhǎng)速度及纖維降解能力也不斷的提高9。rocs等(1995)發(fā)現(xiàn)甲烷菌 與厭氧真菌共培養(yǎng)時(shí)，可以刺激厭氧真菌的生長(zhǎng),h顯著增加胞外酶的活性,捉高對(duì)纖維素的降解能力， 分析原因是山于共培養(yǎng)時(shí)抑制了蛋h質(zhì)的分解作用10。成艷芬等(2006)研究發(fā)現(xiàn)，卬烷菌能與厭氧真菌 共存于厭氧真菌培養(yǎng)

9、液中并且生長(zhǎng)良好，克隆測(cè)序結(jié)果農(nóng)明，厭氧真菌培養(yǎng)液中可能存在甲烷菌新種11。 厭氧真菌n. frontal is、n. patriciarum> p. communis及c. communis與甲烷菌共培養(yǎng)均可提高其降解植物 細(xì)胞壁的能力。厭氧真菌n. frontalis分別與甲烷菌methcinosarcina barkeri和反芻獸甲烷短桿菌共培 養(yǎng)時(shí)均能在一定程度上提高纖維降解能力,而上述3種菌共培養(yǎng)對(duì)纖維素的降解率則進(jìn)一步提高,生成的 產(chǎn)物幾乎全為c02和甲烷12。研究表明，厭氧真菌與甲烷菌共培養(yǎng)提窩植物細(xì)胞壁降解的程度収決于共 培養(yǎng)中兩者菌株種類,如史氏甲烷短桿菌mb. smi

10、thii分別與厭氧真菌n. frontalis pxk2> n. frontal is rk21及p. communis pk11共培養(yǎng),氨化大麥秸降解率分別提高35%、22%和14%13。3. 2厭氧真菌與纖維降解細(xì)菌瘤胃中厭氧真菌與纖維降解細(xì)菌相互關(guān)系復(fù)雜，相關(guān)研究結(jié)果也不一致。dehority等(2000)研究瘤胃內(nèi) 容物中總真菌與細(xì)菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，瘤胃細(xì)菌向瘤胃中釋放可溶性因子抑制厭氧真菌生長(zhǎng)及其纖維降解能力14。 將瘤胃纖維降解細(xì)菌單獨(dú)與厭氧真菌共培養(yǎng)證實(shí)了這一現(xiàn)彖的存在(孫云章等,2006)18。但lee等(2000) 則認(rèn)為瘤胃細(xì)菌對(duì)真菌降解能力影響不大15。造成以上研究分歧的原

11、因可能與試驗(yàn)菌種的差異有關(guān)。單株菌相關(guān)研究表明，瘤宵細(xì)菌ruminococcusalbus 和ruminococcus flavefaciens能向培養(yǎng)液屮釋放可溶性因子抑制厭氧真菌降解纖維能力(ila等， 2001) 16。而將 3 種瘤胃厭氧真菌 neocallinastix fronlatis mchsspiramyces communis fl 和 caecomyces communis fg-10與2種瘤胃纖維降解細(xì)菌一黃色瘤胃球菌007、產(chǎn)琥珀酸纟幺狀桿菌單獨(dú)接種和真菌與細(xì) 菌同時(shí)接種，發(fā)現(xiàn)共同作用的降解效果比單獨(dú)接種真菌耍好；n. front is或p. communis與黃色瘤

12、胃球菌 007共同接種時(shí)比單獨(dú)接種的效果明顯要好：黃色瘤胃球菌007對(duì)2種真菌都有拈抗作用。相反，2種真菌 與產(chǎn)琥珀酸絲狀桿菌則無(wú)明顯的作用。纖維素的降解在c. communis與黃色瘤胃球菌007或產(chǎn)琥珀酸絲狀 桿菌共同作用下比各自單獨(dú)作用的效果好(王夢(mèng)芝等，2007) 17 o由此可見，不同單菌株間相互作用效 果差異較人，因此進(jìn)一步明確厭氧翼菌與細(xì)菌間單菌株或少數(shù)菌株的柑互作用，對(duì)于瘤胃纖維降解作用機(jī) 理至關(guān)重要，這也將是日厲瘤胃微生物相互影響研究的方向z。3.3厭氧真菌與瘤鬥原蟲厭氧真菌與原蟲都參與植物纖維降解，且都容易附著于植物片段的損傷部位。原蟲是瘤胃微生態(tài)系統(tǒng)中一 類重要微生物，它

13、山許多種屬組成。原蟲能夠吞噬細(xì)菌，進(jìn)而影響瘤胃中細(xì)菌的數(shù)量，并且冇些原蟲能夠 捕食其它原蟲；原蟲存在可以增加飼料在瘤胃中的滯留時(shí)間，穩(wěn)定瘤胃生化環(huán)境，這兩點(diǎn)均冇益于厭氧莫 菌形成。但厭氧真菌的游動(dòng)砲子很小，與原蟲吞食并降解的一些較大的細(xì)菌具有相類似的尺寸，附lliams等仃994) 通過對(duì)piromyces的14c做標(biāo)記，證實(shí)了原蟲對(duì)真菌抱子的吞食作用19。厭氧真菌與原蟲共培養(yǎng)試驗(yàn)也 表明，原蟲對(duì)厭氧真菌具冇吞食作用，且內(nèi)毛目原蟲吞食真菌的能力最強(qiáng)。厭氧真菌n. frontalis與原蟲 以纖維素為底物，且在甲烷菌存在的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果農(nóng)明,內(nèi)毛目原蟲顯著抑制厭氧真菌的生長(zhǎng)和纖維素 水解能力，全

14、毛目原蟲對(duì)纖維索水解沒有顯若影響。lee等(2000、2001)的體外試驗(yàn)表明瘤f?原蟲與真 菌同時(shí)培養(yǎng)時(shí)，可抑制厭氧真菌的生長(zhǎng)及纖維降解能力，但當(dāng)厭氧真菌培養(yǎng)液已經(jīng)生長(zhǎng)好后再接種原蟲， 則影響不大。這表明原蟲對(duì)厭氧真菌的抑制作用可能山于原蟲對(duì)真菌游動(dòng)抱子或砲子囊的吞噬造成20。一般認(rèn)為原蟲和真菌z間可能存在負(fù)協(xié)同效應(yīng)，但爲(wèi)巍等(2003)試驗(yàn)農(nóng)明原蟲與真菌z間存在正協(xié)同效應(yīng) 21。但這方而的研究較薄弱，報(bào)道較少，現(xiàn)有的報(bào)道不足以說明厭氧真菌與瘤胃原蟲間的相互關(guān)系，需 耍更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來證實(shí)這一結(jié)論。4厭氧真菌在飼料工業(yè)屮的應(yīng)用前景山于飼用酶制劑在破壞植物細(xì)胞壁，促進(jìn)壁內(nèi)養(yǎng)分鄴放方面的特殊效應(yīng)22,其已廣泛地用于提高豬、禽 等單胃動(dòng)物的生產(chǎn)性能，但應(yīng)用于反芻動(dòng)物時(shí)效果不佳，其原因可能是瘤胃微生物，尤其是真菌分泌的酈 比酶制劑效果好23。因此，利用厭氧真菌牛產(chǎn)酚制劑極具研發(fā)價(jià)值。許多常用的酚制劑只能作用丁非晶 體狀的底物，而厭氧真菌產(chǎn)生的酶能降解晶體狀的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植物組織，甚至是植物厚壁組織和維管束 組織24, k某些嗨比嗨制劑具冇更高的活性。:®新研究表明，目詢悔活最高的超級(jí)酶來自瘤胃厭氧真菌。 己冇學(xué)者從瘤忖真菌中分離到超窩活性的木聚糖酶,并己通過分子克隆手段使酶活達(dá)到目前所冇酶活的7 倍25