瘤胃真菌对饲料降解的研究进展

　　对瘤胃微生物作用的研究一直是反刍动物营养中的一个核心内容。在过去的几十年里,对反刍动物消化过程中起主要作用的瘤胃微生物区系研究取得了长足的进展，但主要集中在瘤胃细菌及纤毛虫的数量、分布及其生命活动等方面上，而对瘤胃真菌研究较少。自1975年Orpin首次报道瘤胃真菌对植物细胞壁有降解作用后,人们开始将注意力转向瘤胃真菌的研究。本文就瘤胃真菌在饲料降解中的作用及其相关因素进行综述如下。

　　1 瘤胃真菌   
　　在Orpin首次发现绵羊瘤胃厌氧真菌之前,瘤胃微生物被认为仅由细菌和纤毛虫构成。目前,在绵羊、山羊、黄牛、水牛等10多种草食动物的消化道中，已广泛发现瘤胃真菌的存在,共计5个属、10多种。其5个属分别为Neocallimastix,Piromyces,Caecomyces, Orpinomyces和Aaeromyces。所有已分离出的瘤胃真菌都具有溶解纤维的特性,并且都具有降解植物细胞壁中结构性碳水化合物的能力(司振书,2004)。

　　2 瘤胃真菌的作用

　　2.1 瘤胃真菌对粗纤维的降解

　　2.1.1 物理性降解     
　　许多研究表明，瘤胃真菌有很强的穿透能力和降解纤维素的能力,能部分地降解或削弱更多的抗性组织,穿透牧草角质层屏障,因而可以降解无法被细胞和纤毛虫降解的木质素纤维物质(于长青,2004)。研究还发现,瘤胃真菌首先分离木质化的纤维组织,从而为细菌利用与木质素结合的纤维物质创造条件。Samanta等(2000)通过对瘤胃中不同的微生物区系对小麦秸的降解作用的研究，发现含真菌的实验组乙酸的摩尔比例较高，没有丙酸的生成，同样说明了真菌具有较强的降解纤维作用。通过混合细菌和混合真菌在体外减弱结构性屏障能力的研究,结果发现真菌培养比细菌培养显著地减弱了茎杆的结构性屏障。有些研究者指出，尽管咀嚼和反刍对饲料颗粒破损起了主要作用，但是真菌的穿透生长也降低了植物纤维组织的内部张力,使其变得疏松而易于被瘤胃微生物降解。因而，虽然细菌是瘤胃内主要分解纤维的微生物,但真菌却是首先深入以植物纤维组织中的微生物,为细菌进行发酵创造了有利的条件。

　　2.1.2 化学性降解     
　　到目前为止,人们发现瘤胃真菌可分泌多种降解纤维素的酶,其中主要有纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶、半乳糖醛酸酶等13种,而在这些酶中,研究最多的为木聚糖酶和纤维素酶。Mountfort等(1989)以N.frontalis为对象,系统地研究了木聚糖酶。结果表明,木聚糖酶主要存在于真菌培养液中,该酶在pH为5.5、温度为55℃条件下,可将木聚糖分解为木二糖和低聚木糖。该酶的活力受到底物和自身浓度的影响，当其浓度为2.5mg/ml时,酶的活力最高。而当以大麦叶为底物时,酶活性要比其他类型的底物高。木聚糖、纤维素、纤维二糖都能诱导木聚糖酶的产生；五碳糖如阿拉伯糖、木糖添加于培养液中能降低木聚糖酶活性。Akin(1987)则指出,高的木聚糖酶活力可能有利于真菌在植物细胞壁上聚集、生长。瘤胃真菌分泌的纤维素酶是多组分的酶,其主要包含3种酶，即外切葡聚糖酶(C1)、内切葡聚糖酶(Cx)和β-葡萄糖苷酶,C1酶的主要作用是分解天然的晶体纤维，Cx酶是水解酶，作用于可溶性纤维素衍生物，包含二组分，内切β-1,4葡萄糖苷酶，其可以从纤维素内部切开β-1,4糖苷键,外切β-1,4葡萄糖苷酶则从非还原端切下含1至2个葡萄糖残基的还原糖。在瘤胃中,单个真菌对纤维素的降解主要是通过其分泌的水解酶,由植物组织表面的损伤部位而广泛地深入到植物组织的细胞间隙和细胞壁内,并分解利用其中可溶性碳水化合物及结构性碳水化合物(纤维素、半纤维素和果胶等)。美国学者E.resse在20世纪50年代研究了真菌对纤维素的水解作用。其在研究中发现,真菌对纤维素水解主要分两个阶段进行：准备阶段，在C1酶的作用下破坏纤维素结构；第二阶段，在Cx酶的作用下把β-糖苷比较短的聚酐链水解成可溶性产物(Bauchop,1979)。

　　2.2 瘤胃真菌对淀粉的作用   
　　近年来,许多研究者调查了瘤胃真菌降解淀粉的酶及其在碳水化合物代谢中的作用(毛胜勇，2002)。许多研究结果表明,瘤胃真菌能产生α-淀粉酶及淀粉葡萄糖苷酶。Joblin(2002)发现,许多瘤胃真菌可利用淀粉和麦芽糖作为底物,这表明瘤胃真菌能分泌产生降解淀粉的酶。有研究结果发现Orpinomyces joyhonil，N.Patriciarum及Piromyces communis皆有降解淀粉的能力(McIntosh,2003)。同时他们还发现,多种真菌共存时降解淀粉的能力比单一真菌时强。然而在有关真菌在降解淀粉中起主要作用的酶方面,目前还有许多争论。有学者认为，在无低聚葡萄糖苷酶时,从N.fromtalis中提取的粗酶可部分降解淀粉,产生葡萄糖,并由此认为真菌对淀粉的降解,主要是通过其分泌产生的淀粉葡萄糖苷酶起作用。而Mountfort(1987)发现，N.frontalis对淀粉的降解主要是通过分泌的α-淀粉酶起作用,降解产物为麦芽糖、麦芽三糖和长链低聚糖,而非葡萄糖。目前,人们已从N.frontalis中提取出这两种酶,并检测出其中α-淀粉酶在体外降解底物的最适pH值为5.3,最适温度为55℃,最有效的底物为淀粉和麦芽糖。

　　2.3 瘤胃真菌对蛋白质的作用   
　　瘤胃内主要的微生物群落(细菌、真菌和原虫)都能降解蛋白质,并能利用水解产物作为生长的氮源，但由于对瘤胃真菌的研究较晚，有关瘤胃真菌对蛋白质的降解方面的资料还相对较少。Joblin(2002)报道,厌氧真菌Neocallimastix frontalis能合成金属蛋白酶,并在生长后期分泌到胞外,这类微生物的蛋白酶水解酪蛋白和青草粉蛋白的比活性与瘤胃细菌相似。McIntosh等(2003)报道，现有7种瘤胃真菌(分属于4个属:Caecomyces、Neocallimastix、Orpinomyces和Piromyces)可分泌产生蛋白酶,这7种瘤胃真菌分泌的蛋白酶皆有氨基酶的活性,其中两种还具有肽链内切酶的活性,但无羧态酶的活性。蛋白质酶抑制剂如EDTA、1,10-邻二氮菲等可抑制这些蛋白酶的活性,抑制程度可在50%～70%。毛胜勇等(2002)的研究去除瘤胃厌氧真菌对山羊瘤胃消化代谢影响的实验结果表明：去除瘤胃厌氧真菌后,瘤胃中的氨态氮浓度显著下降(P﹤0.05)，微生物蛋白浓度显著上升(P﹤0.05)。

　3 瘤胃中真菌与其它微生物的互作   
　　高巍等(2003)在瘤胃细菌、原虫和真菌降解植物细胞壁的相对贡献及其互作的研究结果说明，植物细胞壁在瘤胃内的降解是在细菌、原虫和真菌的协同作用下完成的，对植物细胞壁的降解程度可能不是某一种或二种微生物所能完成的。   
　　在动物瘤胃中，微生物区系是相互协同作用于饲料的（吴宏忠等，2003），但由于瘤胃生态系统十分复杂,有关三种类群之间的互作关系研究较少，因而在真菌和细菌协同作用机理方面虽已取得了一些进展，但还不十分清楚。   
　　Joblin等(2002)研究表明,瘤胃真菌和产甲烷细菌共同培养可明显地提高植物纤维降解酶的催化能力，这种促进作用认为是产甲烷细菌影响了分解纤维素细菌的活性,改变了发酵产物，趋于产生更多的乙酸、甲烷和二氧化碳。当瘤胃真菌与非产甲烷菌如反刍兽月形单胞菌、溶糊精琥珀酸弧菌、居瘤胃拟杆菌共同培养时，瘤胃真菌对纤维素和木质素的发酵率和发酵程度均增加。Akin(1987)发现，瘤胃真菌及瘤胃细菌混合培养液中使用抗菌素后，群集在饲草上的真菌数增加。