郭旭生教授團隊在青貯飼料發酵調控機制及乳酸菌開發利用研究中取得重要進展

日期: 2020-09-18 閱讀: 來源:

青貯飼料作為一種重要的粗飼料來源,占奶牛日糧總量的50%以上,其發酵品質與安全不僅決定了家畜的生產性能與健康,并與畜產品安全及人類健康息息相關。據FAO統計全世界有奶牛1.4億頭,年消耗青貯飼料6.7億噸。因此,優質、安全青貯飼料是現代草食畜牧業特別是奶產業健康發展的重要基礎和保障。目前,國際上在優質、安全青貯飼料發酵調控方面取得了重要進展,但近半個世紀以來一直停留在以確保發酵品質為基礎的研究當中。近兩年郭旭生教授團隊突破性地提出了功能型乳酸菌的研發及其在青貯飼料中的應用研究,這一研究不僅考慮了青貯飼料發酵品質與安全,同時考慮到下游家畜健康與福利,并通過多組學研究揭示了調控青貯飼料發酵的微生態機制,開拓了國際青貯飼料研究的新領域,目前已取得一系列重要成果。上述研究成果近日分別在相關領域國際一流期刊Bioresource Technology(IF=7.539; 5篇),Microbial Biotechnology (IF=5. 328;1篇),Frontiers in Microbiology(IF=4.235; 2篇),Food and Function (IF=4.171;2篇), Journal of Dairy Science (IF=3.333; 1篇)Animal Feed Science and Technology (IF=2.58; 2篇)發表。

一、功能性乳酸菌在調控青貯飼料發酵品質中取得的重要進展

目前課題組在功能性乳酸菌研究方面,研發出了產纖維素酶、高抗氧化活性、產細菌素、降解農藥、還原重金屬Cr6+及高產1,2丙二醇等對提高青貯飼料發酵品質與消化率、降解青貯飼料中有毒有害物質及有利于家畜健康的乳酸菌菌株并開展了應用研究。其中產阿魏酸酯酶乳酸菌是目前國際青貯飼料研究領域唯一報道的能夠在確保青貯飼料發酵品質的同時,降低青貯飼料纖維含量和提高消化率的菌株。飼草中木質纖維素主要由纖維素、半纖維素及木質素通過阿魏酸酯鍵交聯在一起,其復雜的結構一直被視為限制青貯發酵甚至家畜高效利用粗飼料的因子之一。課題組通過產阿魏酸酯酶乳酸菌的應用,以高木質纖維素含量的玉米秸稈、巨菌草等原料,利用其在青貯過程中產生的阿魏酸酯酶成功水解了木質素與多糖之間的鏈接來修飾木質纖維素的結構,從而有效地降低了飼草青貯過程中木質纖維素含量并提高了木質纖維素結構性多糖在體外的酶解消化率(圖1,2)。同時,纖維降解產生的阿魏酸對家畜具有重要的益生作用。該項研究成果在生產中具有重要的應用價值。相關研究成果近期發表于國際著名期刊Bioresource Technology(4篇)上。

圖1. 產阿魏酸酯酶乳酸菌水解木質素與多糖交聯結構的分子模型

圖2. 產阿魏酸酯酶乳酸菌預處理青貯飼料后體外酶消化效果(A和B代表在25℃進行青貯;a和b代表在40℃進行青貯

二、青貯飼料發酵調控的組學機制研究重要進展

乳酸菌是青貯飼料發酵過程中最主要的微生物,對青貯飼料的發酵品質至關重要。前期研究發現,乳酸菌添加劑在青貯過程中不僅可以產生大量的乳酸,降低青貯飼料的pH值,其在發酵過程中對整個青貯飼料微生物組成產生深遠影響,并產生大量對家畜具有潛在健康益處的代謝產物。然而,不同發酵類型乳酸菌如何調控青貯飼料的發酵品質一直是個未解之謎。為了探究不同類型乳酸菌對青貯飼料發酵品質的調控機制,課題組以全株玉米為原料,通過添加不同發酵類型乳酸菌進行青貯,利用多組學方法研究了細菌群落和代謝物對發酵品質的調節作用,揭示了青貯飼料發酵調控措施對發酵微生態微生物群落結構、功能及發酵代謝產物等特性。研究表明:(1)不同類型乳酸菌的添加各自通過改變青貯飼料中的關鍵物種,影響青貯飼料的微生物組成(圖3);(2)不同類型乳酸菌的添加改變了青貯飼料的發酵代謝產物,特別是一些功能性代謝產物;(3)青貯飼料的發酵品質與其關鍵物種以及主要的功能性代謝產物密切相關(圖4)。研究成果在國際青貯飼料領域首次揭示了青貯發酵調控的組學基礎,并發現了青貯飼料發酵代謝產物中含有多種對家畜健康有益的功能物質,深入剖析了青貯飼料發酵的生物學過程,為調制優質、安全和功能型青貯飼料奠定了基礎,具有重要的理論意義和應用價值。相關研究成果近期發表于Bioresources Technology、Microbial Biotechnology,Frontiers in Microbiology等國際著名期刊上。

圖3. 不同調控措施下青貯飼料發酵微生物群落結構及互作關系

圖4. 不同調控措施下青貯飼料發酵微生物功能及與代謝產物關聯特征

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