郭旭生教授团队在青贮饲料发酵调控机制及乳酸菌开发利用研究中取得重要进展

日期: 2020-09-18 阅读: 来源:

青贮饲料作为一种重要的粗饲料来源,占奶牛日粮总量的50%以上,其发酵品质与安全不仅决定了家畜的生产性能与健康,并与畜产品安全及人类健康息息相关。据FAO统计全世界有奶牛1.4亿头,年消耗青贮饲料6.7亿吨。因此,优质、安全青贮饲料是现代草食畜牧业特别是奶产业健康发展的重要基础和保障。目前,国际上在优质、安全青贮饲料发酵调控方面取得了重要进展,但近半个世纪以来一直停留在以确保发酵品质为基础的研究当中。近两年郭旭生教授团队突破性地提出了功能型乳酸菌的研发及其在青贮饲料中的应用研究,这一研究不仅考虑了青贮饲料发酵品质与安全,同时考虑到下游家畜健康与福利,并通过多组学研究揭示了调控青贮饲料发酵的微生态机制,开拓了国际青贮饲料研究的新领域,目前已取得一系列重要成果。上述研究成果近日分别在相关领域国际一流期刊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)发表。

一、功能性乳酸菌在调控青贮饲料发酵品质中取得的重要进展

目前课题组在功能性乳酸菌研究方面,研发出了产纤维素酶、高抗氧化活性、产细菌素、降解农药、还原重金属Cr6+及高产1,2丙二醇等对提高青贮饲料发酵品质与消化率、降解青贮饲料中有毒有害物质及有利于家畜健康的乳酸菌菌株并开展了应用研究。其中产阿魏酸酯酶乳酸菌是目前国际青贮饲料研究领域唯一报道的能够在确保青贮饲料发酵品质的同时,降低青贮饲料纤维含量和提高消化率的菌株。饲草中木质纤维素主要由纤维素、半纤维素及木质素通过阿魏酸酯键交联在一起,其复杂的结构一直被视为限制青贮发酵甚至家畜高效利用粗饲料的因子之一。课题组通过产阿魏酸酯酶乳酸菌的应用,以高木质纤维素含量的玉米秸秆、巨菌草等原料,利用其在青贮过程中产生的阿魏酸酯酶成功水解了木质素与多糖之间的链接来修饰木质纤维素的结构,从而有效地降低了饲草青贮过程中木质纤维素含量并提高了木质纤维素结构性多糖在体外的酶解消化率(图1,2)。同时,纤维降解产生的阿魏酸对家畜具有重要的益生作用。该项研究成果在生产中具有重要的应用价值。相关研究成果近期发表于国际著名期刊Bioresource Technology(4篇)上。

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图1. 产阿魏酸酯酶乳酸菌水解木质素与多糖交联结构的分子模型

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图2. 产阿魏酸酯酶乳酸菌预处理青贮饲料后体外酶消化效果(A和B代表在25℃进行青贮;a和b代表在40℃进行青贮

二、青贮饲料发酵调控的组学机制研究重要进展

乳酸菌是青贮饲料发酵过程中最主要的微生物,对青贮饲料的发酵品质至关重要。前期研究发现,乳酸菌添加剂在青贮过程中不仅可以产生大量的乳酸,降低青贮饲料的pH值,其在发酵过程中对整个青贮饲料微生物组成产生深远影响,并产生大量对家畜具有潜在健康益处的代谢产物。然而,不同发酵类型乳酸菌如何调控青贮饲料的发酵品质一直是个未解之谜。为了探究不同类型乳酸菌对青贮饲料发酵品质的调控机制,课题组以全株玉米为原料,通过添加不同发酵类型乳酸菌进行青贮,利用多组学方法研究了细菌群落和代谢物对发酵品质的调节作用,揭示了青贮饲料发酵调控措施对发酵微生态微生物群落结构、功能及发酵代谢产物等特性。研究表明:(1)不同类型乳酸菌的添加各自通过改变青贮饲料中的关键物种,影响青贮饲料的微生物组成(图3);(2)不同类型乳酸菌的添加改变了青贮饲料的发酵代谢产物,特别是一些功能性代谢产物;(3)青贮饲料的发酵品质与其关键物种以及主要的功能性代谢产物密切相关(图4)。研究成果在国际青贮饲料领域首次揭示了青贮发酵调控的组学基础,并发现了青贮饲料发酵代谢产物中含有多种对家畜健康有益的功能物质,深入剖析了青贮饲料发酵的生物学过程,为调制优质、安全和功能型青贮饲料奠定了基础,具有重要的理论意义和应用价值。相关研究成果近期发表于Bioresources Technology、Microbial Biotechnology,Frontiers in Microbiology等国际著名期刊上。

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图3. 不同调控措施下青贮饲料发酵微生物群落结构及互作关系

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图4. 不同调控措施下青贮饲料发酵微生物功能及与代谢产物关联特征

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