細(xì)菌與甲烷菌在牦牛瘤胃中的時(shí)間動(dòng)態(tài)及其在消化道的空間分布

【摘要】：青藏高原被稱為世界“第三極”,擁有全球海拔最高、面積最大和唯一被四季放牧利用的高寒草地。獨(dú)特的高寒生態(tài)環(huán)境(高海拔、寒冷、缺氧、紫外線強(qiáng)、牧草季節(jié)供應(yīng)嚴(yán)重失衡),使得生存于此的牦牛種群在協(xié)同進(jìn)化過程中產(chǎn)生了一系列特殊的適應(yīng)機(jī)制。近年來的研究發(fā)現(xiàn),與黃牛相比,牦牛在消化器官組織結(jié)構(gòu)、牧食行為、氮素利用效率、甲烷排放、瘤胃甲烷菌菌群結(jié)構(gòu)、季節(jié)間能量分配等方面均優(yōu)于黃牛;并從牦牛全基因組測序中找到了適應(yīng)高寒營養(yǎng)脅迫的相關(guān)功能基因。為此我們推斷,長期的極端環(huán)境與營養(yǎng)脅迫,使細(xì)菌/甲烷菌在牦牛瘤胃和不同腸道部位中分別形成了特殊的時(shí)間動(dòng)態(tài)和空間分布模式,以幫助宿主提高能量利用效率和有效應(yīng)對(duì)每年長達(dá)8個(gè)月的冷季營養(yǎng)匱乏。本試驗(yàn)以牦牛為研究對(duì)象,主要利用通用引物515F/806R通過16S二代高通量測序,分析了細(xì)菌/甲烷菌在瘤胃中的定植過程(3、14、60、180、365和730天)、季節(jié)動(dòng)態(tài)(春、夏、冬)和不同腸道部位(19個(gè)部位)的空間分布,擬尋找牦牛腸道微生態(tài)系統(tǒng)中有助于宿主適應(yīng)高寒嚴(yán)酷生態(tài)系統(tǒng)的特殊微生物群落,為進(jìn)一步通過調(diào)控腸道微生態(tài)系統(tǒng)提高牦牛生產(chǎn)性能和實(shí)現(xiàn)藏區(qū)畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。本研究得到的主要結(jié)果如下:1.牦牛瘤胃細(xì)菌/甲烷菌定植過程中豐度指數(shù)Chao1的增加分為三個(gè)梯度,3和14天為第一階段,60、180和365天為第二階段,730天為第三階段;多樣性指數(shù)Shannon在3、14天低于其它年齡組(P0.05),其它年齡組之間沒有差異(P0.05)。2.牦牛瘤胃細(xì)菌定植過程中優(yōu)勢門水平的細(xì)菌是厚壁菌門(Firmicutes),擬桿菌門(Bacteroidetes)和變形菌門(Proteobacteria)三大類,約占85%。其中厚壁菌門(Firmicutes)所占的比例最高,在不同年齡組之間維持在約50%;擬桿菌門(Bacteroidetes)從3天的23%增加到了730天的43%;變形菌門(Proteobacteria)從3天的17%降低到了730天的2.3%。以上兩種菌門的增加/降低都呈現(xiàn)出幼齡段(3、14天)、發(fā)育段(60、180天)和成年段(365、730天)階梯式的變化。3.牦牛瘤胃甲烷菌—廣古菌門從3天的0.3%增加到60天最高的2%,隨后在成年組(365、730天)維持在約1.3%。4.瘤胃微生物定植過程中的途徑主要是通過母畜唾液,將從母畜瘤胃中反芻帶到口腔的瘤胃微生物轉(zhuǎn)移到幼齡反芻動(dòng)物的瘤胃中。5.牦牛瘤胃細(xì)菌/甲烷菌季節(jié)變化過程中的豐度指數(shù)Chao1從大到小的順序是春夏秋,多樣性指數(shù)Shannon與豐度指數(shù)呈現(xiàn)相同的趨勢,但是春夏兩季之間多樣性更加接近。同一季節(jié)組內(nèi)相似性春季最低,夏季最高。6.不同季節(jié)間以厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)為優(yōu)勢菌,在春、夏、冬三個(gè)季節(jié)所占的比例分別為75%、80%和77%。其中擬桿菌門的組成比例在春季最低約45%,在夏冬兩季基本相同約為54%;而厚壁菌門在春夏冬三個(gè)季節(jié)的比例分別是30、26、23%。7.在冷季(春冬兩季),由于牦牛采食牧草中的纖維含量增高,瘤胃微生物中分解纖維的菌屬高于暖季(夏季),而夏季中降解植物次級(jí)代謝產(chǎn)物和利用可溶性糖、氨基酸的菌屬高于冷季。春季中的纖維降解菌屬的種類和比例高于冬季。牦牛瘤胃甲烷菌的比例在冬季最低,而春夏兩季的比例基本相同。8.在相同的低氮日糧下,牦牛和黃牛不同腸道部位的細(xì)菌/古菌Alpha和Beta多樣性沒有差異。細(xì)菌/甲烷菌在不同腸道部位的豐度指數(shù)(Chao1)和多樣性指數(shù)(Shannon),都是在前腸道內(nèi)容物和大腸最高,前腸道壁次之,小腸中最低。不同腸道部位同一樣品組內(nèi)微生物多樣性在小腸部位最低,其次是大腸,前腸道(內(nèi)容物和腸道壁)中相似性最高。9.忽略不同的腸道部位,在門水平的優(yōu)勢細(xì)菌是厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes),在前腸道和小腸約占75%,而大腸中的占比高達(dá)90%。厚壁菌門(Firmicutes)在小腸和大腸中的比例高于前腸道,而擬桿菌門(Bacteroidetes)在前腸道部位高于小腸和大腸。甲烷菌的比例在小腸高于腸道其它部位。Cyanobacteria菌門在牦牛不同腸道部位的比例高于黃牛。10.在前腸道壁分布的優(yōu)勢菌屬主要參與氧氣、尿素和揮發(fā)性脂肪酸的吸收利用;前腸道部位內(nèi)容物中比例較高的菌屬主要負(fù)責(zé)來自日糧中的纖維素、植物次級(jí)代謝產(chǎn)物、淀粉和糖類的降解與利用;小腸中具有優(yōu)勢的菌屬很少,主要是參與維生素的合成和黏素的降解;大腸主要負(fù)責(zé)吸收和利用一些沒有被前腸道部位消化吸收的糖類、次級(jí)代謝產(chǎn)物和鹽類。PICRUSt功能分析顯示牦牛腸道微生態(tài)中比黃牛存在更多未知的菌群。與KEGG數(shù)據(jù)庫比對(duì),牦牛高于黃牛的基因家族的數(shù)量要多于黃牛高于牦牛的數(shù)量,其中能量儲(chǔ)存、脂質(zhì)代謝和聚糖合成和代謝的三大基因家族在牦牛要高于黃牛,這些基因家族的差異,可能會(huì)幫助牦牛提高能量利用效率。本試驗(yàn)首次全面分析了細(xì)菌/甲烷菌在放牧牦牛瘤胃中的時(shí)間動(dòng)態(tài)和不同腸道部位的空間分布。同時(shí),利用PICRUSt對(duì)細(xì)菌/甲烷菌的基因功能進(jìn)行了全面預(yù)測,為青藏高原極端環(huán)境條件下的牦牛腸道微生物如何應(yīng)對(duì)嚴(yán)酷的環(huán)境脅迫提供了重要的科學(xué)依據(jù)和理論支撐。 【關(guān)鍵詞】：牦牛 細(xì)菌 甲烷菌 瘤胃 定植 季節(jié) 腸道部位
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S823.85
【目錄】：

• 中文摘要3-6
• Abstract6-13
• 第一章 緒論13-31
• 1.1 研究背景13-14
• 1.1.1 青藏高原的特點(diǎn)及面臨的威脅13
• 1.1.2 青藏高原畜牧業(yè)現(xiàn)狀13
• 1.1.3 反芻動(dòng)物甲烷排放及減排措施13-14
• 1.2 文獻(xiàn)綜述14-27
• 1.2.1 腸道微生態(tài)研究進(jìn)展14-15
• 1.2.2 甲烷菌研究進(jìn)展15-19
• 1.2.3 反芻動(dòng)物腸道細(xì)菌的功能19-21
• 1.2.4 不同年齡瘤胃細(xì)菌/甲烷菌的定植過程21-24
• 1.2.5 瘤胃細(xì)菌/甲烷菌對(duì)于季節(jié)響應(yīng)模式的研究現(xiàn)狀24-25
• 1.2.6 不同腸道部位細(xì)菌的分布25-27
• 1.3 本研究的意義與目的27-28
• 1.4 研究內(nèi)容28-30
• 1.4.1 不同年齡牦牛瘤胃細(xì)菌/甲烷菌的定植過程28
• 1.4.2 牦牛瘤胃細(xì)菌/甲烷菌的季節(jié)動(dòng)態(tài)28
• 1.4.3 相同日糧下不同腸道部位牦牛和黃牛細(xì)菌/甲烷菌的空間分布28-30
• 1.5 技術(shù)路線30-31
• 第二章 不同年齡牦牛瘤胃細(xì)菌/甲烷菌的定植過程31-70
• 2.1 前言31
• 2.2 材料和方法31-46
• 2.2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)31-32
• 2.2.3 試驗(yàn)動(dòng)物及管理方式32
• 2.2.4 基因組DNA的提取32-34
• 2.2.5 基因組DNA的測序分析34-36
• 2.2.6 測序結(jié)果分析36-38
• 2.2.7 功能基因預(yù)測38-39
• 2.2.8 實(shí)時(shí)定量PCR分析功能菌的絕對(duì)數(shù)量39-46
• 2.3 結(jié)果46-60
• 2.3.1 瘤胃細(xì)菌/古菌Alpha多樣性46-47
• 2.3.2 不同年齡瘤胃細(xì)菌/古菌Beta多樣性分析47-48
• 2.3.3 門水平的細(xì)菌/甲烷菌組成48-49
• 2.3.4 屬水平的細(xì)菌/甲烷菌組成49-54
• 2.3.5 基于 16S的功能預(yù)測54-58
• 2.3.6 代表性功能菌的實(shí)時(shí)定量分析58
• 2.3.7 瘤胃微生物定植來源58-60
• 2.4 討論60-69
• 2.4.1 不同年齡牦牛瘤胃細(xì)菌/甲烷菌的多樣性60-62
• 2.4.2 不同年齡牦牛瘤胃細(xì)菌/甲烷菌門水平的變化62-64
• 2.4.3 不同年齡牦牛瘤胃細(xì)菌/甲烷菌屬水平的變化64-66
• 2.4.4 細(xì)菌/甲烷菌功能基因家族預(yù)測66-67
• 2.4.5 代表性功能菌的定量分析67-68
• 2.4.6 瘤胃微生物定植來源68-69
• 2.5 小結(jié)69-70
• 第三章 牦牛瘤胃細(xì)菌/甲烷菌的季節(jié)動(dòng)態(tài)70-87
• 3.1 前言70-71
• 3.2 材料和方法71-72
• 3.2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)71
• 3.2.2 試驗(yàn)動(dòng)物71
• 3.2.3 基因組DNA的提取71
• 3.2.4 基因組DNA的測序分析71-72
• 3.2.5 測序結(jié)果分析72
• 3.2.6 實(shí)時(shí)定量PCR分析功能菌的絕對(duì)數(shù)量72
• 3.3 結(jié)果72-82
• 3.3.1 不同季節(jié)瘤胃細(xì)菌/甲烷菌的多樣性72-74
• 3.3.2 不同季節(jié)瘤胃細(xì)菌/甲烷菌門水平的變化74-75
• 3.3.3 不同季節(jié)瘤胃細(xì)菌/甲烷菌屬水平的變化75-79
• 3.3.4 不同季節(jié)細(xì)菌/甲烷菌功能預(yù)測79-81
• 3.3.5 不同季節(jié)代表性功能菌的實(shí)時(shí)定量分析81-82
• 3.4 討論82-86
• 3.4.1 不同季節(jié)瘤胃細(xì)菌/甲烷菌多樣性82-84
• 3.4.2 不同季節(jié)瘤胃細(xì)菌/甲烷菌門水平的變化84
• 3.4.3 不同季節(jié)瘤胃細(xì)菌/甲烷菌屬水平的變化84-85
• 3.4.4 不同季節(jié)細(xì)菌/甲烷菌功能預(yù)測85-86
• 3.4.5 不同季節(jié)代表性功能菌的實(shí)時(shí)定量分析86
• 3.5 小結(jié)86-87
• 第四章 相同日糧下不同腸道部位牦牛和黃牛細(xì)菌/甲烷菌的空間分布87-108
• 4.1 前言87-88
• 4.2 材料和方法88-92
• 4.2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)88
• 4.2.2 試驗(yàn)動(dòng)物與管理88-89
• 4.2.3 日糧配比89
• 4.2.4 樣品采集89-91
• 4.2.5 基因組DNA的測序分析91
• 4.2.6 測序結(jié)果分析91
• 4.2.7 實(shí)時(shí)定量PCR分析功能菌的數(shù)量91-92
• 4.3 結(jié)果92-101
• 4.3.1 相同低氮日糧下牦牛細(xì)菌/甲烷菌多樣性隨著不同腸道部位的變化92-93
• 4.3.2 相同低氮日糧下牦牛不同腸道部位細(xì)菌/甲烷菌Beta多樣性分析93
• 4.3.3 相同低氮日糧下牦牛門水平不同腸道部位細(xì)菌/甲烷菌的組成93-94
• 4.3.4 相同低氮日糧下牦牛不同腸道部位屬水平的細(xì)菌/甲烷菌變化94-95
• 4.3.5 不同腸道部位細(xì)菌/甲烷菌功能預(yù)測95-96
• 4.3.6 相同低氮日糧下牦牛代表性功能菌在腸道不同部位的數(shù)量變化96-101
• 4.4 討論101-106
• 4.4.1 不同腸道部位細(xì)菌/甲烷菌的多樣性101-102
• 4.4.2 不同腸道部位細(xì)菌/甲烷菌門水平的變化102-103
• 4.4.3 不同腸道部位細(xì)菌/甲烷菌屬水平的變化103-105
• 4.4.4 不同腸道部位細(xì)菌/甲烷菌功能預(yù)測105-106
• 4.4.5 不同腸道部位功能菌的實(shí)時(shí)定量分析106
• 4.5 小結(jié)106-108
• 第五章 結(jié)論與展望108-111
• 5.1 結(jié)論108-110
• 5.2 展望110-111
• 創(chuàng)新點(diǎn)111-112
• 參考文獻(xiàn)112-121
• 個(gè)人簡歷及在學(xué)期間科研成果121-123
• 致謝123-124
• 附錄124-131

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來了解更多相關(guān)內(nèi)容