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荷斯坦奶牛是目前世界奶产量最高的奶牛品种,其产奶量与机体对营养物质的吸收密切相关,而奶牛的胃肠道微生物在机体对营养物质的吸收过程中起到重要作用,因此,深入研究奶牛胃肠道内各区段的微生物菌群组成与功能,对于探明奶牛的微生物消化机制有重要意义。为进一步阐明奶牛胃肠道微生物组成结构,本文探究了荷斯坦奶牛全胃肠道内容物以及黏膜上细菌菌群的组成、结构及功能,并进一步运用代谢组学技术探究瘤胃、空肠和结肠内化合物组成上的差异,研究内容包括以下四个方面。1荷斯坦奶牛胃肠道内容物细菌菌群组成与功能的研究本章旨在研究荷斯坦奶牛胃肠道(瘤胃、网胃、瓣胃、皱胃、十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠和直肠)内容物内细菌菌群的组成、结构及功能。试验选用6头健康的荷斯坦奶牛,进行为期83天的饲养,在第84天屠宰并采集胃肠道内容物样品,进行DNA提取及高通量测序。结果显示:瓣胃内容物的pH值显著低于其它部位(P<0.05);小肠内容物的VFA浓度显著低于胃和大肠(P<0.05);胃内细菌菌群的多样性指数Shannon及丰度指数Chao1显著高于肠道(P<0.05);在门水平上,厚壁菌门、拟杆菌门及变形菌门的相对丰度显著高于其它菌门(P<0.05);属水平上,胃内普雷沃氏菌属、unclassified Ruminococcaceae,unclassified Bacteroidales 和 unclassified Rikenellaceae的相对丰度显著高于其它部位(P<0.05);胃内细菌菌群具有碳水化合物代谢功能基因的相对丰度显著高于其它部位(P<0.05)。结果说明,荷斯坦奶牛不同区段胃肠道内容物内细菌菌群的组成、结构、多样性及功能存在显著性差异。2荷斯坦奶牛胃肠道黏膜细菌菌群组成与功能的研究本章旨在研究附着在荷斯坦奶牛胃肠道(瘤胃、网胃、瓣胃、皱胃、十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠和直肠)黏膜上细菌菌群的组成、结构及功能。试验采集第一章试验动物的全胃肠道黏膜样品,进行DNA提取以及高通量测序。结果显示:胃内容物中细菌菌群Chao1指数和OTU数显著高于小肠(P<0.05),除瓣胃和盲肠外,各部位的Shannon指数没有显著差异(P<0.05);在门水平上,厚壁菌门、拟杆菌门及变形菌门的相对丰度显著高于其它菌门(P<0.05);在属水平上,小肠样品中不动杆菌属的相对丰度显著高于胃(FDR<0.05),密螺旋体属是盲肠和结肠黏膜中的优势菌属,普氏菌属在瓣胃和皱胃黏膜中相对丰度更大;附着在十二指肠黏膜上的细菌菌群内具有氨基酸代谢功能基因的相对量显著高于胃和大肠(FDR<0.001),且皱胃和瓣胃中细菌菌群内有关碳水化合物代谢功能基因的相对丰度明显更高。结果说明,附着在荷斯坦奶牛各胃肠道黏膜上细菌菌群的组成、结构及功能存在显著性差异,而大部分胃肠道区段细菌菌群的多样性差异不显著。3荷斯坦奶牛胃肠道内容物和黏膜细菌菌群组成与功能的比较本章旨在比较荷斯坦奶牛胃肠道(瘤胃、网胃、瓣胃、皱胃、十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠和直肠)内容物和黏膜菌群的组成、结构和功能的差异。结果显示:瘤胃、网胃和肠道内容物内细菌菌群的多样性显著高于其黏膜样品(P<0.05).,内容物和黏膜的优势菌门均为厚壁菌门、拟杆菌门及变形菌门;小肠中内容物内unclassified Enterobacteriaceae的相对丰度显著高于其黏膜(FDR<0.001),然而黏膜中不动杆菌属的相对丰度则显著高于其内容物(FDR<0.001);大肠内容物中unclassified Peptostreptococcaceae,Turicibacte 和梭菌属的相对丰度显著高于黏膜(FDR<0.001),而密螺旋体属和unclassified Ruminococcaceae的相对丰度却显著低于黏膜(FDR<0.001);除皱胃和十二指肠外,其余部位内容物中总菌数量均显著高于黏膜(P<0.001);黏膜菌群内具有氨基酸代谢功能基因的相对丰度显著高于内容物菌群(FDR<0.001),而内容物细菌菌群具有碳水化合物代谢功能基因的相对丰度较黏膜更高(FDR<0.001)。结果表明,奶牛胃肠道各区段中内容物和黏膜附着菌群的组成、结构、多样性及功能存在一定差异。4荷斯坦奶牛瘤胃、空肠和结肠内化合物组成的研究本章旨在运用GC-MS代谢组学技术,比较了荷斯坦奶牛瘤胃、空肠和结肠内化合物组成上的差异。试验动物同上,在第84天屠宰时采集瘤胃、空肠和结肠的内容物样品,立即测定pH,同时分析瘤胃、空肠和结肠内容物中化合物组成上的差异。结果显示,试验共检测到132种化合物,包括氨基酸类、有机酸类、胺类、糖类、脂肪酸类、嘌呤类、嘧啶类及糖醇类等;瘤胃pH值和氨基酸类化合物的种类均显著低于肠道(P<0.001);对三组样本内共有化合物的通路富集分析结果显示,这些化合物主要涉及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成;对差异化合物的分析结果显示,差异化合物主要涉及精氨酸和脯氨酸代谢;苯丙氨酸代谢,亚油酸代谢,酪氨酸代谢,β-丙氨酸代谢,缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生物合成以及淀粉和蔗糖代谢。结果说明,瘤胃和肠道内主要化合物的种类存在差异,三部位食糜内共有化合物的相对浓度差异主要与氨基酸代谢及生物合成通路相关。