纤维膨胀因子Swollenin对瘤胃纤维降解的调控及机制研究

The dietary fiber is an important energy source for ruminants, but its complex and compact structure limits the degradation and utilization of rumen microorganisms. A protein named Swollenin has been shown to swell and disrupt fiber structure and enhance the degradation of lignocellulose by fibrolytic enzyme. We hypothesize that supplemental Swollenin could improve the ruminal fiber digestion in ruminants. Therefore, this study will focus on discussing the following areas by the recombinant Swollenin from Pichia pastoris constructed and screened in our preliminary work and goat fitted with rumen and duodenal cannulas using scanning electron microscopy, qRT-PCR, Western blot, and metatranscriptomic sequencing techniques: Effects of Swollenin on ruminal fermentation, fiber degradation, and microbial synthesis; Effects of Swollenin on the ultrastructure and microbial adhesion of roughage, rumen fibrolytic bacteria population, and the community structure, metabolic function, and gene expression of rumen microflora. Eventually the results of this study will clarify the mechanisms of Swollenin for regulation of ruminal fiber degradation. The study is intended to explore a new approach for improving ruminal fiber degradation, which will provide important significance in theory and practice for promoting efficient utilization of fibrous roughage and ruminant production.

饲料纤维物质是反刍动物重要的能量来源，但其复杂致密的结构限制了瘤胃微生物对它的降解和利用。纤维膨胀因子（Swollenin）是一种能够膨胀、崩解纤维结构，促使纤维分解酶发挥高效酶解作用的蛋白。我们推测将Swollenin应用于反刍动物可改善瘤胃纤维物质的降解。因此，本项目将利用前期构建的重组Swollenin毕赤酵母制备Swollenin蛋白，以山羊为模型动物，利用扫描电镜、qRT-PCR、Western blot、宏转录组测序等技术，系统深入研究：Swollenin对瘤胃发酵、纤维降解、微生物合成的影响；Swollenin对瘤胃内粗饲料的超微结构和微生物粘附、纤维分解菌、微生物区系的群落结构、代谢功能和基因表达等的影响。最终揭示Swollenin对瘤胃纤维降解的影响规律和调控机制。本课题是对改善瘤胃纤维降解新方法的探索，对促进粗饲料高效利用，提高反刍动物生产具有重要理论与实践意义。

提高饲料纤维物质在瘤胃中的降解率，是改善反刍动物能量供应的重要措施，而目前生产中广泛采用的物理加工、氨碱化处理等技术存在效能低、成本高、污染环境以及危害机体等问题。Swollenin作为一种蛋白因子，能够膨胀、崩解纤维结构、促进纤维酶对纤维的高效降解。本项目将Swollenin引入反刍动物饲料利用领域，研究其对瘤胃中饲料纤维结构，微生物粘附，纤维分解菌数量，纤维降解相关基因表达，瘤胃微生物区系的影响。结果显示：（1）Swollenin可显著提高农作物秸秆的体外瘤胃降解率，促进纤维分解菌的生长和微生物蛋白合成；（2）Swollenin显著提高了稻草体外瘤胃发酵过程中IVNDFD、总VFA产量和乙酸浓度等指标，添加量以3.5mg/g最为适宜；Swollenin增加了Firmicutes、Planctomycetes、Actinobacteria、Butyrivibrio、Ruminococcus、Desulfovibrio等纤维降解相关门属的丰度；Swollenin增加了GH109、GH23、GH78等家族的基因丰度；Swollenin增加了磷酸戊糖途径和丙酮酸代谢通路的丰度；Swollenin组有24种代谢物显著高于对照组，包括参与脂类代谢的有机酸C42H82NO8P、C39H78NO8P、C41H78NO8P、DL-Phenylalanine和甘油磷脂C44H80NO8P，以及具有免疫功能的寡肽Tuftsin；（3）Swollenin能够断裂稻草的纤维结构，增加稻草表面Ruminococcus albus、Fibrobacter succinogenes、Ruminococcus flavefacien和总细菌的粘附；（4）日粮中添加Swollenin增加了山羊的DMI，提高了饲料DM、NDF、ADF的瘤胃消化率以及ADF的全消化道表观消化率，提高了瘤胃VFA的产量，促进了瘤胃中Ruminococcus_1、Proteobacteria、Succinivibrionaceae等分类群的生长，增加了瘤胃液中Ruminococcus albus和Fibrobacter succinogenes的数量。本项目结果为Swollenin在反刍动物生产中的应用提供了理论基础，对促进粗饲料高效利用具有重要实践意义。