牦牛适应高寒营养胁迫的氮代谢机制

牦牛是青藏高原的关键物种。这种唯一生存于高寒极端环境中的大型反刍家畜对气候环境和营养胁迫具有极强的适应能力。在每年长达半年的冷季和枯草期，牦牛基本处于营养不足或严重缺乏状态。申请人通过近十几年的研究发现，牦牛较本地黄牛和外区域反刍畜种具有高效利用日粮氮素的特征，表明牦牛对高寒营养胁迫可能已形成了特殊的适应机制。为此，本项目拟通过生理生态和营养学结合的方法探讨：1）尿素在牦牛体组织内代谢的生理学特征；2）牦牛体内氮库循环周转代谢的动力学机制；3）牦牛体内尿素氮再循环高效利用的生理学调控机制等。以期初步揭示牦牛适应高寒营养胁迫的氮代谢机制，丰富极端环境下反刍动物生理生态和营养适应方面的基础理论，为改善牦牛等藏系家畜的生产性能和科学饲养管理提供技术支撑。

本课题经过四年的野外实验和室内分析工作，从饲料的表观消化及瘤胃发酵、氮代谢和体内尿素循环、消化道结构和转运蛋白、肠道微生物特征四个方面对牦牛适应青藏高原氮素营养胁迫机制进行了全面解析，主要有以下发现：1）随着日粮氮水平升高，饲料粗蛋白、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维表观消化率都线性升高，而干物质和有机物消化率不受影响；牦牛的饲料粗蛋白表观消化率和瘤胃挥发性脂肪酸产量都显著高于相同日粮条件下的黄牛；牦牛和黄牛纤维表观消化率品种间无差异，但是NDF消化率显著高于相似条件下的低海拔其他牛种（牦牛和本地黄牛61.67-65.65% vs. 低海拔牛种44.6-54.3%），这说明青藏高原牦牛和本地黄牛都对粗饲料具有较好的消化能力。2）牦牛尿氮排出量低于黄牛，而氮沉积和沉积率都显著高于黄牛，特别在低氮日粮（31.56 g N/d）条件下，黄牛氮平衡为负值，而牦牛仍有4.18g N沉积；牦牛肝脏尿素合成量（UER）、进入消化道的尿素量(GER)以及可以被微生物循环利用的比率（GER:UER）都显著高于黄牛；牦牛瘤胃微生物合成量及其来自循环尿素的量显著高于黄牛；在低氮条件下,牦牛GER中被瘤胃微生物捕获用于合成菌体蛋白的效率显著高于黄牛（牦牛38.54% vs.黄牛25.31%）。牦牛的肾小球滤过率显著低于黄牛，而消化道尿素清除率显著高于黄牛。3）牦牛和黄牛瘤胃壁乳头在颜色、长度和表面积上存在显著差异。瘤胃壁牦牛瘤胃腹囊40 kDa、45 kDa以及总UT-B蛋白的表达量都显著低于黄牛，虽然牦牛总UT-B的表达量是黄牛的0.79倍，但瘤胃腹囊乳头的总表面积是黄牛的0.40倍，所以与黄牛相比，牦牛瘤胃壁单位表面积可能表达更多的UT-B总蛋白。研究发现了AQP1在反刍动物瘤胃和腮腺的表达，并鉴定了其在牦牛相关组织的分布。与黄牛相比，牦牛肾脏表达更多外髓质AQP1和更少的外皮质AQP1，这可能与牦牛特殊的水代谢特性相关，从而为解释牦牛的高原适应特性提供新的角度。4）在相同日粮下，牦牛和黄牛不同肠道部位的微生物不受动物品种的影响，但是不同肠道部位的微生物的丰度和多样性差异显著；牦牛和黄牛瘤胃微生物对于氮水平的响应机制类似，两个品种之间没有差异，说明牦牛的高效氮循环机制主要不受瘤胃微生物的影响。综上所述，牦牛已经形成了特殊的氮代谢机制以应对青藏高原冬季的氮素营养威胁。