中国农大新闻网讯 8月29日，英国《微生物组》（Microbiome）在线发表了中国农业大学动物科学技术学院刘国世团队题为《褪黑素对奶牛瘤胃微生物和甲烷产量的影响：体外和体内研究结果》（Effects of melatonin on rumen microorganisms and methane production in dairy cow: results from in vitro and in vivo studies）的研究论文，本论文探索了褪黑素降低奶牛瘤胃甲烷产量的潜在机制；考虑到甲烷对全球变暖的温室效应，这些发现为采用不同的方法实现低碳奶牛养殖以减少甲烷排放提供了有价值的信息。

低碳经济农业是世界各国未来的发展目标，特别是牛羊养殖业发达的国家。根据粮食及农业组织（FAO）的数据，畜牧业占全球温室气体排放量的18%。全球变暖潜能值（GWP）分析表明，就每个分子的温室效应而言，甲烷的效力是二氧化碳的25倍，但其在大气中的半衰期（约12年）比二氧化碳短得多，后者可以在大气中停留300至1000年。因此，减少甲烷的排放可能会在较短的时间内达到减缓全球变暖的效果。瘤胃是反刍动物区别于其他家畜的独特器官，是产生甲烷的主要部位，瘤胃中产生的甲烷通过打嗝释放到空气中。因此，反刍动物的甲烷排放对环境具有相当大的温室气体效应。本研究通过体外和体内实验，研究了褪黑素对奶牛瘤胃甲烷产量的影响，并结合16S rRNA扩增子测序、宏基因组测序和代谢组技术，揭示褪黑素降低瘤胃甲烷产量的潜在机制。

研究发现，瘤胃发酵模型中添加褪黑素和给奶牛饲喂褪黑素均可以显著降低瘤胃甲烷产量（图1A, B和图2B, C）。首先，作者在亨氏厌氧发酵瓶中添加褪黑素，体外瘤胃发酵模型实验发现，10-3 mol/L褪黑素处理显著降低发酵瓶甲烷产量（图1B）。体外实验表型稳定后，作者进行奶牛饲喂的体内实验，结果表明，饲喂褪黑素组奶牛瘤胃处于高褪黑素浓度环境（图2A），饲喂14天开始，褪黑素处理组奶牛甲烷含量显著低于对照组（图2C），由于挥发性脂肪酸（VFA）和瘤胃甲烷产量密切相关，体外和体内实验均发现，褪黑素降低瘤胃VFA的含量（图1C，图2C）。

图1 褪黑素处理对体外瘤胃发酵模型甲烷产量和VFA的影响

图2 褪黑素处理对奶牛瘤胃甲烷产量和VFA的影响

褪黑素处理组和对照组瘤胃液16S rRNA扩增子测序和宏基因组测序分析发现，褪黑素显著提高瘤胃菌群丰度并改变菌群组成（图3A, B）。作者重点关注了褪黑素对古菌和原虫的影响，研究发现褪黑素降低古菌中甲烷菌属的丰度（图3G），抑制了瘤胃中原生动物的数量（图3H），打破了甲烷菌属与原生动物的共生关系，两者共同作用降低了瘤胃中甲烷产量。另外，褪黑素增加包括瘤胃球菌属和双歧杆菌等有益细菌的丰度（见文章附图），而降低了如Romboutsia，Lachnoclostridium等致病菌的丰度（见文章附图）。宏基因组COG/KOG、KEGG和GO分析发现褪黑素处理后，瘤胃微生物差异基因主要富集于碳水化合物代谢、氨基酸代谢、催化活性和代谢过程（图3K, L）。表明褪黑素对奶牛瘤胃微生物功能有显著影响，可能影响奶牛的生产性能和代谢。

图3 瘤胃液16S 扩增子测序和宏基因组测序结果

接下来作者研究了奶牛代谢和生产性能，结果表明，褪黑素饲喂组和对照组有显著差异的代谢物31个，其中与褪黑素代谢和氨基酸代谢相关产物上调，与脂质氧化代谢相关产物下调，差异代谢物主要富集在色氨酸代谢、血清素能突触、炎症介质、色氨酸通道调节、不饱和脂肪酸生物合成和花生四烯酸代谢等代谢途径中（图4A, B）。饲喂褪黑素显著提高了奶牛生乳蛋白、脂肪和干物质含量，改善乳品质（图4D-F）。

图4 饲喂褪黑素对奶牛生产性能和代谢的影响

本研究首次将褪黑素这一广泛存在于动植物中的抗氧化剂引入到低碳养殖领域，本课题组前期研究发现褪黑素饲喂对奶牛的繁殖、免疫、生产性能都有正向作用。该研究发现在体内和体外实验中，褪黑素处理显著减少了瘤胃甲烷的产量，褪黑素处理奶牛组，其呼吸产生的甲烷排放量减少了约50%，其机制可能为：褪黑素降低了瘤胃挥发性脂肪酸（VFA）的产生，减少了甲烷合成的原料；同时，褪黑素不仅降低了古菌中甲烷菌属的丰度，而且抑制了瘤胃中原生动物的数量，打破了甲烷菌属与原生动物的共生关系，进一步降低了甲烷的产量。由于VFA含量的降低必然会降低反刍动物的饲料和能量利用效率，影响其营养摄入，本研究中作者对实验组和对照组奶牛采食量进行了统一，但未发现奶牛出现显著营养问题。推测减少的VFA所缺失的能量可能和降低的甲烷所节约的能量互为补偿。本研究为低碳奶牛养殖和提高奶牛生产性能提供了新的信息和思路。

本文章相关专利《一种降低奶牛瘤胃产甲烷量的方法》（ZL202210128296）已授权，美国PCT国际专利已公开（US20230255936）。中国农业大学动物科技学院付瑶博士和博士研究生姚松阳为论文共同第一作者，刘国世教授为通讯作者，本研究感谢中国农业大学动物科技学院李胜利教授、杨宁教授的指导，感谢家畜产业体系北京市创新团队首席路永强研究员和王天坤研究员的帮助。该研究获得了家畜产业体系北京市创新团队（BAIC05-2022），中国博士后科学基金第67批面上资助项目（2020M670540）和首农自立课题（SNSPKJ（2022）02）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s40168-023-01620-z