2. 南京农业大学农业部动物生理生化重点开放实验室, 南京 210095
2. Key Laboratory of Animal Physiology and Biochemistry, Ministry of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
目前,我国畜牧业所需的豆粕严重短缺,长期依赖进口,开发新型蛋白质饲料原料尤为重要[1]。文冠果(Xanthoceras sorbifolia Bunge./shiny-leaved yellowhorn)又名文官果、木瓜、文登阁、僧灯毛道,隶属于无患子科(Sapindaceae)文冠果属,为落叶灌木或小乔木。文冠果是我国特有的木本油料树种之一,在我国多地区具有栽培[2]。文冠果易繁殖、种子营养丰富、种仁含油率高(55%~70%),有北方油茶之称。“十一五”期间,文冠果被确定为我国北方唯一适宜发展的生物能源树种,进入“十三五”后,国家粮食局也将其作为新型健康食用油的来源大力推广。文冠果种子榨油后的粕含50%左右粗蛋白质,比常用豆粕的粗蛋白质含量更高。文冠果粕与豆粕一样含有18种氨基酸,包含了家禽所需必需氨基酸,其氨基酸模式也与豆粕相近[3-5]。文冠果粕可能是很好的饲料蛋白质来源,因此对其充分开发与利用对于畜牧生产具有重要意义。
白金友等[6]利用文冠果粕替代饲粮豆粕(饲粮豆粕含量为15%)对育肥猪生长性能无负面影响。目前,国内有关文冠果粕的饲用价值报道较少,至今未能将文冠果粕作为常规饲料原料用于生产配合饲料。因此,本试验旨在研究文冠果粕替代豆粕对21~42日龄爱拔益加(AA)肉鸡生长性能、养分利用率、屠宰性能、盲肠食糜短链脂肪酸组成及菌群结构的影响,为文冠果粕作为蛋白质饲料原料应用于肉鸡养殖提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验设计选取21日龄AA肉鸡192只,随机分为3组,每组8个重复,每个重复8只鸡(公母各占1/2),各重复体重接近,试验期为21 d。对照组饲喂玉米-豆粕型基础饲粮,试验Ⅰ组和试验Ⅱ组分别用文冠果粕替代基础饲粮中50%和100%的豆粕。
为了减少文冠果粕替代豆粕导致的饲粮蛋白质和碳水化合物等营养物质差异,试验Ⅰ组用14%文冠果粕和2%玉米替换基础饲粮中16%的豆粕,试验Ⅱ组用28%文冠果粕和4%玉米替换基础饲粮中32%豆粕。试验饲粮参照NRC(1994)肉鸡营养需要配制的粉状配合饲粮,饲粮组成及营养水平见表 1。饲养试验在南京康欣禽业有限公司进行。饲养期间,所有肉鸡自由采食,充足饮水,按正常免疫程序进行免疫接种。
文冠果粕由上海某生物技术有限公司提供,该产品主要是文冠果仁压榨油后剩余的副产物。经饲料常规营养成分分析,文冠果粕中含干物质94.14%、粗蛋白质45.88%、粗脂肪5.14%、粗灰分5.66%、总钙0.13%和总磷1.68%;豆粕中含干物质90.42%、粗蛋白质47.32%、粗脂肪1.02%、粗灰分6.14%、总钙0.31%和总磷1.07%。此外,经全自动氨基酸分析仪(Hitachi-8900,Hitachi,日本)检测文冠果粕中氨基酸组成,并与数据库中溶剂浸提豆粕和压榨豆粕进行对比(表 2)。
试验期间,每天定时观察鸡只健康状况,按重复记录饲粮用量,于21和42日龄,肉鸡空腹12 h后,称量每个重复肉鸡的体重,用于计算平均日采食量、平均日增重和料重比。
1.3.2 饲粮常规养分含量和养分表观利用率饲粮采用四分法取样;代谢试验以酸不溶性灰分(AIA)作为内源指示剂进行,试验结束前1天08:00—10:00收粪(共2 h),以每笼为单个重复进行采样,粪便要求新鲜无污染,粪样收集后立即放置于-20 ℃保存。将粪便样品在恒温烘干箱内65 ℃烘干,制成风干样品;粉碎过40目筛,以AIA作为内源指示剂测定粗蛋白质、干物质、粗脂肪、粗灰分、钙和磷含量并计算其养分表观利用率。饲粮和粪中常规养分含量参照贺建华[8]的《饲料分析与检测(第2版)》中的方法测定,养分表观利用率计算公式如下:
式中:a为饲粮中某养分含量;b为粪中某养分含量;c为饲粮中AIA含量;d为粪中AIA含量。
1.3.3 屠宰性能于肉鸡42日龄时,分别从各组每个重复选择1只接近该组平均体重的公鸡,颈静脉放血致死后测定各项屠宰性能,取盲肠食糜迅速装入无菌离心管内,并于-80 ℃环境下保存备用。参考NY/T 823—2004《家禽生产性能名词术语和度量统计方法》,计算屠宰率、全净膛率、胸肌率和腿肌率。计算公式如下:
将盲肠食糜样品解冻后取0.5 g,加入1.5 mL超纯水,混合均匀,12 000×g离心5 min,取上清液300 μL,按照5 : 1的比例加入250 g/L偏磷酸巴豆酸溶液,-20 ℃过夜,再以12 000×g离心10 min后,将上清液经0.22 μm过滤到进样瓶中,使用GC-14B型气相色谱仪对短链脂肪酸含量进行测定,测定方法参照文献[9]。色谱柱长30 m,内径0.32 mm,膜厚度0.25 μm,进样器和探测器温度均为180 ℃,载气为氮气,流速为20 mL/min。
1.3.5 盲肠食糜菌群结构食糜样品(对照组和试验Ⅱ组样品均为7个重复,试验Ⅰ组样品为8个重复)中的总DNA提取使用QIAampⓇFAST DNA Stool Mini Kit(QIAGEN,Cat.No. 51604,德国)。所有操作步骤均按照试剂盒说明书进行。将提取的DNA作为模版,利用PCR仪(GeneAmpⓇ9700型,ABI,美国)扩增16S rRNA基因的V4~V5区域。引物序列为:上游341F(5′-CCTAYGGGRBGCASCAG-3′);下游806R(5′-GGACTCNNGGGTATCTAAT-3′)。PCR扩增体系(25.0 μL):2×Master Mix 12.5 μL,上、下游引物各1.5 μL,DNA模板2.5 μL,无菌超纯水7.0 μL。PCR扩增程序:95 ℃ 5 min,95 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 45 s,27个循环;最后72 ℃延伸10 min。PCR产物扩增片段通过2%琼脂糖凝胶电泳检测分离出来后,使用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit(Axygen Biosciences,美国)试剂盒切胶纯化回收PCR产物,对纯化后的扩增片段用QuantiFluorTM-ST蓝色荧光定量系统(Promega,美国)进行浓度测定,并在Illumina MiSeq平台上进行测序。
将测序数据与已有的16S rDNA数据库进行比对分析,去掉含有非特异性扩增片段序列,进一步修剪,去除非特异性扩增片段序列,或者一些含有模糊碱基,单碱基高重复区以及长度过短(< 100)的序列,得到供精准分析的优化序列。使用QIIME软件对每个样品的序列进行统计,然后使用UPARSE软件根据序列相似性水平97%进行聚类,得到操作分类单元(operational taxonomic unit,OTU)序列。基于OTU在门和属(相对丰度>0.5%)2个分类水平上统计样本的物种丰度。
1.4 数据统计与分析试验数据采用Excel 2013作初步整理后,使用SPSS 25.0统计软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA),并采用Duncan氏法多重比较检验组间差异显著性,结果用平均值和均值标准误(SEM)表示,P < 0.05为差异显著。
2 结果与分析 2.1 文冠果粕替代豆粕对21~42日龄肉鸡生长性能的影响由表 3可知,文冠果粕替代豆粕显著影响了21~42日龄肉鸡生长性能。针对肉鸡42日龄体重,试验Ⅱ组显著低于对照组和试验Ⅰ组(P < 0.05),而试验Ⅰ组又显著低于对照组(P < 0.05)。与对照组相比,试验Ⅰ组和试验Ⅱ组肉鸡平均日增重和平均日采食量显著降低(P < 0.05),且试验Ⅱ组显著低于试验Ⅰ组(P < 0.05);试验Ⅰ组料重比与对照组和试验Ⅱ组相比均无显著差异(P>0.05),但试验Ⅱ组料重比显著高于对照组(P < 0.05)。
由表 4可知,试验Ⅰ组肉鸡屠宰率与对照组和试验Ⅱ组相比无显著差异(P>0.05),但试验Ⅱ组肉鸡屠宰率显著低于对照组(P < 0.05);试验Ⅱ组肉鸡全净膛率显著低于对照组和试验Ⅰ组(P < 0.05),而对照组和试验Ⅰ组之间无显著差异(P>0.05)。此外,文冠果粕替代豆粕对肉鸡胸肌率无显著影响(P>0.05);但对照组和试验Ⅱ组肉鸡腿肌率显著低于试验Ⅰ组(P < 0.05),试验Ⅱ组与对照组之间无显著差异(P>0.05)。
由表 5可知,文冠果粕替代豆粕对21~42日龄肉鸡饲粮干物质、粗脂肪、总钙和总磷的表观利用率无显著影响(P>0.05)。试验Ⅱ组肉鸡饲粮粗蛋白质表观利用率显著低于对照组和试验Ⅰ组(P < 0.05),而对照组与试验Ⅰ组之间无显著差异(P>0.05)。此外,试验Ⅱ组肉鸡饲粮粗灰分表观利用率显著低于对照组和试验Ⅰ组(P < 0.05),且试验Ⅰ组饲粮粗灰分表观利用率也显著低于对照组(P < 0.05)。
由表 6可知,对照组和试验Ⅰ组肉鸡盲肠食糜乙酸、丁酸和总短链脂肪酸含量显著高于试验Ⅱ组(P < 0.05),而对照组和试验Ⅰ组之间无显著差异(P>0.05)。此外,试验Ⅱ组肉鸡盲肠食糜中丙酸含量显著低于对照组和试验Ⅰ组(P < 0.05),且试验Ⅰ组也显著低于对照组(P < 0.05)。
由表 7可知,在97%相似度条件下,各组间肉鸡盲肠食糜菌群的读长(reads)、OTU数量、丰度指数(Chao1和ACE指数)均无显著差异(P>0.05);多样性指数分析表明,各组间肉鸡盲肠食糜菌群的香农(Shannon)指数无显著差异(P>0.05);试验Ⅱ组肉鸡盲肠食糜菌群的辛普森(Simpson)指数显著高于试验Ⅰ组(P < 0.05),但与对照组相比无显著差异(P>0.05)。
由图 1可知,文冠果粕替代豆粕对21~42日龄肉鸡盲肠食糜菌群的组成有显著影响(P < 0.05)。对照组肉鸡盲肠食糜菌群群落分布较为集中;试验Ⅰ组肉鸡食糜菌群结构能够与对照组较好地聚集在一起,且重合度较高;但试验Ⅱ组只有少部分样品与对照组和试验Ⅰ组重合,大部分样本与对照组和试验Ⅰ组明显分开。
由图 2可知,在门水平上(图 2-A),各组肉鸡盲肠食糜中的优势菌群均以拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)为主,分别占比62.66%和33.05%;其次为变形菌门(Proteobacteria)、Epsilonbacteraeota和蓝藻菌门(Cyanobacteria),三者总占比不足5%。此外,盲肠食糜各细菌门水平相对丰度在对照组、试验Ⅰ组和试验Ⅱ组之间无显著差异(P>0.05,图 2-B)。
图 3表示文冠果粕替代豆粕对21~42日龄肉鸡盲肠食糜菌群属水平相对丰度(平均相对丰度>0.5%)的影响。由图可知,试验Ⅰ组和试验Ⅱ组肉鸡盲肠食糜中真杆菌属coprostanoligenes群([Eubacterium] coprostanoligenes group)和风疹菌属(Tyzzerella)的相对丰度显著低于对照组(P < 0.05),但试验Ⅰ组与试验Ⅱ组之间无显著差异(P>0.05);对照组和试验I组肉鸡盲肠食糜中不可培养巴氏杆菌科相关菌属(Barnesiellaceae uncultured)的相对丰度显著高于试验Ⅱ组(P < 0.05),但对照组和试验Ⅰ组之间无显著差异(P>0.05);试验Ⅱ组肉鸡盲肠食糜中粪杆菌属(Coprobacter)和颤杆菌属(Oscillibacter)的相对丰度显著高于对照组(P < 0.05),但试验Ⅰ组与试验Ⅱ组、对照组与试验Ⅰ组之间均无显著差异(P>0.05);试验Ⅰ组肉鸡盲肠食糜中Lachnoclostridium的相对丰度显著高于试验Ⅱ组(P < 0.05),但试验Ⅰ组与对照组、试验Ⅱ组与对照组之间均无显著差异(P>0.05)。
本试验中,虽然此次肉鸡可能是由于鸡苗、管理或疫苗等多方面的原因,导致42日龄肉鸡的体重(即便是对照组)比正常偏低,但不影响评价文冠果粕的饲用效果。目前,鲜有关于文冠果粕在畜禽生产上的研究应用报道。白金友等[6]比较了豆粕与文冠果粕(占基础饲粮比例均为15%)对“苏白×长白”杂交商品仔猪生长育肥的影响,在饲养了218 d后发现文冠果粕替代豆粕对生猪育肥效果与豆粕相当。本试验中,文冠果粕替代饲粮中50%和100%的豆粕均显著降低了21~42日龄肉鸡42日龄体重、平均日采食量和平均日增重;同时,与对照组相比,100%替代组料重比还显著提高。此外,文冠果粕替代豆粕对肉鸡死亡率的影响较小,对照组和试验Ⅱ组仅在38日龄分别死亡1只鸡(解剖后未发现明显原因),对照组在39日龄有2只鸡死亡(解剖后未发现明显原因)。造成上述结果的差异可能与动物品种和替换豆粕的比例不同等有关。
文冠果粕替代豆粕降低肉鸡生长性能的原因一方面可能与其抗营养因子有关。饲粮中抗营养因子的存在不仅影响饲粮的适口性,制约饲粮养分利用率,而且还能损伤动物机体健康[10]。商庆辉等[11]研究表明,文冠果中含有皂苷、香豆素和生物碱等成分,而这些成分被证实属于抗营养因子[12-13]。文冠果粕是文冠果经物理压榨提取油后获得,故其抗营养因子浓度会进一步提高,导致本试验中试验组肉鸡采食量下降,饲粮养分利用率降低,进而导致肉鸡增重降低。营养物质利用率是影响动物养殖经济效益的关键因子,养分利用率的高低受饲粮和饲养管理水平以及动物自身等多种因素影响[14]。在本研究中,与对照组相比,文冠果粕替代100%饲粮豆粕(试验Ⅱ组)显著降低21~42日龄肉鸡对饲粮粗蛋白质和粗灰分的表观利用率;其替代50%饲粮豆粕(试验Ⅰ组)仅显著降低肉鸡对饲粮粗灰分的表观利用率。目前有关文冠果粕替代豆粕对动物养分利用率的影响鲜有报道,其导致肉鸡养分利用率下降的具体原因尚需要后续深入研究。
另一方面,需要指出的是,饲粮营养水平的高低对肉鸡生长性能起着非常重要的作用[15]。在本研究中,饲粮配制只考虑了粗蛋白质含量基本相同,没有考虑可利用氨基酸及粗脂肪等含量相同。而氨基酸是动物生长过程中必不可少的营养物质,其中必需氨基酸不能由动物自身合成,因此饲粮中必需或非必需氨基酸的供给显得尤为重要[16]。我们对试验文冠果粕原料氨基酸水平检测后发现,其必需氨基酸含量(组氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸)均不同程度低于溶剂浸提豆粕和压榨豆粕。Vieira等[17]研究表明,在肉鸡后期饲粮中增加赖氨酸和必需氨基酸含量,肉鸡生长性能、饲料转化率和胸肌含量均有所提升。Kidd等[18]研究发现,与摄取中等氨基酸含量饲粮的肉鸡相比,较高水平氨基酸可增加肉鸡体重与饲粮利用率。Gilbert等[19]研究表明,不同的饲粮组成和氨基酸来源会影响肉鸡肠道形态,进而影响营养物质的吸收与利用。因此,文冠果粕中氨基酸含量尤其是大部分必需氨基酸均低于豆粕可能是影响肉鸡生长性能、养分利用率和屠宰性能最关键的因素之一。此外,本研究中,虽然试验Ⅰ组和试验Ⅱ组饲粮中均增加了部分玉米的含量来平衡不同组别饲粮中蛋白质和碳水化合物等营养物质的差异,但是经分析后发现试验Ⅰ组和试验Ⅱ组饲粮粗蛋白质和粗纤维含量比对照组低,粗脂肪含量比对照组高。已有研究发现,饲粮中粗蛋白质和粗纤维含量的降低以及粗脂肪含量的增加均能降低动物采食量以及机体消化系统对营养物质的吸收[20-21]。因此,试验组除蛋白质外的其他营养物质的差异在一定程度上也可能是导致本研究试验组肉鸡生长性能下降的另一个重要原因。
3.2 文冠果粕替代豆粕对肉鸡屠宰性能的影响屠宰性能可反映饲粮营养成分在动物组织内的沉积情况,是评估肉用动物生长性能的重要指标[22]。在本研究中,与对照组相比,文冠果粕替代50%饲粮豆粕(试验Ⅰ组)对21~42日龄肉鸡全净膛率、屠宰率和胸肌率无显著负面影响,且显著提高了腿肌率;但其替代100%饲粮豆粕(试验Ⅱ组)均显著降低肉鸡屠宰率和全净膛率。上述结果表明文冠果粕替代50%饲粮豆粕对21~42日龄肉鸡的屠宰性能没有影响,但其100%替代则显著降低了相关屠宰性能,表明文冠果粕在肉鸡饲粮中添加比例不宜过高,建议替换比例少于50%(占饲粮比例 < 14%)。
3.3 文冠果粕替代豆粕对肉鸡盲肠食糜短链脂肪酸含量以及菌群结构和功能的影响家禽胃肠道中的菌群对其营养物质消化吸收、免疫和代谢等功能具有重要影响[23]。盲肠是鸡肠道中菌群含量最丰富的肠段,也是细菌发酵的关键场所[24]。短链脂肪酸包括乙酸、丙酸和丁酸等,是微生物发酵产生的主要代谢产物。有研究表明,短链脂肪酸不仅可影响肠上皮细胞的功能,还能调控肠道屏障功能,并对病原菌的定植起到抑制作用[25-27]。在本研究中,与对照组相比,文冠果粕替代50%饲粮豆粕(试验Ⅰ组)仅显著降低了肉鸡盲肠食糜中丙酸的含量;但其替代100%饲粮豆粕(试验Ⅱ组)均显著降低了肉鸡盲肠食糜中乙酸、丙酸、丁酸和总短链脂肪酸的含量。上述结果说明,文冠果粕替代100%饲粮豆粕显著降低了肉鸡盲肠微生物发酵能力;但其50%替代饲粮豆粕对于肉鸡盲肠微生物发酵能力的影响较小。微生物发酵代谢产物的多少取决于底物的多少、微生物种类、活力等多种因素。在本研究中,我们推测,肉鸡采食量的降低可能是导致试验Ⅱ组盲肠食糜短链脂肪酸含量降低的直接原因。
为了进一步评价文冠果粕替代豆粕对肉鸡肠道健康的影响,我们还对不同组别盲肠食糜的菌群结构进行了分析。结果表明,文冠果粕替代豆粕对盲肠菌群的丰度和多样性均无显著影响;此外,文冠果粕替代豆粕,尤其是100%替代扰乱了肉鸡食糜的菌群结构,但对拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门等菌群丰度无显著影响。在属水平上,试验Ⅱ组肉鸡盲肠食糜中粪杆菌属和颤杆菌属相对丰度较对照组显著升高。粪杆菌属是产乙酸的主要菌属[28],而乙酸在肠道中产生后可通过血脑屏障被脑部吸收,脑部吸收乙酸后会促进抑制食欲的神经肽表达,进而降低食欲[29]。Sorensen[30]使用玉米酒糟替代饲粮豆粕后发现山羊粪便中粪杆菌属相对丰度与采食量呈负相关。颤杆菌属细菌是一种厌氧菌,主要产生戊酸,过量的戊酸会刺激肠道黏膜,抑制肠道对营养物质的吸收进而降低养分利用率[31]。此外,试验Ⅰ组和试验Ⅱ组肉鸡盲肠食糜真杆菌属coprostanoligenes群和风疹菌属相对丰度均显著低于对照组,它们分别属于瘤胃球菌科和毛螺菌科。研究表明,瘤胃球菌科和毛螺菌科的细菌可以利用宿主摄入的碳水化合物及纤维进行代谢产生丁酸。而丁酸对宿主肠上皮细胞的能量代谢及免疫应答具有调节作用[32-33],可通过刺激肠道细胞产生抗菌肽类物质,帮助机体抵御外来致病菌的侵袭而保护肠道健康[34-35]。当然,肠道菌群也能影响宿主对养分的消化和利用。微生物发酵过程中短链脂肪酸(尤其是丁酸),通过影响运动诱导的肌肉间质神经元增强肠胃蠕动和食糜的排空,并影响宿主对饲粮养分的利用率[36-37]。在本研究中,文冠果粕替代豆粕对肉鸡盲肠中菌群多样性及细菌门水平虽然未产生影响,但显著影响了短链脂肪酸和属水平的微生物差异。因此,试验Ⅱ组盲肠食糜中丁酸含量的显著下降,或许在一定程度上降低了肉鸡对饲粮中粗蛋白质和粗灰分的表观利用率。此外,De Smet等[38]研究表明,瘤胃球菌科的大多数微生物都具备蛋白质降解能力,因此试验Ⅱ组肉鸡盲肠食糜真杆菌属coprostanoligenes群相对丰度的降低可能会进一步导致其粗蛋白质表观利用率的下降。文冠果粕替代豆粕影响肉鸡盲肠其他菌属对饲粮养分利用率的影响还未见报道,需要后续研究去进一步明确文冠果粕替代豆粕造成属水平微生物的差异与短链脂肪酸、养分利用率、生长性能和屠宰性能的具体关系。综上所述,试验Ⅰ组和试验Ⅱ组盲肠食糜丁酸及其他短链脂肪酸含量下降的主要原因可能是采食量减少导致产短链脂肪酸菌群的相对丰度改变。而盲肠食糜中菌群相对丰度及其代谢产物的改变可能是导致本研究中试验组肉鸡饲粮养分表观利用率下降,进而导致体增重降低的原因之一。
4 结论综上所述,文冠果粕50%或100%替代饲粮豆粕显著降低21~42日龄肉鸡采食量和养分利用率,导致体重和体增重降低,且对屠宰性能、养分表观利用率、盲肠短链脂肪酸含量和菌群结构均有一定的负面影响,其中50%替代组的不利效应低于100%替代组,表明21~42日龄肉鸡饲粮中文冠果粕替代豆粕比例应小于50%(占饲粮比例 < 14%)。
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