대사적으로 구별되는 미생물의 식이 선택은 반추 동물의 수소 대사를 촉진합니다

ISME 저널 16권, 페이지 2535–2546(2022)이 기사 인용

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반추동물은 세계 식량 안보에 중요하지만 온실가스인 메탄을 배출합니다. 반추위 미생물은 복합 탄수화물을 분해하여 휘발성 지방산과 분자 수소를 생성합니다. 이 수소는 주로 고세균에 의해 메탄으로 변환되지만, 수소영양 아세트산생성 박테리아와 호흡기 박테리아에 의해 유용한 대사산물을 생산하는 데 사용될 수도 있습니다. 식이 탄수화물이 수소 대사와 메탄 생성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 더 나은 기계론적 이해가 필요합니다. 우리는 섬유질이 풍부하거나 전분이 풍부한 식단에 적응한 24마리의 육우에서 반추위 미생물군의 구성, 대사 경로 및 활동을 프로파일링했습니다. 섬유질 분해 박테리아와 메탄생성균을 위해 선택된 섬유질이 풍부한 식단은 섬유질 이용률을 증가시키는 반면, 녹말이 풍부한 식단은 전분 분해성 박테리아와 젖산염 활용자를 위해 선택되어 건강한 반추위를 유지하고 메탄 생성을 감소시킵니다(p < 0.05). 또한, 전자분지성 [FeFe]-수소효소, 메탄생성 [NiFe]- 및 [Fe]-수소효소 및 아세틸-CoA 합성효소를 증가시키는 수소영양 메탄생성물질과 아세트산생성물질이 풍부한 섬유질이 풍부한 식단은 낮은 용존수소(42%, p<0.001). 대조적으로, 전분이 풍부한 식단은 더 큰 수소 생성 그룹 B [FeFe]-수소효소와 호흡 그룹 1d [NiFe]-수소효소를 함유한 호흡수소영양생물이 풍부합니다. 병행 시험관 내 실험에서는 섬유질이 풍부한 선택된 미생물군집이 아세테이트와 부티레이트 생산을 강화하는 동시에 메탄 생산을 감소시키는 것으로 나타났습니다(p < 0.05). 이는 풍부한 수소영양 아세트산생성 물질이 메탄 생성에 의해 사용되는 일부 수소를 전환했음을 시사합니다. 수소 대사 및 메탄 생성에 대한 이러한 통찰력은 에너지 수확 전략, 건강한 반추위 유지 및 반추 동물의 메탄 완화에 대한 이해를 향상시킵니다.

반추 동물은 복잡한 식물 세포 탄수화물을 숙주 동물이 사용할 수 있는 휘발성 지방산(VFA)과 미생물 단백질로 전환하는 박테리아, 고세균, 원생동물 및 곰팡이로 구성된 복잡한 반추위 미생물 생태계를 수용하도록 진화했습니다[1, 2]. 분자 수소(H2)는 혐기성 박테리아, 원생생물 및 곰팡이에 의한 탄수화물 발효 중에 생성되며 반추위에서 메탄(CH4)을 생성하는 고세균에 의해 주로 소비됩니다[3, 4]. 이 H2는 다양한 박테리아에 의해 에너지원 및 전자 공여체로 소비되어 발효가 열역학적으로 유리한 상태로 유지되도록 합니다[5]. 수소 순환은 H2 결합 부위의 금속 함량에 따라 [FeFe]-, [NiFe]- 및 [Fe]-수소효소로 분류되는 H2 생성 및 H2 소비 수소화효소에 의해 촉매됩니다[6]. 수소화효소는 박테리아 및 고세균 게놈에 널리 퍼져 있으며, 이는 반추위 발효에서 H2 거래의 대사 중요성을 반영합니다[5, 7, 8]. 장내 발효에서 생산된 메탄은 식이 에너지 손실을 나타낼 뿐만 아니라 전 세계적으로 인위적인 온실가스 배출에도 기여합니다[9, 10]. 중요하게도, 반추위 박테리아는 CO2, 푸마르산염, 황산염 및 질산염과 같은 전자 수용체를 사용하여 수소영양 성장을 위한 수소화효소와 말단 환원효소를 암호화합니다. 메탄 생성과 달리 이러한 대체 수소영양 경로 중 일부는 숙주 동물이 사용할 수 있는 대사산물(예: 수소영양 아세트산 생성을 통해 아세테이트)을 생성합니다. 따라서 수소영양 박테리아가 반추위 H2를 위해 메탄생성균과 어떻게 경쟁하는지 이해하는 것이 중요합니다. 이 지식은 반추 동물에서 CH4 생산을 줄이면서 에너지 수확을 향상시키는 대사 전략을 촉진할 수 있기 때문입니다.

식이 탄수화물의 구성은 H2 대사 및 메탄생성을 포함한 미생물 구성과 기능을 촉진합니다 [11, 12]. 셀룰로오스 식물 재료를 공급하면 반추위 미생물은 주로 H2를 방출하는 아세테이트 경로를 통해 리그노셀룰로오스를 가수분해하고 발효시켜 높은 수준의 CH4 생산을 초래합니다[13]. 그러나 캥거루와 야크와 같은 일부 초식동물은 CH4를 덜 생산합니다[14, 15]. 수소영양 아세트산 생성 박테리아는 Wood-Ljungdahl 경로를 통해 H2와 CO2를 아세테이트로 전환할 수 있습니다[5]. 마초의 양이나 질이 낮은 지역의 일부 야생 동물은 식이 에너지 추출 및 활용의 효율성을 높이기 위해 강화된 수소영양 초산 생성을 통해 소화 시스템을 진화시켰을 수 있습니다[16]. 사료의 질이 생성된 H2의 운명을 변화시켜 메탄생성에 대한 수소영양 초산생성의 비율과 양식 반추동물의 에너지 수확 효율에 영향을 미치는지 여부는 아직 결정되지 않았습니다.

0.5, Additional Fig. S3)./p> 0.5%). No rank means there is no specific taxonomic information at the genus level. Only Spearman's significance levels p < 0.05 are shown, yellow and blue indicate negative and positive correction respectively. OM organic matter; NDF neutral detergent fiber. Significance was tested using independent two-group Wilcoxon rank-sum tests. Data with error bars are expressed as mean ± standard error. **p < 0.01, ***p < 0.001, n = 12/group./p> 1 were shown, while other were shown in additional file S6. Significance was tested using independent two-group Wilcoxon rank-sum tests. Data with error bars are expressed as mean ± standard error. **p < 0.01, ***p < 0.001, n = 12/group./p>