文章标题：Nutriomics-specific
chromatogram of aromatic herbs to mitigate methane emission through in vitro ruminal fermentation
发表期刊：Environmental Research
影响因子：7.7
合作单位：中国科学院亚热带农业生态研究所
百趣提供服务：植物NGM 2
研究背景
反刍动物瘤胃甲烷是重要温室气体，本研究聚焦芳香草本植物对其的调控作用。本研究选取薄荷、姜黄、佩兰、蒲公英四种芳香草本，通过体外瘤胃发酵实验，结合代谢组学和16s rRNA测序分析发现：姜黄因富含姜黄素等活性代谢物，添加到全混合日粮时，可显著降低甲烷产量，同时提升干物质降解率和总挥发性脂肪酸产量。
研究表明姜黄是兼顾营养利用与环境效益的优质甲烷减排天然添加剂，为反刍动物甲烷减排提供了安全高效的新策略。
研究结果
01.草本的化学成分
粗蛋白（CP）、总能（GE）能为瘤胃微生物提供更丰富的氮源与能量，为后续高效发酵奠定基础，粗脂肪中的不饱和脂肪酸可通过抑制产甲烷菌活性辅助减排，姜黄的CP、GE、粗脂肪含量最高，“高营养、低纤维”优势显著。
中性洗涤纤维（NDF）与酸性洗涤纤维（ADF）会增加瘤胃微生物降解难度，木质素会阻止微生物酶的作用，间接影响瘤胃发酵产酸效率，佩兰的NDF、ADF、木质素含量最高，“高纤维、高抗降解性”的短板突出。
另外，蒲公英的蔗糖含量最高，可快速为微生物供能；姜黄的半纤维素含量最高，可辅助提升其降解率（表1）。
综上所述，姜黄可作为最优发酵底物/添加剂。
表1 薄荷、姜黄、佩兰、蒲公英的化学成分
02.通过盆栽萌发实验筛选三裂叶豚草种子同步萌发的关键化合物
通过代谢组学分析可知，苯丙素类和萜类是草本中占比最高的物质（图1A），从PCA结果看，薄荷（A组）、姜黄（B组）、佩兰（C组）、蒲公英（D组）的组间差异明显，组内平行性很好（图1B）。
图1 草本的代谢物组成
展示了四种草本中相对含量最高的20种代谢物，其中共有代谢物黄酮、琥珀酸、2-羟基肉桂酸均有一定程度的减排作用；
姜黄中特有物质姜黄素、去甲氧基姜黄素、香草醛等在其他草本中未检出或丰度极低，这可能是姜黄减排效果显著优于其他草本的核心原因（图2）。
图2 草本中相对含量最高的20种代谢物
对四组进行两两对比，姜黄与其他草本的差异代谢物数量最多，进一步验证了姜黄代谢组的独特性（图3）。
图3 不同草本间的差异代谢物图火山图： A 薄荷vs姜黄；B 薄荷vs泽兰；C 薄荷vs蒲公英；D 姜黄vs泽兰；E 姜黄vs蒲公英；F 泽兰vs蒲公英
将所有代谢物做k-means分析，其中cluster9的代谢物在姜黄中丰度最高、佩兰中最低，多为苯丙素类和萜类，可能是调控甲烷生成的功能代谢物。
cluster5在佩兰中丰度最高、姜黄中最低，多为结构复杂的纤维相关代谢物，这些代谢物进一步解释了佩兰的低降解、高甲烷特性（图4）。
图4 草本的k-means分析
03.草本作为底物的体外发酵特性
用四种草本作为体外瘤胃发酵底物，体外发酵了48h（表2）。姜黄的干物质消化率（IVDMD）和产气量分数率最高，发酵效率最优，佩兰发酵效率最差，这与姜黄低纤维、佩兰高纤维的成分差异有关。
佩兰的甲烷、氢气产量最高，姜黄的产量最低，说明姜黄的活性成分抑制产甲烷菌群消耗氢气，佩兰则因氢气供过于求导致甲烷偏高。姜黄的总挥发性脂肪酸（VFA）、丙酸比例最高，发酵模式优；佩兰的VFA、丙酸比例最低，pH最高，发酵强度弱。
表2 草本做为底物的体外发酵特性
04.草本作为全混合日粮添加剂的体外发酵特性
将四种草本以1%和3%的比例添加到全混合日粮（TMR）中作为添加剂（表3）。3%姜黄组IVDMD最高，1%佩兰组最低；所有草本添加组IVDMD均高于对照组（仅TMR），且3%添加组普遍高于1%组，说明草本可提升饲料降解率，高添加量效果更优。
3%添加组总产气量更高，但甲烷产量（V(FCH4)）更低；姜黄组V(FCH4)最少，佩兰组较多；氢气（V(FH2)）与V(FCH4)呈正相关，说明姜黄通过菌群消耗氢气减少甲烷的生成。
所有草本添加组的VFA高于对照组，3%组高于1%组；3%姜黄组丙酸比例最高，发酵模式更优，能量利用效率高。
表3 作为全混合日粮添加剂的草本的体外发酵特性
05.微生物群落的组成及差异
对添加四种草本发酵48h的瘤胃液进行16s rRNA测序。
结果表明，厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门为核心优势门；毛螺菌科、普雷沃氏菌科、琥珀酸弧菌科等为优势科，其中姜黄组琥珀酸弧菌科丰度最高，该菌可消耗氢气减少甲烷底物（图5A-D）。
主坐标分析（PCoA）表明，姜黄组与其他组微生物群落分离明显，佩兰、蒲公英组相似度较高，说明草本种类显著影响群落结构（图5E）。
图5 微生物群落组成
Alpha多样性结果表明，佩兰组指数最高，姜黄组最低，但姜黄组优势功能菌群（如琥珀酸弧菌科）丰度高，可高效调控发酵；姜黄组中丁酸弧菌属和瘤胃球菌属等纤维降解菌丰度也较高，使其有高干物质消化率（图6A）。
LEfSe分析表明，姜黄组琥珀酸弧菌科、硒单胞菌科丰度高，蒲公英组慢杆菌科丰度高，说明菌群特异性匹配草本发酵特性（图6B）。
图6 微生物群落差异分析
06.微生物群落的功能
通过Tax4Fun、FAPROTAX预测了微生物群落的功能，结果表明微生物群落以“发酵” 和“物质代谢”为主，这与瘤胃碳水化合物降解、VFA生成及氢气利用直接相关，说明草本通过调控功能菌群，定向优化了瘤胃核心代谢通路。
基于Spearman相关性分析可知，厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、浮霉菌门等优势菌门间存在紧密互作，形成稳定的功能群落结构，体现了菌群功能的协同性。
姜黄组因琥珀酸弧菌科丰度高，其“琥珀酸-丙酸代谢通路”功能潜力显著高于其他组，氢气利用效率提升；而佩兰组产甲烷相关菌群功能（如H₂向甲烷的转化）更活跃，进一步印证了微生物功能差异是草本减排效果不同的核心原因。
研究结论
本研究通过体外瘤胃发酵实验，结合代谢组学、微生物多样性分析，探究4种芳香草本对瘤胃发酵的影响。
结果表明，姜黄综合表现最优，其低纤维、高粗蛋白及姜黄素等活性成分，使3%添加组体外干物质消化率最高，甲烷产量最低，且富集琥珀酸弧菌科消耗氢气，提升丙酸比例优化发酵。
所有草本3%添加效果优1%，且均能提升瘤胃发酵效率。
综上，姜黄是兼顾营养利用与甲烷减排的优质天然添加剂，为反刍动物温室气体减排提供新策略。
MASH的预防和治疗提供了潜在的策略。
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