饲喂以牧草青贮（grass silage）与玉米青贮（corn silage）为基础日粮对表型低甲烷与高甲烷排放荷斯坦奶牛的影响

《Journal of Dairy Science》：Effects of feeding grass silage- and corn silage-based diets in phenotypically low and high methane emitting Holstein-Friesian dairy cows

　　

摘要（ABSTRACT）：本研究旨在确定（1）用玉米青贮（corn silage, CS）替代牧草青贮（grass silage, GS）是否能同等有效地降低低甲烷（CH4）与高CH4排放荷斯坦奶牛的CH4排放量；（2）低与高CH4排放牛群是否无论饲喂何种日粮仍分别保持低与高排放特征；（3）日粮类型与CH4排放水平是否影响泌乳性能、采食量及瘤胃微生物组。研究人员首先利用GreenFeed系统对192头泌乳荷斯坦奶牛进行筛查，按CH4产率（g CH4/kg DMI，干物质采食量）选出12头最低与12头最高排放个体（分别为15.9±1.49与24.0±1.43 g CH4/kg DMI），随后采用交叉试验设计饲喂以GS日粮（58.0% GS、19.3% CS、22.7% 精料，干物质基础）与CS日粮（19.3% GS、58.0% CS、22.7% 精料）。每期4周（2周适应＋2周测定）。结果显示日粮与CH4排放水平间无交互作用，CS相比GS使低排放牛CH4产率降低23%，高排放牛降低18%，降幅无差异；低排放牛CH4产率较髙排放牛低27%，且不受日粮影响。瘤胃微生物群落结构与多样性受日粮与CH4排放水平影响，除一个相对丰度＜0.6%的低丰度细菌属外无交互作用。CS日粮提高了产奶量（milk yield）与DMI，降低了乳脂含量与CH4排放，并使瘤胃发酵由乙酸（acetate）向丙酸（propionate）偏移，对应瘤胃微生物由纤维分解、产乙酸型向淀粉分解、产丙酸型群落转变。除CH4排放外，低与高CH4排放牛在采食量、泌乳性能及体况上无差异。低CH4排放牛瘤胃富集Succinivibrionaceae_UCG-001（与丙酸摩尔比正相关），高CH4排放牛古菌（archaea）多样性更高且Methanomethylophilaceae相对丰度更大，丁酸（butyrate）与CO2产率亦更高。结论：用CS替代GS可有效降低CH4排放且与奶牛CH4排放水平无关；荷斯坦奶牛CH4排放表型在不同日粮下具有持久性。

论文解读：《饲喂以牧草青贮与玉米青贮为基础日粮对表型低和高甲烷排放荷斯坦奶牛的影响》

【研究背景与意义】

农业生产中反刍动物肠道发酵产生的CH₄是重要温室气体来源，按IPCC（2018）建议需于2030年减排11%~30%、2050年减排24%~47%以控温升≤1.5℃。现有减排策略包括日粮调控（如以淀粉丰富的CS替代纤维丰富的GS可降低CH₄产率）与低CH₄排放性状选育（遗传力0.12~0.43）。同一牛群内个体间CH₄排放存在显著变异（变异系数19%~54%），瘤胃微生物组可解释13%~21%的排放变异，低与高排放个体在产甲烷古菌（methanogenic archaea）、产氢菌及碳水化合物代谢基因上存在差异。然而，日粮减排策略是否对低与高CH₄排放表型奶牛效果不同（即是否存在日粮×排放水平交互作用）尚不明确。若交互作用不存在，说明日粮减排与遗传选育可并行应用；若存在，则需针对不同表型定制日粮。因此研究人员开展本试验，探究GS与CS日粮对低与高CH₄排放荷斯坦奶牛CH₄排放、生产性能、采食量及瘤胃微生物组的影响，论文发表于《Journal of Dairy Science》。

【主要关键技术方法】

研究人员从荷兰Wageningen Dairy Campus的192头泌乳荷斯坦奶牛（1~7胎，136±52 DIM，平均FPCM 37.8 kg/d）中用GreenFeed系统筛查CH₄产率（g/kg DMI）并匹配胎次与泌乳天数，选出各12头最低与最高排放者进入交叉试验。试验设两种等NDF调控的TMR日粮——GS（58.0% GS+19.3% CS+22.7% 精料+大麦粉）与CS（19.3% GS+58.0% CS+22.7% 精料+豆粕），干物质基础。两期各4周（2周适应+2周测定），顺序随机。测定指标包括每日DMI（Partial Mixed Ration采食秤＋挤奶与GreenFeed诱饵精料求和）、BW与BCS（挤奶厅自动称重与摄像）、乳成分（中红外光谱法）、瘤胃液VFA（气相色谱）、CH₄与CO₂排放（GreenFeed系统，CO₂回收率99.4%）。瘤胃微生物组采用口服胃管采集瘤胃液，提取DNA后分别针对细菌16S rRNA V5–V6区（引物806F/1046R）与古菌16S rRNA V4–V5区（引物Arch519F/Arch915R）进行扩增子测序（Illumina NovaSeq X，PE250），用QIIME2（DADA2去噪、SILVA v138.2注释）与phyloseq处理，α/β多样性用vegan与lme4混合模型，差异丰度用DESeq2（FDR q<0.05），表型—微生物关联用MaAsLin3。生产、气体与VFA数据用SAS MIXED程序（固定效应：日粮、CH₄水平、交互、序列、时期；随机：牛嵌套于CH₄水平）。

【研究结果】

Lactation Performance and Body Measures（泌乳性能与体况）

FPCM与ECM呈日粮×CH₄水平边际交互（P=0.062、0.063），高排放牛CS较GS的FPCM/ECM增幅略大于低排放牛，但主效应明确：CS日粮显著提高BCS、BW、产奶量、乳蛋白含量与产量、乳糖产量、FPCM与ECM（P≤0.031），降低乳脂含量（P<0.001）与乳尿素（P=0.011）。低与高CH₄排放牛仅蛋白质产量不同（低排放1187 vs 高排放1000 g/d，P=0.034），其余生产指标无差异。

Feed Intake and Feed Efficiency（采食量与饲料效率）

无日粮×CH₄水平交互。CS日粮提高PMR DMI（24.3 vs 18.7 kg/d）与总DMI（26.7 vs 21.2 kg/d），降低GreenFeed诱饵采食量（1.43 vs 1.68 kg/d）与以FPCM或ECM/DMI计的饲料效率（P<0.001），因CS能值（NE_L7.0 vs 6.6 MJ/kg DM）更高但DMI增幅超过产奶增幅。低与高排放牛采食量无差异。

Gaseous Emissions（气体排放）

CO₂产量有日粮×CH₄水平交互（P=0.026），高排放牛CS较GS的CO₂产量增幅大于低排放牛；CH₄产量有边际交互（P=0.069）。主效应显示：高CH₄排放牛CH₄产量（470 vs 353 g/d）、CH₄产率（20.0 vs 14.5 g/kg DMI）、CH₄强度（g/kg FPCM与ECM）及CH₄/CO₂比均更高（P≤0.006）；CO₂产率亦更高（621 vs 542 g/kg DMI，P=0.005）。CS日粮降低GreenFeed访问次数、CH₄产率（15.3 vs 19.2 g/kg DMI）、CH₄强度及CH₄/CO₂（P≤0.016），CO₂产率亦降低（538 vs 625 g/kg DMI）。低排放牛CH₄产率始终较低且不受日粮改变。

Ruminal VFA（瘤胃挥发性脂肪酸）

无日粮×CH₄水平交互。高CH₄排放牛丁酸摩尔比更高（13.2% vs 12.0%，P=0.021）。CS日粮降低乙酸（acetate）与异丁酸（isobutyrate）摩尔比及乙/丙酸比（acetate:propionate），升高丙酸（propionate）摩尔比（P≤0.005），符合淀粉发酵促进丙酸生成的经典模式。

Rumen Microbiome（瘤胃微生物组）

除一个平均相对丰度约0.6%的未分类双歧杆菌科（Bifidobacteriaceae）相关属及少量低丰度ASV外，日粮×CH₄排放水平对α/β多样性及群落组成无显著交互。日粮显著重塑微生物：CS富集Bifidobacterium、Dialister、Succinivibrionaceae_UCG-001、Ruminococcaceae_UCG-001、Colidextribacter，GS富集Succinivibrionaceae_UCG-002、Desulfovibrio等（FDR q<0.05）；古菌中Methanobacteriaceae在CS较高，Methanomethylophilaceae在GS较高。CH₄排放水平独立影响微生物结构（PERMANOVA细菌R2=0.071、古菌R2=0.127，均P<0.001），低排放牛富集Succinivibrionaceae_UCG-001、Dialister、Ruminococcus（与丙酸正相关、与CH₄负相关），高排放牛古菌α多样性更高且Methanomethylophilaceae（含Candidatus Methanomethylophilus）相对丰度更高。MaAsLin3分析确认Succinivibrionaceae_UCG-001与CH₄产量及强度呈负相关，与丙酸摩尔比正相关。

【讨论与结论总结】

讨论指出，本试验筛选的低与高CH₄排放牛CH₄产率差达34%（筛查期）与27%（试验期），且该表型在不同日粮下保持稳定，表明差异源于宿主—瘤胃微生物组的固有特征而非环境干扰。日粮与CH₄排放水平对CH₄、生产性能（除FPCM/ECM/乳脂的边际交互）及微生物组均无实质交互作用，意味着CS替代GS的CH₄减排效果在低与高排放牛中相似（－23% vs －18%，无统计学差异），且减排机制（促进丙酸发酵、Succinivibrionaceae_UCG-001富集、降低H₂可用性）在两表型中一致。低排放牛特征为富集丙酸途径细菌、较低丁酸与古菌多样性、Methanomethylophilaceae较少，高排放牛反之。CS引起的微生物由纤维分解—乙酸型向淀粉分解—丙酸型转变及相应VFA变化是CH₄降低的主因，古菌总量变化不大但谱系比例（Methanobacteriaceae vs Methanomethylophilaceae）随日粮偏移。这些结果支持低CH₄排放选育与CS替代GS日粮减排可兼容并用，互不削弱效果。

结论（CONCLUSIONS）：日粮与CH₄排放水平对CH₄排放、泌乳性能（FPCM、ECM与乳脂产量呈边际交互除外）、采食量及瘤胃微生物组无交互作用。用玉米青贮替代牧草青贮同等有效地降低低与高CH₄排放荷斯坦奶牛的CH₄排放，且奶牛CH₄排放表型在不同日粮下具持久性。瘤胃微生物群落结构各自独立响应日粮与CH₄排放表型，表明日粮减排与低CH₄排放选育通过兼容机制发挥作用，可同时应用而不损及彼此效能。