腸道微生物菌群組對動物健康和生長的影響

人們低估了腸道微生物菌群及其遺傳學對動物健康和生長性能的影響。飼料和抗生素僅是少數能改變動物腸道微生物菌群組成的物質。

中圖分類號：S811.6 文獻標識碼：C 文章編號：1001-0769（2016）12-0001-04

遺傳學在動物生長和存活性狀中起著重要的作用，這并不是什么新的觀點；但是，腸道微生物菌群的遺傳組成及其對上述性狀的影響卻很少能成為人們的理論和研究方向。它的影響可能被低估了。直到最近，人們仍極難獲得腸道微生物菌群組成的詳細信息。但是，自基因組測序價格下調后，腸道微生物菌群的遺傳學越來越多地受到研究人員的關注。

這項技術最終能否幫助我們在不遠的將來揭示腸道微生物菌群影響動物健康的秘密？我們已經知道，在很多情況下腸道微生物菌群對動物的健康有一定的影響。因此，如果我們能對腸道微生物菌群的本質了解得更多一些，很多問題就都能找到答案。

特定的飼料成分對腸道微生物菌群組成有什么影響？特定的抗生素對腸道微生物菌群組成有何影響？益生菌和益生元對腸道微生物菌群有哪些作用？飼料轉換對腸道菌群又有什么影響？顯然，正確的細菌群體加上正確的飼料底物會對動物的福利產生積極的作用，進而會對動物的健康和生長性能帶來有益的影響。

目前，我們對腸道微生物菌群組成的認識仍十分有限，但我們已擁有了在價格上能夠接受且常用于這方面研究的技術；最近的研究結果正向人們展示了未來幾十年中此領域研究意義巨大的有趣觀點。但研究腸道微生物菌群組成仍將是一個復雜的課題，因為我們的研究必須同時考慮宿主動物遺傳學的影響，腸道微生物菌群隨時間不斷發展的遺傳學變化和飼料、疾病以及氣候等環境因子的影響。

1 腸道微生物菌群組成

實際上，每一頭豬由兩大部分組成：一是其本身，另一是寄居在體內的微生物菌群。此微生物菌群包括動物機體內所有微生物的總基因組。據估計，這一基因組的總數是人或豬本身基因組數量的100多倍。一頭成年母豬身上可能有10萬億 ～100萬億個微生物。

每一個器官（如肺、皮膚、腸道等）都有其特定的微生物菌群；這些微生物菌群由分屬不同種屬的微生物組成，即使在同種菌內，它們也存在遺傳差異。

豬腸道菌群含有兩個優勢菌群，即厚壁菌門菌（占81%左右）和擬桿菌門菌（占11%左右）。然而，該組成比例從腸道的前端到后端變化很大。在這些微生物中，有些細菌對宿主動物有利，有些細菌的作用未知；其中僅一小部分有致病性，且大多只在特定環境下才具有致病性。

腸道微生物菌群會根據其生存環境或日糧底物的改變而調整自身的菌種組成。飼料更換或飼喂成分單一的飼料都將影響腸道微生物菌群的組成。仔豬出生后，腸道微生物菌群會迅速增加；在動物成長的過程中，該微生物菌群會不斷地調整其組成以適應環境。

疾病、疫苗接種、氣候、應激、季節、飼料組分等都會影響腸道微生物菌群的組成。腸道微生物菌群與其宿主動物處于一種延續的互利共生狀態，它既包括病原菌，也包括與健康動物處于完美平衡狀態的其他細菌。然而，疾病能打破這種平衡，致病細菌快速增殖，霸占器官組織，造成動物機體感染。

2 飼料轉換及其對腸道微生物菌群組成的影響

斷奶是我們能想到的最突然的一種日糧改變；在斷奶期間，仔豬及其腸道微生物菌群都會經歷一個劇烈變化的過渡期。在保育期，腸道微生物菌群組成相對穩定。斷奶之前，腸道微生物菌群的種類是乳源性的；而斷奶之后，乳酸桿菌、瘤胃菌科菌、韋榮球菌科菌和普氏菌屬菌會增多（圖1）。例如普氏菌屬菌的增加主要與植物多糖的攝入有關，斷奶前的日糧（乳）不含植物性多糖類底物。

假設在短短幾周的時間跨度內，底物的改變能使腸道菌群規模增加或減少5倍～50倍，你就可以想象日糧的每次改變都會帶來微生物菌群的調整。在大多數情況下，新的平衡會很快建立；而在某些情況下，致病菌會借機增殖，機體免疫防護系統被破壞，宿主動物因而會生病。這也就清楚地表明日糧的突然改變是不受歡迎的。如果日糧要改變，我們需要給動物及其腸道微生物菌群一些時間進行調整以適應新的飼料原料。

使用抗生素也會影響腸道微生物菌群的組成。抗生素既可殺滅致病菌，同時也會殺死無害菌。在一些情況下，用抗生素處理后可能需要近1年的時間才能重建平衡的腸道微生物菌群。

其他能影響腸道微生物菌群組成的添加劑有益生素和益生元。益生素是活的微生物（被認為是“有益菌”）的培養物。將其加入日糧能夠有效地改變腸道微生物菌群結構。益生元是指不能被動物消化的食物成分，它們能通過刺激大腸內有益腸道微生物菌群的生長和活性而對宿主動物產生有益影響。盡管所有的益生元都是纖維，但纖維并不都是益生元。

3 不同來源纖維的有利作用

飼料原料中能夠影響腸道微生物菌群組成的一個顯著例子是益生類木質素。我們發現：益生類木質素加入豬飼料后，豬的總體健康和生長得到改善，飼料效率得以提高；同時腹瀉的發病率似乎也顯著降低。過去十年的科學研究也已經證實了這一點。木質素的作用機制并不是自身被消化，而是它能進入大腸，在大腸菌群幫助下進行發酵，以此發揮作用。

大腸內不同的底物將改變該部分腸道內微生物菌群的類型。研究表明，當動物采食了類似的木質素源時，其糞便樣本中的揮發性脂肪酸含量增加（圖2）；同時丁酸的含量也增加了大約20%。

另一個在2015年由澳大利亞莫道克大學一個研究小組完成的實驗再次確認日糧添加此類木質纖維素源可以促進動物生長、改善其腸道健康。仔細觀察某些疾病后可以得出結論：這種來源的木質纖維素似乎能減少大腸桿菌的排出，并能促進其他細菌，如一種屬于厚壁菌門的細菌Christensenellaceae生長（圖3），已知這種細菌能產生丁酸。

4 短鏈脂肪酸的生成

2015年澳大利亞新英格蘭大學對肉雞進行的研究得到了非常相似的結果。該研究證實，此類木質纖維素可通過提高盲腸中乳酸和丁酸的濃度而對肉雞產生有益作用。

將可發酵與不可發酵的纖維素組分混合后用膠囊封裝保護（以避免其在消化道前段內釋放），然后添加至仔豬日糧中，研究發現它們對仔豬生長和腸道健康有顯著的有利影響。這類混合物似乎是通過影響仔豬總體的消化和發酵過程來起作用的。它會使腸道微生物菌群再次達到平衡，尤其在單胃動物的大腸中。

日糧纖維經腸道共生菌的發酵后一般都會產生短鏈脂肪酸（Small Chain Fatty Acids，SCFA）。當這些SCFA在后部腸道生成后，能很快被宿主動物吸收，進而成為宿主動物的一個重要能量來源。

丁酸鹽是最重要的SCFA之一，它能從多方面對大腸起到有益作用。比利時根特大學的一項研究表明，它似乎在調節肉雞飽腹感和維持結腸穩態等方面發揮著一定的作用。并且，丁酸鹽似乎對腸道上皮細胞有有益的影響，能促進其更好地增殖和分化。丁酸鹽除了能促進宿主動物對水和營養物質的吸收之外，它還能加強機體的免疫屏障功能和致病菌防控能力，因而對動物的免疫系統起到積極作用。

除此之外，有很多研究著重強調丁酸鹽在防止結腸癌方面有著重要的作用；多項流行病學研究也支持丁酸鹽在防止結腸癌發生上的作用。丁酸鹽似乎能影響癌細胞的表達，減緩癌細胞的擴散。除了促進丁酸鹽的生成，向日糧添加纖維還能刺激乳酸桿菌的生長。乳酸桿菌能產生乳酸，而乳酸也能經之前提到的厚壁菌門類細菌發酵成為丁酸鹽。

5 對妊娠母豬的影響

研究發現在妊娠母豬上一個泌乳期結束時給其飼喂纖維會對母豬的多個性狀產生有利作用：首先，富含纖維的日糧能不斷刺激腸道，因此會對母豬的分娩期時間長短產生有利影響。較短的分娩時長能提高仔豬的存活率。荷蘭的一項研究發現，母豬分娩時長可以從不飼喂日糧纖維時的220 min縮短至飼喂Opticell?益生纖維的180 min，縮短了近20%。

其次，該母豬所產仔豬的初生重和斷奶窩重似乎也顯著增加，分別提高5.2%和12.2%。一個可能的解釋是日糧纖維在妊娠母豬后部腸道中的發酵可導致母豬能吸收更多的能量，這些能量似乎能被更多地轉化為仔豬體重。一個被反復證明的事實是：隨著窩產仔數的持續增加，日糧纖維似乎可以成為養豬生產者改善仔豬質量和健康的一個理想工具。

6 纖維的正確飼喂時間和被利用的正確部位

單胃動物后腸的發育在其生命的早期并不完善。動物生長得越成熟，它就越容易從飼料中的各種纖維源上獲益。粗纖維源已成為豬日糧的一部分，豬的進化已幫助其能夠存活并從這類日糧成分中受益。豬年齡越小，其從這些纖維源成分中獲益的先天能力就越弱。

為了能使動物從這類飼料原料中充分獲益，確保這些成分到達大腸的正確部位十分重要。許多益生類飼料成分很可能在消化道中被過早地消化而不能抵達大腸，從而無法發揮其最大的有益作用。

7 結語

在現代技術的輔助下，天然產品不僅能為單胃動物而且也能為復胃動物帶來巨大的好處。盡管我們只了解其作用的部分機制，但人們似乎已普遍接受了在日糧中添加纖維會對動物生產性能產生有益作用的事實。纖維飼料已成為現代豬日糧中的常規成分。

原題名：Microbiome： Its effect on health and growth（英文）

原作者：Benny van Haandel （E-barn Solutions Genetic Consultancy公司主任）