家禽腸道菌群多樣性及其與宿主的相互關系

朱春紅，陶志云，劉宏祥，徐文娟，宋衛濤，章雙杰，李慧芳

(江蘇省家禽科學研究所，江蘇揚州 225125)

腸道微生物的結構組成是自然選擇的結果。腸道中存在3種生命形式：細菌、古生菌和真菌。其中最主要的是細菌類，通常定義為腸道菌群，腸道菌群的建立和組成也呈現一定的規律性。從細菌定居能力上講，主要由三大類組成，最主要的一類是正常菌群，在消化道中密度很高，占消化道細菌的絕大部分，主要由專性厭氧菌組成；一部分是暫時在動物腸道中生存，在消化道中的密度很低，由外籍菌群和環境菌群構成，以需氧和兼性厭氧菌為主；還有一部分細菌不能適應腸道環境或動物體不需要，隨糞便排出體外。從與宿主的關系上講，主要分為互利共生(symbiosis)、同食共生(commensal)及致病性(pathogenic)。在正常情況下，腸道微生物和宿主之間處于互利共生的關系。

家禽(雞、鴨、鵝)是重要肉蛋蛋白產品的來源，家禽腸道健康，特別是腸道菌群影響下的營養健康、腸道免疫健康，是保證家禽生產的重要方面，該研究從營養健康、免疫影響角度綜述家禽腸道健康和家禽健康生產的維護。

1 家禽腸道微生物菌群的多樣性

2005年，Eckburg等[1]通過宏基因組研究發現，腸道微生物在系統發育地位上基本分屬厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、梭菌肝門(Fusobacteria)六大門，其中厚壁菌門和擬桿菌門為主要優勢菌群。上述主要優勢菌群，在遺傳距離不一的物種中，核心菌群上保持著一定程度上的一致。

鳥類代表一種多樣性且進化成功的血統，在世界各地占有廣泛的地位，但對其腸道菌群的認知仍然有限。就像其他脊椎動物宿主一樣，鳥類胃腸道菌群以厚壁菌門為主，同時也可觀察到放線菌、擬桿菌和變形桿菌[2]。雞和火雞的腸道菌群多樣性研究顯示，在雞和火雞的腸道細菌中發現了13個細菌門，其中厚壁菌門、變形菌門占絕對優勢(>90%)。在雞上發現超過900種等價的操作分類單元(OTU，定義在0.03進化距離)，而這些OTUs代表117個已建立的細菌屬。在火雞中鑒定69個現有的細菌屬中發現近500個OTUs。在雞和火雞中發現的最主要的屬為梭狀芽孢桿菌屬、瘤胃球菌屬、乳桿菌屬和擬桿菌屬，但分布不同。雞和火雞有特異的腸道微生物，在物種等效水平上只有16%的相似性。遺傳和其他因素(如飲食、食糜流通速率和飼養環境)可能對雞和火雞腸道菌群結構的不同產生影響[3]。水禽腸道菌群多樣性表現為不同飼養方式(籠養舍飼和地面平養)鴨群中，菌群主要構成是厚壁菌門和變形菌門，不同菌門的相對豐度隨著鴨子的日齡變化而變化，變形菌在前3 d為優勢菌門，第4天開始厚壁菌門增加并占主導地位。地面平養的鴨群在發育后期腸道菌群中除了變形菌門和厚壁菌門，還有大量的擬桿菌門，籠養舍飼鴨群中則無擬桿菌門[4]。綜上研究結果，不同家禽物種間或者同種家禽不同群體的腸道微生物菌落都有差異，但是在家禽中又會保持一定的穩定性和一致性。

2 家禽腸道菌群與宿主的相互關系

2.1碳水化合物、氮代謝和維生素利用多種腸道細菌可以水解可消化的膳食多糖、低聚糖以及由這些糖組成的雙糖，易消化的膳食碳水化合物的消化和吸收是在宿主的近腸端，難消化的碳水化合物和殘余的可消化的碳水化合物為遠端腸道的菌群利用[5]，腸道菌群發酵后，產生短鏈脂肪酸(SCFAs)，主要有乙酸、丙酸和丁酸。SCFAs可以被宿主作為能源和碳源而利用。發酵作用可以在禽的腸道(從嗉囊到盲腸)觀察到，但主要發生在細菌密集的盲腸。發酵作用隨著日齡的增加而增加，在1日齡的肉雞盲腸中檢測不到乙酸、丙酸和丁酸，在15日齡肉雞中，SCFAs達到高濃度，并且隨后保持穩定[6]。在盲腸中，SCFAs可以通過被動擴散被上皮細胞吸收，并進入各種代謝通路[5]。研究顯示，SCFAs，尤其是丁酸，可以作為腸上皮細胞的重要能量來源；另外，SCFAs可以調節腸道血液流動，刺激腸上皮細胞的生長和增殖，調節黏液分泌，并影響腸道免疫反應[5]。

腸道微生物也有助于宿主的氮代謝[5]，鳥類腸道和泌尿生殖道與泄殖腔連接，泄殖腔是尿和糞便混合的地方，一些尿可能由于直腸蠕動停止而逆流到盲腸；一些膳食氮會被納入細菌細胞蛋白，因此，腸道細菌本身可以是氨基酸的來源。然而，這些細菌蛋白中的大多數在宿主排泄糞便過程中失去，且鳥類的大部分腸道細菌定居在盲腸，而盲腸沒有吸收和消化蛋白的能力。如果禽群為平養飼喂，可能會發生食糞行為，所攝食細菌蛋白質可以在近腸端被消化吸收[7]，利用部分細菌蛋白。

家禽腸道微生物也為宿主提供維生素(特別是VB)[8]。與細菌蛋白相似，大部分由腸道細菌合成的維生素通過糞便排出體外，因為它們不能被盲腸吸收。然而，有食糞機會的禽群可能從維生素合成的細菌中得到益處。籠養的雞群需要更多的維生素可以支持這一觀點。

2.2腸道菌群與宿主的營養互作關系以一種互惠的方式，鳥類可以為腸道細菌提供一些營養。例如，由腸道杯狀細胞產生的粘蛋白是一些共生菌和致病菌碳、氮和能量的重要來源。雖然很少有家禽利用細菌粘蛋白方面的研究報道，但在其他動物中的研究表明，很多細菌可以降解粘蛋白，包括雙歧桿菌、擬桿菌以及其他腸道細菌的一些種屬。這些細菌能夠附著黏液層，并且分泌特定的酶來降解粘蛋白。盡管禽類還沒有粘液素被這些細菌降解的報道，但這類種屬細菌已經在家禽腸道中發現，因此，有理由相信禽類的一些腸道細菌可以降解粘液素[9]。

盡管禽類和腸道微生物都在宿主-微生物營養交換中獲利，有時也發現一些腸道微生物與宿主競爭營養。腸道菌群和宿主向著共生關系而演化，并且對于健康的禽類，很多情況下可消化的營養是在宿主的小腸中被吸收的，這種直接競爭營養的情況是很少的，因為在小腸中細菌密度低，而且小腸中pH低，停留時間短，因此細菌利用營養受到限制[10]。然而，在某些情況下，細菌在小腸中過度生長，營養物質會在宿主正常吸收前被細菌捕獲和利用。對于哺乳動物，一些腸道細菌能分解膽汁酸，從而抑制宿主的脂質消化[11]。分離自雞的產氣莢膜梭狀芽孢桿菌、鏈球菌、一些雙歧桿菌和乳桿菌能夠解離膽汁酸，但到底是雞細菌的什么成分降解膽汁酸減少脂質消化還不清楚。

2.3家禽腸道菌群與腸道黏膜免疫腸道黏膜表面積最大，是機體最大的免疫器官，集結了動物體60%～70%的免疫細胞。腸道菌群是機體免疫力產生的源泉與動力，腸道正常菌群的發育和多樣性能有效促進腸道上皮組織和黏膜免疫系統的發育和成熟。無菌條件下飼養的動物腸黏膜淋巴細胞密度小，淋巴濾泡小，血液中免疫球蛋白IgA的循環濃度低，對疾病的易感性較高。腸道免疫系統包括一個強健的黏膜層、免疫細胞、分泌可溶性免疫蛋白(IgA)和抗菌肽(AMPs)等。

2.3.1黏膜層。強健的黏膜層粘蛋白由微生物可以定植的疏松外層和阻擋大部分細菌的致密細胞內層組成。作為腸道黏膜免疫系統的一部分，黏液層阻止腸道微生物入侵腸道上皮細胞，成為抵御感染的第一道防線[12]。Forder等[13]描述了在相較于隔離器中飼養的肉雞，傳統飼養的肉雞腸道中有更多的杯狀細胞，雞群黏蛋白基因MUC2表達譜存在差異，可能是不同飼養環境下的2組雞群不同腸道菌群所致。再如空腸彎曲桿菌在人和雞中具有不同致病性，體外研究表明，空腸彎曲桿菌可以粘附侵入雞和人的小腸上皮細胞。然而，即使雞腸道密集分布空腸彎曲桿菌，也不會引起疾病，而人攝入含有空腸彎曲桿菌的食物可能引起嚴重的胃腸炎[14]。研究已經表明，肉雞腸黏液可以通過抑制空腸彎曲桿菌粘附和入侵腸上皮細胞而減弱空腸彎曲桿菌的毒力[15]。因此，人和雞腸道黏膜層的差異可能影響空腸彎曲桿菌在這2種宿主中的致病性。另有研究報道，唾液酸粘蛋白在傳統飼養模式的雞群中更豐富，而硫酸粘蛋白在低細菌負荷的雞群中占優勢，這種粘蛋白組成的變化在孵化后4 d可以觀察到，表明腸道微生物在調節黏液層的建立中發揮作用[13]。通過運用雞壞死性腸炎模型(在球蟲感染后接種產氣莢膜梭菌)，Collier等[16]指出感染堆型艾美爾球蟲和大型艾美爾球蟲增加黏膜生成，這有利于黏液溶解菌——產氣莢膜梭菌的生長。

2.3.2重要免疫細胞。腸道菌群與宿主免疫系統之間的相互作用可以引起隨后的適應性免疫反應。B細胞和T細胞是介導免疫應答的2種主要類型的淋巴細胞，在適應性免疫系統中起著至關重要的作用。在鳥類的腸道中，B細胞和T細胞可以在淋巴組織中(例如，盲腸扁桃體、Peyer’s小結、法氏囊)和更分散的地區如固有層和上皮中發現。禽類腸道菌群的多樣性已經被證明會影響腸道和脾臟內T細胞受體的復雜性[17]。由于家禽的數據相對缺乏，為此，主要介紹其他動物模型的相關文獻，這些模型與家禽的微生物免疫系統有關。腸道菌群引導細胞因子和趨化因子的產生，調節B細胞的反應和IgA的產生。研究表明，通過服用益生菌對腸道菌群調節可以影響抗體介導的免疫反應。鳥類接種或者飼喂益生菌，包含嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌、糞鏈球菌，顯示出對綿羊紅細胞的全身性的抗體反應增強[18]。其他研究表明，不同的乳酸菌菌株對雞抗體介導的反應有刺激作用，而且這種效果與乳酸菌種類以及雞的類型(蛋用和肉用)和年齡有關[19]。然而，益生菌如何增強抗體介導的免疫應答有待進一步研究。推測益生菌能刺激Th2細胞因子(如IL-4和IL-10)的產生，從而增強抗體介導的免疫應答[20]。除抗體介導的反應，也發現細胞介導的免疫反應受到腸道微生物的影響。通過使用無菌的、傳統的和無特定病原體的雞，Mwangi等[17]研究認為腸道微生物的復雜性對腸道T細胞庫具有巨大影響；Brisbin等[20]報道多種乳酸桿菌均有誘導雞盲腸扁桃體T細胞表達細胞因子的能力，這有助于腸道內環境的穩定。

2.3.3分泌型免疫球蛋白IgA(sIgA)。sIgA作為腸道上皮細胞覆蓋的黏膜層中重要抗體組分，是腸道黏膜免疫中重要的免疫球蛋白。在腸道正常菌群形成和腸道黏膜免疫系統的成熟過程中發揮著極大作用，在腸腔內執行重要物理或者化學抗病原體感染功能。腸道中sIgA在腸道抗原，由腸道菌群的刺激逐漸增加，其中sIgA 90%以上是細菌(包括共生菌和致病菌)誘導后產生的[21]。致病菌感染機體，激活黏膜免疫，誘發黏膜sIgA分泌，發揮特異性抗感染作用。致病菌感染機體后，sIgA攜帶細菌形成免疫復合物通過微生物相關分子模式識別可防止前炎癥因子的分泌，同時刺激促使sIgA分泌的細胞因子的分泌。Peyer’s小結內CD11c+/CD11b+DC特異性針對sIgA免疫復合物，刺激IL-10分泌型T細胞反應和IgA的分泌[22]。初生小鼠由于缺乏sIgA的保護，對沙門菌較正常小鼠敏感[23]；用傷寒沙門菌免疫小鼠可誘導小鼠T細胞數量增加，CD4/CD8比值增高，細胞因子IL-1、IL-2、IL-4和IFN-γ含量增加，刺激腸上皮細胞分泌pIgR，使黏膜sIgA分泌增加，提高機體抗感染能力，說明腸道黏膜sIgA可明顯降低腸道致病菌導致的糞-口途徑傳播[24]。同時，在哺乳動物——豬上的研究結果發現，腸道菌群組成正相關于sIgA和體重發育，表明sIgA是生長表現和黏膜免疫健康的重要生物指標[25]。

2.3.4抗菌肽作用。禽類起作用的先天性免疫系統的另一個重要的組成成分是腸上皮表面的抗菌肽[12]。在家禽中，最重要的和廣泛研究的抗菌肽是β-防御素。他們是由禽巨噬細胞、異嗜細胞和上皮細胞產生的小的陽離子肽，他們可以通過破壞細胞膜的通透性導致細胞裂解來殺死各種腸道病原體。Brisbin等[12]研究表明，雞中沙門氏菌感染增加β-防御素的表達，然而在接種沙門氏菌前添加益生菌會引起β-防御素表達下降；然而Derache等[26]研究表明，在培養的禽上皮細胞中體外感染沙門氏菌不能增加β-防御素的表達，這種差異的可能解釋是，β-防御素基因在體內沙門氏菌感染后表達的增加是因為在相應沙門氏菌感染后招募異嗜細胞的結果。Derache等發現禽上皮細胞對活的和滅活的腸炎沙門氏菌的反應是不同的，β-防御素基因AvBD2在上皮細胞和熱滅活的腸炎沙門氏菌共同孵育后表達量增加。這些發現表明，活的腸炎沙門氏菌可以通過一種未知的機制阻止β-防御素基因在上皮細胞的表達，并且使用這一機制作為防止自身被宿主免疫系統清除，這一策略可能隨后促進腸炎沙門氏菌粘附和入侵腸上皮細胞。

3 腸道菌群結構特點對生產的影響和利用

腸道微生物結構差異影響肉雞體重增重效率。研究發現飼料轉化率(FCR)高和低的肉雞群體的糞便微生物組成和潛在的代謝能存在差異，微生物結構組成在分類門水平上表現為：變形菌門 (低FCR：78.83%，高FCR：52.04%), 厚壁菌門 (低FCR：11.97%，高FCR：27.53%) 和擬桿菌門 (低FCR：7.10%，高FCR：17.53%) 。在分類屬的水平上，有33個細菌屬在2個不同群糞便中存在顯著差異；代謝能力分析顯示，在2個樣本的種子子系統中，碳水化合物、氨基酸及其衍生物和蛋白質代謝的基因最為豐富，應激相關基因、致病力、細胞壁和莢膜基因也是富集的[27]。通過不同飼養試驗的肉雞回腸和盲腸內微生物分析，Torok等[28]鑒定了與肉雞生長性能有潛在相關的細菌種類。上述結果說明家禽腸道菌群組成差異影響生產群體或者個體的生產效率。

目前，腸道菌群結構差異性對生產的影響主要體現在部分有益種屬菌株在日糧中添加使用可改善腸道菌群結構。研究發現新生肉雞和鴨腸道中乳酸桿菌的增加與體重相關，接種1次或者2次乳酸桿菌，能顯著增加受接個體的體重，改變受接種個體的腸道菌群結構，且腸道菌群的差異可能先于體重增加[29]。在鴨內源微生物中，研究112個鴨源乳酸菌菌株作為飼料添加物使用，其中2株乳酸桿菌具有較強的作為益生菌的潛力，可見家禽的自然腸道菌群是有益菌株的最佳來源。研究進一步提出有益菌株篩選方法學，根據其16S rDNA序列特征設計出特異性，針對上述2株益生菌的靶標序列，利用靶標序列在復雜的生態系統中找到最有潛力的候選菌株，或以最小的支出集結大的菌株集合[30]。

日糧中添加枯草芽孢桿菌，調節腸道菌群，在動物生產中取得較好的應用。櫻桃谷鴨孵化后28 d，飼喂含有枯草芽孢桿菌日糧比正常喂養的對照組的鴨的體重明顯增加，有相對較高的免疫器官重量(法氏囊、胸腺、脾)，并表現出更大的絨毛高度、絨毛高度與隱窩深度比值(十二指腸和空腸)，更淺的隱窩深度(P<0.05)。此外，在鴨胸腺和脾臟中檢測主要的促炎因子和抗病毒蛋白，在孵化后28 d飼喂益生菌的鴨比孵化后14 d飼喂益生菌的高。飼喂枯草芽孢桿菌的鴨經過28 d的飼養，再注射大腸桿菌和新型鴨呼腸孤病毒，鴨的存活率分別為43.3%和100%，均顯著高于對照組的20.0%和83.3%。總之，飲食中添加枯草芽孢桿菌可以改善櫻桃谷鴨的生長性能、免疫反應、抗大腸桿菌和呼腸孤病毒[31]。

4 展望

初生雛展示出滯后的正常菌群低濃度、低密度時空順序定植, 最有效、最無害的應用是實現腸道菌群發展和形成過程的可控性，合理改善調節腸道菌群結構，提高生產水平。腸道菌群通過合成SCFAs、維生素等輔助宿主代謝系統和調節免疫系統的發育和成熟，而宿主為腸道菌群提供生態環境和營養供給，兩者良性互作實現家禽的健康高效生產。