氧化應激與母仔豬腸道菌群的互作及其營養調控

郝翔宇，王 浩，李綺琪，鄭雪玥，伍子放，譚成全

（華南農業大學動物科學學院，廣東廣州510642）

由于養殖業規模化和集約化的發展，生豬飼養過分集中、個體空間嚴重不足、養殖環境惡化等問題逐步加重，高溫、缺氧及刺激性氣體等都會對生豬機體代謝造成負面影響，使其需氧量增加，代謝異常，影響其綜合體質，破壞動物機體內氧化和抗氧化系統平衡，引發氧化應激，導致母豬繁殖力降低，淘汰率增加，種用年限下降。繁殖周期內母豬氧化應激將進一步傳遞給后代，加上仔豬自身經歷多種氧化應激損傷，尚未成熟的抗氧化系統難以有效的清除過量的自由基，導致腸道氧化應激的發生及腸道菌群生態平衡被打破 （趙珂立，2011；EP等，2006）。本文探討氧化應激對母仔豬腸道菌群穩態的影響及其互作效應，并綜述促進母仔豬腸道健康和緩解氧化應激營養調控策略，以期為降低母仔豬氧化損傷，改善腸道健康，提高母豬年生產力提供理論依據和技術支撐。

1 氧化應激的概念

氧化應激狀態是因為機體內的高活性分子物質，如活性氧（ROS）或活性氮（RNS）過多或機體清除高活性分子物質效率降低而引起的病理狀態。動物機體內的ROS或RNS與脂質、蛋白質、碳水化合物和DNA等有機大分子物質進行氧化反應，使它們的結構和性質改變，使細胞的結構和功能受到損傷 （趙珂立，2011；Berchieri-Ronchi等，2011）。一般生物體內的自由基包括超氧陰離子自由基（O2-）、過氧化氫（H2O2）、過氧化氫自由基（HOO-）等。

2 母仔豬氧化應激與腸道菌群的互作

2.1 繁殖周期內母豬氧化應激與腸道菌群的互作

2.1.1 繁殖周期內母豬的氧化應激 在正常的生理狀況下，母豬代謝過程中會產生必需的ROS，但機體的抗氧化系統會及時清除掉過量的ROS，使機體內的ROS處于相對穩定的狀態，但在母豬繁殖周期中，母體在妊娠期及泌乳期自身代謝強度增加，導致體內ROS水平顯著增加，使母豬受到氧化應激的風險也顯著提高。在母豬正常的懷孕過程中，胎兒需要從母體獲取營養，在妊娠后期，胎兒生長速度加快，其所需營養物質增加導致母體代謝強度增加，母體血液中甘油、游離脂肪酸和丙氨酸含量上升 （Burton等，2010），表明母體內ROS產生量增加。在母豬泌乳階段，為滿足仔豬營養需要，母豬處于嚴重的分解代謝狀態，導致母豬體內產生過量的ROS，氧化應激增加 （Tan等，2015）。另有研究表明，在母豬繁殖周期內，環境應激（熱應激和社會應激）會導致氧化應激加劇，與群居妊娠母豬相比，位于限位欄中的母豬機體自由基大量產生，造成抗氧化和氧化系統失衡，進而導致氧化損傷，氧化應激增加 （Wolter等，2003）。綜上所述，在母豬的繁殖周期中，尤其是妊娠后期以及泌乳期普遍存在氧化應激。

2.1.2 氧化應激與母豬腸道菌群的互作 動物體內定植大量的腸道菌群，氧化應激產生過量的ROS會導致腸道結構破壞，腸黏膜缺血缺氧性損傷，腸道菌群穩態易被打亂 （Assimakopoulos等，2004），進而導致營養吸收受阻，嚴重影響豬的采食量、體增重及繁殖性能。此外，氧化應激通過改變腸道內環境作用于腸道菌群，導致大腸桿菌、糞鏈球菌、葡萄球菌等條件性致病菌大量增殖，并抑制乳酸桿菌、雙歧桿菌等益生菌的增殖 （O'Mahony等，2015）。腸道氧化應激也可導致大腸桿菌等致病菌進入內環境，引發炎癥反應，炎癥因子激活巨噬細胞，后者在吞噬致病菌的過程中產生大量的ROS，進而導致乳酸桿菌等有益菌在腸道的定植和生物學功能的發揮受到抑制 （李超等，2014），腸道內條件性致病菌豐度增加，母豬更易受到氧化損傷，產生氧化應激 （Wang等，2018）。有報道指出母豬抗氧化能力與擬桿菌呈正相關而與鏈球菌呈負相關，也有研究證明擬桿菌的相對豐度可影響母豬的氧化應激 （Zhang等，2017），有益菌可通過產生相應的代謝產物進而維持腸道內氧化和抗氧化系統的穩態，如瘤胃球菌的代謝產物丁酸可作為結腸黏膜的營養來源，緩解腸道內的氧化應激 （Wang等，2018）。

2.2 仔豬出生及斷奶氧化應激與腸道細菌的互作

2.2.1 仔豬出生及斷奶氧化應激 仔豬出生時，外界環境與母體子宮內環境不同，且仔豬的呼吸方式由分娩前的被動呼吸變為分娩后的自主呼吸，多因素的驟變導致新生仔豬線粒體呼吸系統及其他生理代謝系統產生大量的自由基，而新生仔豬本身的抗氧化系統仍處于發育階段，其清除ROS的能力十分薄弱 （Jain，2016），使新生仔豬易產生氧化應激。有研究表明，在仔豬出生當日，其血液中氧化應激標志物丙二醛（MDA）含量達900 pmol/mg，蛋白質及核酸氧化產物含量也最高；在仔豬出生7 d后，其血液中MDA含量下降至200 pmol/mg，另外仔豬出生時體內的抗氧化物酶活性較低，但在第7天時抗氧化物酶的活性顯著升高（Yin等，2013）。由此可知仔豬出生會產生較多的ROS并增加仔豬氧化應激的可能性。

現代集約化養豬業中仔豬常采取在21～24 d斷奶，然而因斷奶過程中仔豬的營養來源從母乳到飼料的轉變及飼養環境的改變導致仔豬出現斷奶應激。有研究表明仔豬血液中MDA、一氧化氮（NO）及H2O2含量在斷奶第3天后顯著增加，調節ROS生成的腫瘤蛋白53有上升趨勢 （Zhu等，2012）。而谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）和超氧化物歧化酶 （SOD）等抗氧化物酶活性受到抑制（Luo等，2016）。可見斷奶應激會進一步誘導仔豬氧化應激的發生。

2.2.2 氧化應激與仔豬腸道菌群的互作 斷奶后仔豬腸道菌群發生顯著變化，有益菌（乳酸菌）豐度明顯下降，而仔豬條件致病菌（大腸桿菌）豐度增加 （Xu等，2014），有研究表明仔豬腸道內乳酸桿菌和雙歧桿菌豐度與SOD及GSH-Px等抗氧化酶的活性呈顯著正相關，但與MDA及H2O2含量呈顯著負相關，表明腸道菌群豐度的變化與腸道內的抗氧化物以及自由基水平有關 （Xu等，2014）。過量的氧自由基可顯著抑制機體腸道雙歧桿菌等有益菌增殖，但對潛在病原菌無顯著影響，且易加劇機體炎癥反應 （David等，2014）。氧化應激導致仔豬回腸、盲腸和直腸中的大腸桿菌數量顯著增加，而乳酸桿菌的數量顯著降低，盲腸中的雙歧桿菌數量顯著降低 （Xu等，2014），仔豬產生的氧化應激會引起腸道菌群結構的變化，從而對腸道造成損傷。由于仔豬腸道功能發育不健全，未消化的蛋白質經腸道致病菌發酵會產生有毒胺（金立志等，2016），從而導致仔豬體內GSH含量降低，氧化應激增加 （Pieper等，2012）。腸道有益菌可將日糧纖維發酵為短鏈脂肪酸（SCFA）（Tian等，2017），SCFA可作為信號分子進而降低仔豬氧化應激 （Han 等，2016）。

3 營養干預對母仔豬氧化應激和腸道菌群的影響

3.1 植物提取物對母仔豬氧化應激和腸道菌群的影響 植物提取物的抗氧化特性可不同程度的修復和緩解氧化應激對機體的腸道損傷。研究報道止痢草油抗氧化效應的成分為香芹酚和麝香草酚，其可有效地清除ROS，增強腸道內SOD及GSH-Px的活性，促進腸道內有益菌的增殖，抑制條件致病菌的增殖 （Wei等，2015）。 鄒軼（2017）研究表明，在飼糧中添加止痢草油，可降低母豬妊娠后期和分娩當天MDA及8-羥基脫氧鳥苷 （8-OHDG）含量，激活IPEC-J2細胞轉錄因子Nrf2，提高SOD及GSH-Px的活性和母豬妊娠后期的抗氧化能力，抑制NADPH酶的表達，降低ROS的產生，進而緩解母豬的氧化應激。妊娠母豬飼喂止痢草油飼糧增加了糞便中乳酸桿菌的數量并降低了大腸桿菌的數量，表明止痢草油可在有效抑制病原菌增殖的同時相對保護有益菌，維護腸道菌群區系的相對穩定 （Tan等，2015）。斷奶仔豬試驗中，飼喂仔豬香芹酚-麝香草酚日糧可顯著降低仔豬腸道氧化應激和大腸桿菌數量，提高乳酸桿菌相對豐度 （Wei等，2017）。異黃酮具有活性酚羥基，可與活性氧自由基結合并使其失活，從而阻斷自由基反應，緩解豬氧化應激 （高開國等，2016）。飼喂哺乳母豬含大豆異黃酮的飼糧，顯著提高了母豬泌乳21 d的總抗氧物能力 （TAOC）和過氧化物酶 （CAT）活性，顯著降低了MDA含量 （王志龍等，2016），并使腸道內條件致病菌（大腸桿菌）的數量顯著降低，而有益菌（乳酸桿菌）數量顯著升高 （李方方等，2015）。另有研究表明，在日糧中添加大豆異黃酮可顯著降低斷奶仔豬腸道內條件致病菌（大腸桿菌）的豐度，極顯著的提高有益菌 （雙歧桿菌和乳酸桿菌）的豐度（李方方等，2015），另外，還可抑制ROS的產生，增強內源性抗氧化物酶（SOD）的活性 （黃琳等，2011）。

植物提取物自身作為抗氧化物質，可直接清除體內過多的ROS進而緩解母仔豬的氧化應激，也可作為信號分子調控機體抗氧化物相關基因的表達，促進抗氧化物（SOD等）的產生和分泌，增強機體的抗氧化能力，從而維持腸道菌群及氧化和抗氧化系統的穩態。

3.2 日糧纖維對母仔豬氧化應激和腸道菌群的影響 日糧纖維無法被高等動物自身酶解，只能經腸道菌群酵解，不同來源纖維的發酵性差異顯著。日糧纖維對母仔豬的氧化應激及腸道菌群的影響取決于纖維自身的理化性質如發酵性。高發酵性纖維可改變腸道菌群結構，減少氧化應激。有研究表明，高發酵性纖維顯著增加了斷奶仔豬腸道中的菌群多樣性，尤其是乳酸桿菌屬的數量（Konstantinov等，2004）。不被酶解的日糧纖維經腸道菌群發酵產生SCFA（如乙酸、丙酸和丁酸等（Kim等，2018）。SCFA通過刺激使腸道上皮細胞增殖，并產生酸性環境抑制病原性菌（如沙門氏菌和大腸桿菌等）的增殖，維持腸道菌群的穩態（Montagne等，2003）。據報道，仔豬飼喂玉米抗性淀粉日糧可以降低腸道內pH并增加SCFA濃度，減少蛋白質發酵有毒物質的產生，并可有效地增加腸道有益菌（乳酸桿菌等）的數量 （He等，2017）。妊娠母豬飼喂2.2%魔芋粉的日糧與對照組相比，前者在分娩當天GSH-Px的濃度顯著增加，ROS和8-OHDG水平顯著降低，腸道中乳酸菌的豐度顯著提高，母豬氧化應激降低（譚成全，2016）。在仔豬試驗中，高發酵性纖維日糧會使斷奶仔豬腸道內條件性致病菌數量增加 （金立志等，2016），可能是由于仔豬發酵能力較差，高發酵性纖維未被完全分解，在腸道內累積，導致腸道菌群的紊亂。弱發酵性纖維不能為有益菌提供營養，但抑制有害菌的能力更強。有研究指出，用高木質素的黃花馬尾松粉日糧及低木質素的麥麩日糧分別飼喂仔豬，結果表明，前者在減少大腸菌群數量上比后者更有效 （Schedle等，2008），這可能是因為未發酵消化纖維與腸道中大腸桿菌互作，從而加速有害菌排出體外 （金立志等，2016）。

高發酵纖維可促進有益菌增殖并抑制條件致病菌增殖，并可通過腸道菌群代謝產物如SCFA等信號分子激活抗氧化應激信號通路從而發揮抗氧化作用。高發酵性纖維的利用與動物腸道菌群發酵能力有關，其會對發酵能力差的仔豬產生不利影響。弱發酵性纖維主要抑制病原菌增殖，從而維持腸道菌群穩態，減少有毒產物的生成，緩解氧化應激。

3.3 功能性氨基酸母仔豬氧化應激和腸道菌群的影響 功能性氨基酸對降低母仔豬氧化損傷及維持腸道菌群的穩態有著重要的作用。主要包括谷氨酸（或谷氨酰胺）、精氨酸和半胱氨酸。谷氨酸可顯著提升仔豬體內SOD、T-AOC及NO的濃度，顯著降低血清中MDA水平（Yin等，2015）。谷氨酸是谷胱甘肽（GSH）的前體物質，其可從腸腔進入腸細胞，合成GSH，增強抗氧化能力，并可降低有害菌的入侵幾率，緩解斷奶應激對腸道造成的損傷并維持腸道菌群的相對平衡 （Lv等，2018）。有研究表明，谷氨酰胺可促進NO合成酶的合成進而使NO濃度增加，谷氨酰胺是腸道上皮細胞主要營養物質 （孔祥峰等，2009）。添加谷氨酰胺可抑制豬大腸桿菌利用谷氨酸，提高谷氨酸的濃度 （Zhao等，2013）。在妊娠母豬試驗中，谷氨酰胺可促進磷酸戊糖途徑的活性，從而提高母豬體內NADPH及GSH的水平，緩解氧化應激（林剛，2014）。另有報道精氨酸可顯著改善仔豬的氧化損傷 （Zheng等，2013）。在氧化應激狀態下，給豬補充精氨酸可以降低豬的氧化應激損傷，增加GSH的水平，增強抗氧化能力。飼喂補充精氨酸飼糧的母豬在21 d血液中NO的濃度上升（Guo等，2017），機體肝臟抗氧化酶的活性顯著提高，過氧化物的釋放及脂質過氧化物反應受到抑制 （Galli，2012）。補充精氨酸會減少回腸細菌對谷氨酸的利用，但會增加大腸桿菌對谷氨酸及谷氨酰胺的利用 （Dai等，2012）。半胱氨酸可合成N-乙酰半胱氨酸（NAC），后者可與ROS作用并清除自由基，從而提高NO的濃度，NAC可合成GSH進而增強抗氧化能力 （Zafarullah等，2003）。據報道，經NAC治療的仔豬體內GSH增加而ROS降低 （Johnson等，2007）。豬半胱氨酸攝入及代謝缺陷可能會導致氧化應激，補充半胱氨酸則可有效地增加豬空腸黏膜中的GSH濃度，緩解氧化應激 （唐天悅等，2018；Heather等，2003）。 另有研究表明，半胱氨酸與谷氨酰胺均可使腸道乳酸菌數量恢復到正常水平并抑制大腸桿菌的繁殖，使ROS水平恢復正常 （Xu等，2014）。

功能性氨基酸可直接影響抗氧化物的合成，進而影響機體抗氧化系統的活性，或通過調節信號分子的產生進而調節抗氧化系統。功能性氨基酸可以有效地清除機體內多余的氧自由基，維持氧化和抗氧化系統的穩態，同時部分氨基酸可作用于腸道，降低腸道內有害菌的數量，促進有益菌的增殖。

4 小結

母豬在繁殖周期內易發生進程性氧化應激。仔豬在出生及斷奶兩個關鍵時期因環境和營養供給方式的改變，使其體內產生大量的ROS從而發生氧化應激。母仔豬產生的氧化應激進一步導致其腸道菌群的穩態被打破，腸道屏障和功能受損，影響豬只健康狀況和性能。母豬繁殖周期內氧化應激與腸道菌群失衡的因果關系及對繁殖泌乳性能的作用機理；妊娠期母豬腸道菌群及其代謝產物變化是否介導免疫調節而影響母乳質量；仔豬腸道發育未完善，日糧發酵程度及其產物對其腸道菌群及腸道功能的影響等還需進一步研究。