豬腸道微生物及其營養(yǎng)調(diào)控

■羅玉衡 余 冰 何 軍 毛湘冰 車煉強 陳代文

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物營養(yǎng)研究所動物抗病營養(yǎng)教育部重點實驗室農(nóng)業(yè)農(nóng)村部動物抗病營養(yǎng)與飼料重點實驗室動物抗病營養(yǎng)四川省重點實驗室，四川成都611130）

消化道微生物被看作動物體內(nèi)的另一個“器官”，在營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收過程中起著關(guān)鍵作用。本團隊系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)豬腸道微生物與宿主表型的關(guān)系密不可分。多種日糧組分（如纖維、淀粉、寡糖、蛋白質(zhì)、脂肪等），以及一些添加物（如抗生素、益生菌、有機酸和酚類等）都可能影響豬的腸道菌群組成，改變其代謝產(chǎn)物濃度和組成，從而通過不同途徑影響豬的營養(yǎng)物質(zhì)代謝和腸道健康。本文主要基于本團隊現(xiàn)有研究結(jié)果，系統(tǒng)綜述日糧-腸道微生物-宿主的潛在互作關(guān)系。

1 豬腸道微生物與宿主表型

1.1 不同品種豬腸道微生物組成有明顯差異

大白豬、榮昌豬和藏豬具有不同的腸道微生物組成。三種豬糞便中可檢測到的細菌共有15個門類。藏豬和榮昌豬比大白豬具有更高比例的Firmicutes和Spirochaetes及更低比例的Bacteroidetes，且藏豬Spirochaetes比例明顯高于榮昌豬；而大白豬和榮昌豬則比藏豬含有更高比例的Tenericutes及更低比例的Fibrobacteres和Elusimicrobia；藏豬糞便中Lactobacillus、Fibrobacter和Akkermansia屬的比例明顯高于其余兩種豬[1]，暗示豬腸道微生物的組成很可能與宿主代謝類型、采食特性、免疫功能等有關(guān)。

1.2 豬腸道微生物組成與宿主腸道發(fā)育、免疫特性、糖脂代謝和肉品質(zhì)等的關(guān)系

無菌小鼠接種上述3個品種豬的糞便懸液后能復(fù)制供體豬的腸道菌群，且微生物可攜帶宿主部分特征傳遞給無菌小鼠。哺乳仔豬早期移植大白豬和榮昌豬糞便打破腸道微生物平衡，不利于腸道正常發(fā)育，但移植藏豬糞便不損害哺乳仔豬腸道健康，與其提高仔豬腸道丙酸和丁酸含量，以及IgA+B細胞、MAC387+巨噬細胞和CD4+T/CD8+T比值有關(guān)[1-2]。榮昌豬的糞菌移植可增加無菌小鼠肌肉脂肪沉積，改變肌纖維特性，呈現(xiàn)與供體類似的代謝類型。豬的骨骼肌表型與優(yōu)勢菌門（如Bacteroidetes、Firmicutes、Spirochaetes等）和屬（Ruminococcus、Treponema、Prevotella等）的豐度有關(guān)[3]。

1.3 豬腸道微生物型與宿主骨骼肌表型和代謝的關(guān)系

豬腸道中的Prevotella/Bacteroides（P/B）與宿主的骨骼肌表型之間存在聯(lián)系。高P/B豬骨骼肌肌內(nèi)脂肪顯著低于低P/B豬，與脂肪酸從頭合成和脂肪酸攝取相關(guān)基因表達下調(diào)有關(guān)。P/B比和飼糧淀粉類型互作改變骨骼肌表型及代謝，高直鏈淀粉飼糧能提高低P/B豬骨骼肌肌內(nèi)脂肪含量，改變肌纖維類型，其機制與腸粘膜PPARG-ANGPTL4的表達調(diào)節(jié)和后腸乙酸的累積有關(guān)[3]。

綜上所述，腸道微生物與宿主表型之間存在密切的互作。宿主攝入的營養(yǎng)物質(zhì)也是腸道微生物賴以生存的底物，因而在很大程度上調(diào)控微生物的組成及其代謝產(chǎn)物。

2 營養(yǎng)對豬腸道微生物的調(diào)控

2.1 日糧碳水化合物與豬腸道微生物的關(guān)系

2.1.1 日糧纖維來源和類型對豬腸道微生物及其代謝產(chǎn)物的影響

仔豬飼糧中短期（30 d）添加10%小麥麩和豌豆纖維在降低仔豬腹瀉率的同時，提高回腸中乳酸菌和結(jié)腸中Bifidobacterium數(shù)量[4-6]。豌豆纖維的添加降低結(jié)腸[7]和盲腸[8]中Bacteroidetes相對豐度，提高結(jié)腸乙酸和盲腸總SCFAs濃度。豌豆纖維的長期（160 d）添加提高豬結(jié)腸Bacteroidetes豐度和多糖利用相關(guān)菌群數(shù)量，降低Firmicutes豐度和潛在致病菌群數(shù)量，改變豬結(jié)腸甲烷菌多樣性，提高氫營養(yǎng)微生物活性[9]。

飼糧中添加15%的豌豆纖維、燕麥麩和混合纖維源（豌豆纖維與燕麥麩各占7.5%）提高豬CF和ADF消化率[10]。燕麥麩靶向促進豬腸道中Clostridiaceae生長，豌豆纖維則促使豬回腸和結(jié)腸中Lactobacillus增殖，同時降低回腸乙酸、丙酸及總SCFAs濃度，增加丙酸比例?；旌侠w維源的添加靶向促進豬結(jié)腸中Anaerovibrio增殖，降低回腸總SCFAs濃度，提高乙酸比例，說明菌群結(jié)構(gòu)的變化可改變腸道發(fā)酵方式[11]。

飼糧纖維類型由IDF（含5%微晶纖維素）轉(zhuǎn)換為SDF（含5%燕麥β-葡聚糖）后，豬CP、EE等消化率降低，ADF消化率提高。飼糧纖維類型由IDF轉(zhuǎn)變?yōu)镾DF引起B(yǎng)acteroidetes豐度變化，由SDF轉(zhuǎn)變?yōu)镮DF則主要引起Actinobacteria和Firmicutes豐度變化，且使豬后腸SCFAs濃度升高，與細菌多樣性增加有關(guān)[12]。

SDF（菊粉）和IDF（愛博素）的混合添加對斷奶仔豬生長、腸道發(fā)育及屏障功能的促進作用優(yōu)于單一類型的纖維。短期（28 d）添加IDF或混合纖維（各占0.5%）可提高仔豬結(jié)腸中Prevotella（重要SCFAs產(chǎn)生菌）豐度和乙酸、丙酸濃度。添加1%SDF可提高結(jié)腸內(nèi)兩種Proteobacteria和Actinobacteria豐度和丁酸產(chǎn)量[13]。

日糧添加5%β-葡聚糖或纖維素對仔豬腸道屏障功能的促進作用優(yōu)于木聚糖，與改善仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進SCFAs的產(chǎn)生有關(guān)。纖維素降低Firmicutes豐度，增加Proteobacteria、回腸Lactobacillus豐度和乙酸產(chǎn)量；β-葡聚糖提高產(chǎn)丁酸菌Roseburia faecis豐度及盲腸丙酸和丁酸含量；木聚糖增加有害菌數(shù)量且降低盲腸丁酸濃度[14]。

綜上所述，豬腸道中存在利用不同來源或類型纖維的特定菌群。微生物群落結(jié)構(gòu)的變化引起腸道發(fā)酵方式改變，可能是纖維發(fā)揮不同生理作用的重要介導(dǎo)因素。

2.1.2 直鏈淀粉與支鏈淀粉比例影響豬腸道微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝產(chǎn)物

傳統(tǒng)營養(yǎng)學(xué)對淀粉的研究多集中于豬的前腸，忽略了在前腸無法完全降解而進入后腸的淀粉對機體的影響。我們發(fā)現(xiàn)，較高淀粉直支比（0.52）的飼糧提高仔豬全腸段Bifidobacterium[15]和Bacillus[16]數(shù)量。與低淀粉直支比（0.14）飼糧相比，高直支比（0.43）飼糧可提高育肥豬回腸中Bacteroidetes豐度，降低Prevotella豐度。較低的淀粉直支比可提高豬回腸中Megasphaera elsdenii和Mitsuokella multacida豐度，及乙酸和丁酸濃度，但較高的淀粉直支比可降低γ-變形菌綱條件致病菌豐度，提高類Lactobacillus acetotolerans豐度[17]。說明腸道微生物與飼糧淀粉的互作可能直接影響營養(yǎng)物質(zhì)利用率。

2.1.3 寡糖對豬腸道特定菌群的影響

添加100 mg/kg褐藻酸寡糖可提高斷奶仔豬回腸Bifidobacterium和Lactobacillus數(shù)量，降低盲腸和結(jié)腸E.coli數(shù)量[18]。蘋果果膠寡糖（200 mg/kg或400 mg/kg）不同程度改善育肥豬胴體及肉質(zhì)性狀，在提高結(jié)腸總細菌量的同時，提高食糜SCFAs濃度[19]。7～35日齡仔豬飼糧中添加甘露寡糖（800 mg/kg）可提高其生長性能和部分非特異性免疫應(yīng)答能力，降低空腸和盲腸中E.coli數(shù)量，提高小腸中Lactobacillus數(shù)量[20]。在母豬和斷奶仔豬飼糧中添加殼寡糖均可降低結(jié)腸食糜pH及盲腸和結(jié)腸總細菌和E.coli數(shù)量，增加回腸Bifidobacterium數(shù)量[21]。

綜上所述，寡糖對豬的益生作用與其種類、添加水平和動物的生理階段密切相關(guān)。但寡糖如何影響豬腸道微生物組成，及是否通過微生物代謝產(chǎn)物調(diào)控豬腸道免疫屏障功能仍需研究。

2.2 日糧蛋白質(zhì)來源和水平對豬腸道菌群組成及代謝產(chǎn)物的影響

日糧添加12.04%固態(tài)發(fā)酵復(fù)合蛋白相比未發(fā)酵復(fù)合蛋白降低生長豬盲腸食糜SCFAs、揮發(fā)性鹽基氮和氨等微生物代謝產(chǎn)物的含量，改善豬腸道消化功能[22]。平衡Lys、Met、Thr、Trp、Val和 Ile或平衡10種EAAs均增加結(jié)腸Firmicutes豐度（與能量代謝有關(guān)），并降低Bacteroidetes豐度，此時蛋白水平降低2%或4%不影響豬的生長和胴體品質(zhì)，但降低氮排放和糞尿氨氣產(chǎn)量，其中前者可降低生長豬結(jié)腸Firmicutes豐度，增加Bacteroidetes豐度[23]。

2.3 脂肪來源影響豬腸道特定菌群數(shù)量

對E.coli攻毒仔豬的研究發(fā)現(xiàn)，以椰子油為飼糧油脂來源可降低仔豬盲腸E.coli數(shù)量，增加Lactobacillus和Bifidobacterium數(shù)量，以及Lactobacillus/E.coli、Bifidobacterium/E.coli的比值，且效果優(yōu)于魚油和豬油[24]，說明無論在正常還是免疫應(yīng)激狀態(tài)下，脂肪均可通過調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)環(huán)境來促進生長，或降低應(yīng)激對仔豬的負面影響。

2.4 抗生素及其他添加劑對豬腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響

2.4.1 抗生素對豬腸道微生物區(qū)系的影響

飼糧中添加恩拉霉素（5～80 mg/kg）雖對生產(chǎn)性能稍有提升，但明顯影響仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)。仔豬直腸E.coli數(shù)量與抗生素劑量呈明顯正相關(guān)，Lactobacillus和Lactobacillus/E.coli則隨抗生素劑量增加而降低。停止添加抗生素后1周仔豬腸道菌群仍不能恢復(fù)正常。抗生素的添加還導(dǎo)致在LPS應(yīng)激后，仔豬回腸和盲腸中Lactobacillus/E.coli下降，及盲腸中VBN、AN、乙酸和丁酸含量下降[25]?？梢婏暭Z中添加抗生素對仔豬腸道微生物區(qū)系的影響很可能是不可逆的。過量添加抗生素極大危害仔豬腸道微生態(tài)平衡。

2.4.2 其他添加劑對豬腸道微生物區(qū)系的影響

飼糧中添加0.1%～0.2%植物源性益生素對豬生產(chǎn)性能的改善作用與抗生素相當，這與其影響豬盲腸菌群多樣性和相似性，增加Lactobacillus數(shù)量，減少E.coli數(shù)量，提高SCFAs含量，減弱蛋白質(zhì)腐敗作用有關(guān)[26]。添加400 g/t凝結(jié)芽孢桿菌（Bacillus coagulans）可降低仔豬盲腸E.coli數(shù)量；添加5 000 g/t酵母水解物則提高盲腸和結(jié)腸中Lactobacillus和Bacillus數(shù)量。二者均可增強仔豬腸道屏障功能并防止腹瀉發(fā)生[27]。灌服屎腸球菌（Enterococcus faecium，3×109CFU）可有效降低攻毒后仔豬結(jié)腸中Escherichia-Shigella豐度，增加Lactobacillus豐度，從而緩解由致病性大腸桿菌攻毒導(dǎo)致的新生仔豬腹瀉和腸道免疫功屏障功能受損[28]。

斷奶仔豬飼糧中添加苯甲酸(1 000～5 000 mg/kg)和百里香酚（100～200 mg/kg）對仔豬腸道健康的改善作用與降低腸道食糜pH值、增加Bifidobacterium、Lactobacillus和Bacillus數(shù)量，抑制E.coli及Enterococ-cus增殖，以及提高盲腸SCFAs及丁酸濃度有關(guān)[29]，說明苯甲酸和百里香酚可作為仔豬抗生素的潛在替代品。

重組菌絲霉素（本研究室前期構(gòu)建，60 mg/kg）可降低仔豬料重比和腹瀉率，改善腸道形態(tài)。與益生菌（Bacillus subtilis，≥109CFU/g）和抗生素相比，菌絲霉素的添加可明顯提高仔豬回腸Bifidobacterium數(shù)量，促進小腸黏膜緊密連接蛋白的表達及木糖的吸收，表現(xiàn)出較好的抗生素替代效果[30]。

在不同木聚糖水平（＜7.54%）的斷奶仔豬飼糧中添加木聚糖酶（1 000 U/kg）可提高仔豬回腸SCFAs和乙酸含量，降低盲腸氨含量，增加Bifidobacterium數(shù)量，且作用效果與添加水平呈正相關(guān)[31]。小麥-豆粕型飼糧中添加不同水平重組木聚糖酶（本實驗室構(gòu)建，500～2 000 U/kg）可提高豬生長性能和養(yǎng)分消化率，且與木聚糖水平正相關(guān)。隨木聚糖酶水平增加，豬糞便微生物DGGE條帶組成與玉米-豆粕型飼糧組的相似度逐漸增加[32]，說明重組木聚糖酶可維持豬腸道微生態(tài)平衡。但另一研究發(fā)現(xiàn)添加木聚糖酶（30 g/t和60 g/t）對斷奶仔豬盲腸中上述菌群數(shù)量和SCFAs濃度無影響[33]。因此，木聚糖酶對豬腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響存在爭議，其作用的靶菌群有待探明。

3 豬腸道微生物與宿主對話的可能機制

3.1 SCFAs與豬腸道發(fā)育和屏障功能的關(guān)系

通過回腸末端灌注SCFAs（與兩種含甜菜渣飼糧在豬盲腸中產(chǎn)生的SCFA比例一致，兩種飼糧CF含量分別為5.74%和1.50%）發(fā)現(xiàn)，與抗生素相比，回腸末端灌注SCFAs可提高豬回腸和盲腸各SCFA含量及其受體（GPR43和GPR41）基因的表達量，降低腸道pH值，增加回腸、盲腸和結(jié)腸中Lactobacillus、Bifidobacterium、Bacillus的數(shù)量，并降低E.coli數(shù)量，抑制腸道上皮細胞凋亡，改善腸道黏膜屏障功能[34]。

3.2 SCFAs對宿主免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié)機制

對野生型和GPR43基因敲除小鼠的比較研究表明，SCFAs可明顯提升野生型小鼠糞便和血清中抗原（卵清蛋白/霍亂毒素，OVA/CT）特異性IgA和IgG（γ）水平，在OVA/CT免疫條件下SCFAs可促進CD4+T細胞的增殖，且該增殖速率在GPR43-/-小鼠中低于野生型小鼠。同時SCFAs在T細胞和非T細胞依賴條件下均能誘導(dǎo)B細胞產(chǎn)生IgA，并可在非T細胞依賴條件下誘導(dǎo)B細胞產(chǎn)生IgG。說明SCFAs具有誘導(dǎo)抗原特異性免疫球蛋白和非特異性免疫球蛋白合成、促進T細胞增殖的功效，其機制與GPR43的介導(dǎo)有關(guān)[35]。

3.3 IL-33可能是腸道微生物介導(dǎo)宿主腸道免疫功能的重要調(diào)節(jié)因子

野生型小鼠與IL-33-/-小鼠腸道微生物結(jié)構(gòu)存在顯著差異，主要體現(xiàn)在Lachnospiraceae和Desulfovibrio的豐度差異。IL-33-/-小鼠具有更高的總菌豐度，對檸檬酸桿菌（Citrobacter rodentium）的清除能力降低。說明由腸上皮細胞分泌的IL-33可調(diào)節(jié)動物自身腸道菌群結(jié)構(gòu)。進一步分析表明，IL-33可通過“mTOR-STAT3”以及“MEK-ERK-STAT3”信號途徑調(diào)控腸上皮細胞分泌REG3γ，后者對部分革蘭氏陽性和陰性病原菌具有抑制作用。由于TGF-β的存在，內(nèi)源性IL-33在炎癥和健康狀態(tài)下均對腸道中Treg細胞具有抑制作用，IL-33-/-小鼠呈現(xiàn)出更強抗炎特質(zhì)的原因可能是由于CD4+Foxp3+Treg比例的增加[36]。

4 小結(jié)與展望

我們的研究結(jié)果強調(diào)了腸道微生物-宿主-營養(yǎng)代謝和健康的潛在聯(lián)系。被傳統(tǒng)營養(yǎng)學(xué)忽視的腸道微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的利用及其對宿主表型的影響應(yīng)該被重視。微生物不僅影響飼糧消化和營養(yǎng)物質(zhì)吸收，還直接或間接調(diào)控宿主的多項生理功能，參與疾病的發(fā)生和發(fā)展。結(jié)合我們的研究結(jié)果，在營養(yǎng)水平一致的情況下，不同結(jié)構(gòu)、來源和組成的營養(yǎng)物質(zhì)對腸道微生物結(jié)構(gòu)的影響可能存在極大的差異，而微生物水平的變化反映在動物機體上的生理效應(yīng)被放大，最終影響動物的生長和健康。因此在優(yōu)化不同階段豬的飼糧配方時，不應(yīng)只考慮滿足其營養(yǎng)需要，日糧的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)（如碳水化合物平衡模式）也應(yīng)被重點考慮。

未來相關(guān)研究應(yīng)集中于評估腸道微生物的代謝在動物整體代謝中所占的比重。鑒于微生物與宿主免疫功能的密切聯(lián)系，尋找特定菌群作為營養(yǎng)調(diào)控和免疫調(diào)節(jié)的新靶標也是有潛力的研究方向。將傳統(tǒng)動物營養(yǎng)學(xué)相關(guān)技術(shù)與較為先進的組學(xué)技術(shù)相結(jié)合，通過無菌動物模型、菌群移植、腸道瘺管等方法的聯(lián)用可實現(xiàn)上述研究目標。在探明微生物作用于宿主的精確位點的基礎(chǔ)上，未來將可能通過對腸道菌群的靶向調(diào)控實現(xiàn)對營養(yǎng)物質(zhì)的高效利用，以達到不同的生產(chǎn)目的。