腸型的研究進展及在反芻動物上的研究前景

郭 成， 李勝利，2 ， 徐曉鋒 ， 戴東文

（1.寧夏大學農學院，寧夏銀川 750021；2.中國農業大學動物科學與技術學院，動物營養學國家重點實驗室，北京市生鮮乳質量安全工程技術研究中心，北京 100193）

定植于腸道中的微生物數量龐大且結構復雜， 群落結構在隨同宿主協同進化的過程中表現出與宿主互利共生的關系（Buchon，2020）。 腸道微生物組在宿主體內起到至關重要的作用，它們可以分解機體攝入的多糖， 合成必需氨基酸和維生素 （Ba..ckhed，2005）。 腸道微生物區系的失調會導致腸道免疫功能失調， 微生物組在腸道發酵產生的短鏈脂肪酸能調節機體免疫細胞的功能， 會對腸道免疫功能產生顯著影響（Takeuchi，2021；Manichanh，2012）。 隨著人類對腸道菌群認識的加深以及高通量測序技術的進步，Arumugam 等 （2011） 提出微生物腸型（Enterotype）的概念，即在群落組成的多維空間中樣品的密集集群這一群體分型概念。 基于高通量測序技術，將33 個來自于不同群體的人類腸道樣本進行聚類分析， 發現該樣本對三個不同的菌群聚類，分別對應擬桿菌（Bacteroides），普雷沃氏菌（Prevotella），瘤胃球菌（Ruminococcus），隨后將這三種菌群稱為三種不同的微生物腸型（Arumugam，2011）。 現如今，確定腸型主要基于兩種途徑， 分別是基于已有參考數據庫分析或者從頭判定。 一個是基于高通量測序結果在屬水平上， 首先是將菌群測序數據在HMP1 和MetaHIT6 數據庫中與已知腸型進行比對，另一個是使用腸型在線分類器（http://enterotypes.org/）完成腸型判別（Costea，2018；Arumugam，2011）。腸型的定義現已明確， 然而目前腸型在單胃動物上的研究較多，少有人在反芻動物上研究。 本文綜述了腸型的意義及研究進展， 為腸型在反芻動物上的應用開發提供理論依據。

1 腸型的意義

不同的腸型對應著不同的菌群結構， 而每種菌群結構的功能及代謝產物也不同。 以常見的擬桿菌型和普雷沃氏菌型為例， 普雷沃氏菌型可以發酵碳水化合物獲得能量， 能有效的降解植物纖維， 而降解蛋白和脂肪的能力低（Shen，2020；Schofield，2018；Christensen，2018）；擬桿菌型具有降解動物碳水化合物的酶， 且糖和蛋白質分解能力強，但更容易受到外來因素的干擾（Mills，2022；Vieira-Silva，2016；Martens，2009）。

1.1 腸型與營養 由于每種腸型的功能不同，因此腸型可以作為生物標志物， 能預測個體代謝紊亂以及疾病風險（Christensen，2018；Vandeputte，2015）。 Korem 等（2017）研究發現，僅根據微生物組數據就可以預測誘導每個人低血糖的面包類型， 該研究表明可以根據腸道微生物組預測飲食的血糖反應。 Wu 等（2021）對韓國成年人進行了一項調查試驗，成功鑒定出瘤胃球菌型、擬桿菌型和普雷沃氏菌型， 三種腸型與韓國人的三種不同的飲食習慣相關， 且與代謝綜合征之間存在潛在影響。Hjorth 等（2018）的一項調查表明，在相同的飲食條件下，普雷沃氏菌型的人體脂損失更大，而擬桿菌型的體重沒有顯著差異， 普雷沃氏菌型更容易通過高纖維和全麥飲食來減肥。 每種腸型具有不同的消化功能，偏愛特定的飲食底物，從而影響短鏈脂肪酸的產生， 進而影響宿主的能量平衡（Fu，2021；Christensen，2018；Chen，2017）。 可見，腸型可以有效揭示生物體日常飲食習慣， 營養水平。

1.2 腸型與健康 對腸道菌群分型，將腸型作為生物標志物， 有助于進一步了解腸道微生物區系與疾病的相關性，以及宿主的健康狀況，為基于腸道微生物區系的精準醫學提供便利。 Couch 等（2021）通過采集非洲野牛直腸糞便，鑒定出了兩種腸型， 并且研究發現野牛種群中存在的病原體與腸型之間具有相互作用， 腸道共生微生物與疾病存在潛在聯系。 Li 等（2017）研究發現，患有高血壓的人群和健康的人群腸型不同， 同時將患有高血壓人的糞便移植到無菌小鼠中， 依然可以引起血壓升高， 腸道微生物菌群可以對宿主血壓有直接影響。Claesson 等（2012）研究表明，健康老年人的腸型和不健康的老年人腸型有顯著差異。Ren 等（2022）研究認為，低豐度擬桿菌代謝紊亂可作為仔豬斷奶后腹瀉的生物標志物。 研究表明腸型與多種疾病相關，如糖尿病、帕金森、部分癌癥等（Wang，2020；Heinzel，2020；Yang ，2019）。 根據腸型的不同，對生物體的腸型重塑，可以成為生物體個性化營養調控的重要手段。

2 影響腸型的因素

自腸型的概念提出，近年來對其研究較多，已經在很多單胃動物上成功鑒定。 影響腸型的因素有很多，包括飲食、物種、年齡、抗生素的使用等。

2.1 物種 不同物種的動物腸道存在不同腸型。如雞和豬以及小鼠的腸型就有顯著的不同（Xu，2021；Yuan，2020；Wang，2014）。有趣的是，Moeller等（2012）研究表明，黑猩猩的腸型在組成上與人類相似， 這可能是人和黑猩猩親緣關系相近的緣故。

2.2 年齡 年齡的不同腸型也會不同。 Zhong 等（2019） 調查了6 ~ 9 歲兒童的腸道微生物菌群，確定了普雷沃氏菌型、擬桿菌型、雙歧桿菌型（Bifidobacterium） 三種腸型， 與成年人的腸型不同。Vaiserman 等（2020）研究發現，腸道微生物區系的組成在不同年齡組之間存在顯著差異， 厚壁菌門（Firmicutes）/擬桿菌門的比例隨著年齡的增加而顯著增加。隨著年齡的變化，生活方式也有顯著不同，如飲食的品種，飲食習慣等（Cheng，2019），因此年齡對腸型的影響是復雜的因素。

2.3 飲食 由于微生物腸型基于微生物區系定義， 因此微生物腸型可以隨著微生物區系的變化而改變，不過現有研究表明腸型具有相對穩定性，對短期的變動具有彈性， 不會輕易改變（Wu，2011）。 雖然腸型對短期的干擾具有彈性，但是腸型也有可塑性， 長期飲食的改變可以改變腸型。Rodríguez-Daza 等（2020）在高糖高脂肪日糧誘導的小鼠日糧中添加蔓越莓果粉和藍莓果粉， 連續添加8 周后可以發現小鼠的腸型由擬桿菌型/瘤胃球菌型轉變為利于小鼠健康的普雷沃氏菌型/阿克曼氏菌型（Akkermansiaceae）。 Wu 等（2011）研究了98 個志愿者的腸道菌群，將腸型分為“高脂高蛋白飲食”型以及“高纖維飲食”型，而擬桿菌型和普雷沃氏菌型分別為對應以上兩種腸型。 可見，長期的飲食習慣可以決定腸型。

2.4 其他 抗生素、部分藥物對腸道微生物有調節或者重塑作用， 抗生素或者部分藥物的使用可以影響腸型（Ramirez，2020；Raymond，2016；Maurice，2013）。有趣的是益生素的使用雖然可以影響腸道組成，但其對腸型的影響有限。 Lee 等（2021）研究發現， 益生菌酸奶粉的使用只能短時間影響微生物腸型，當停止使用時，腸道微生物菌群仍然可以恢復到原始狀態。Haddad 等（2020）研究了益生菌的添加對腸型的影響， 結果表明補充添加雙歧桿菌以及乳酸桿菌對微生物腸型沒有顯著影響。 此外， 影響腸型的因素還有很多。 Lee 等（2020）研究認為，腸型與情緒之間存在聯系。 Lim等（2015）研究發現，超過72%的來自同卵雙胞胎人的腸型相同。 可見宿主的遺傳因素也可以影響腸型。 因此，腸型不受單一因素的影響，而是受多種因素的動態影響。

3 腸型的局限

隨著越來越多在更大的空間范圍內進行更多的試驗來驗證和改進腸型概念， 使用統一的腸型方法實現生物體腸道微生物區系的分型是可行的。 但是，腸型的分析結果受一些技術方法影響，包括樣品處理方式、DNA 提取方法和測序技術等（Cheng，2019）。由于腸道微生物的復雜性，自腸型的概念提出，就存在爭議，但現有研究不能否定腸型這一概念，不過腸型存在一定的局限性。近年來的一些研究結果發現，腸型并不完全是離散的，還有存在連續性， 腸型的樣本不能清楚地分成不同的類型 （Costea，2018；Knights，2014）。 Huse 等（2012）研究發現，Arumugam 等（2011）最初定義的三種離散的腸型不能明確判定出來， 但判定出了兩種腸型 （擬桿菌-瘤胃球菌型和普雷沃特氏菌型）在一個連續體中，而不是作為不同的類型。此外，腸型存在不穩定性，研究認為腸型的穩定性受時間以及環境變化的影響， 盡管影響有限（Cheng，2019；Knights，2014）。

腸型在幼齡動物上可能并不適用。 盡管有研究表明， 胎兒的腸道微生物在母體子宮就已經開始存在，但是幼齡的腸道菌群并不穩定（Bi，2021；Chin，2021）。 Dias 等（2018）在犢牛的研究中評估了斷奶前犢牛的瘤胃、空腸、盲腸和結腸中的細菌菌群， 發現在生命早期犢牛胃腸道菌群具有高度變異性，然后才趨于穩定。 Bergstro..m 等（2014）對出生后9、18 月齡和36 月齡的嬰兒進行調查，發現腸道微生物區系發生了顯著的變化， 腸型的建立發生在9 ~ 36 個月， 但是30%的個體在18 ~36 個月改變了腸型。 可見，幼齡的動物體腸道環境不穩定，腸道菌群正處于定植期，因此使用腸型評定幼齡動物可能是不合適的。

盡管腸型存在局限性， 但是對成年穩定個體的腸道菌群分型是必要的。 腸道微生物結構非常復雜，如果能類似于血型一樣，明確分組為多個確定的類型， 則可以簡化對腸道微生物的認識及應用。判定明確的腸型作為生物標志物，可以根據腸型更容易的進行個性化的微生物組的診斷和精準治療。

4 反芻動物與腸型

4.1 腸型可以在反芻動物上應用 微生物消化是反芻動物的重要消化方式， 反芻動物的胃腸道棲息著大量菌群， 研究表明反芻動物胃腸道主要菌群為厚壁菌、 擬桿菌和普雷沃氏菌（Huang，2020；Zhu，2018）。 瘤胃是反芻動物微生物消化發生過程的重要消化器官， 由于反芻動物的特殊生理結構以及與瘤胃微生物的協同作用， 飼草可以被發酵并降解為揮發性脂肪酸（VFA），這些脂肪酸被反芻動物作為營養物質吸收（Guo，2022；Cammack，2018）。 有研究表明日糧更換導致的奶牛瘤胃和后腸道菌群發生的改變存在時序性差異， 且后腸道的適應過程要慢于瘤胃（Neumann，2008）。 因此，僅僅根據腸型評定反芻動物的消化代謝狀態可能不準確。考慮到瘤胃菌群的復雜性，對應腸型的概念， 如果能在反芻動物上引入瘤胃菌群類型（即“瘤胃型”）這一群體分型概念，采用聚類或者以群體為單位進行分析的方法， 可以提升對反芻動物瘤胃功能的認知。 如果能使瘤胃型結合腸型， 可能會更加準確的評估反芻動物的健康狀況，預防疾病風險。 研究表明在單胃動物上，90%以上的腸道細菌只屬于擬桿菌門和厚壁菌門這兩個門，優勢菌門根據動物個體或有不同，但健康個體的比例大都相似， 擬桿菌門和厚壁菌門比例的不同可以反映出機體的健康狀況（Zhang，2019；Qin，2010）。 和單胃動物類似， 在反芻動物上，擬桿菌門和厚壁菌門也是主要的菌門，反芻動物的擬桿菌門和厚壁菌門比例的不同也可以在一定程度上反映消化道的代謝情況（Faniyi，2019）。此外， 研究表明反芻動物的胃腸道菌群也存在一定的穩定性，在不受外界影響下，胃腸道菌群組成和豐度相對穩定（Huang，2020）。 因此，腸型概念可以在反芻動物上應用。

4.2 腸型在反芻動物上的應用前景 和腸型一樣，反芻動物的日糧結構、生理狀態和生存環境等均會對其消化道微生物群落結構造成影響（Gruninger，2019）。在利用高精料日糧誘導奶牛瘤胃亞急性酸中毒（SARA）的研究中，發現奶牛瘤胃厚壁菌門/擬桿菌門（F/B）值升高，且SARA 越嚴重，F/B 值越高（Plaizier，2016；Mao，2013）。Plaizier等（2016）研究發現，大幅度增加日糧精料不僅降低了瘤胃菌群多樣性， 同時也會改變后腸道菌群組成， 比如減少盲腸和糞便牛鏈球菌屬（Streptococcus bovis），增加大腸桿菌（Escherichia coli）數量。 可見反芻動物胃腸道菌群會對日糧結構的改變進行響應。 因此， 研究反芻動物的腸型很有必要。

瘤胃微生物群決定反芻動物的纖維利用率（Chen，2022）。Couch 等（2021）研究了非洲野牛病原體與腸型之間的相互作用；Guo 等（2021）研究了高原放牧牦牛在不同季節腸型的動態變化，目前還鮮見對反芻動物瘤胃型進行嘗試。 聯合瘤胃型和腸型對反芻動物的營養與健康進行研究可能是更可靠的方式。 有研究表明瘤胃菌群移植可以改變胃腸道菌群， 該技術還可以治療瘤胃急性酸中毒，緩解急性酸中毒對瘤胃上皮細胞的損傷，促進瘤胃發酵和細菌穩態的恢復， 調節瘤胃上皮形態和功能（Yin，2021；Liu，2019）。 雖然目前瘤胃菌群移植中具體微生物調節機制仍不明確， 但可以明確瘤胃菌群的改變會對反芻動物的胃腸道健康產生影響。因此，探究反芻動物腸型能夠為調控反芻動物瘤胃菌群平衡奠定基礎， 為反芻動物疾病的精準防治提供方向， 同時可以促進反芻動物個性化的健康養殖。

考慮到瘤胃內不僅存在細菌， 還存在真菌及原蟲， 每種微生物都對反芻動物的消化產生作用（郭成，2022）。 不論是舍飼或者放牧反芻動物，還是野生反芻動物， 粗飼料對反芻動物的飲食健康起著重要作用（Guo，2022）。 研究表明瘤胃真菌對飼草纖維素的降解能力強， 但和瘤胃其他微生物存在拮抗關系（Swift，2021；Akin，1990）。 Song 等（2021）病毒型的研究表明，腸型不一定要以細菌型為主， 考慮到瘤胃菌群的結構和功能的多樣性以及瘤胃型的離散情況（能否明確確定瘤胃型），瘤胃型的確定以細菌型為主還是真菌型為主有待進一步研究。

5 小結

腸型的定義方便了對腸道菌群的認識， 雖然腸型有部分局限性， 但對成年穩定個體的腸道菌群分型是必要的， 腸型可以作為生物標志物反映動物體的營養水平和健康狀況。 反芻動物的微生物消化強于單胃動物， 反芻動物胃腸道菌群也會對類似于單胃動物， 會對日糧的變化和機體健康作出響應。 然而目前腸型在反芻動物上的研究較少， 因此腸型的判定對反芻動物疾病的精準防治和個性化的健康養殖很有必要。今后，應該加強對反芻動物腸型的開發和探索，最終應用于實踐，服務于反芻動物生產。