地地

斷奶仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)特征及其調(diào)控研究進展

王文文 1,2 , 王園 1,2 , 安曉萍 1,2 , 齊景偉 1,2

摘要: 仔豬斷奶腹瀉是由斷奶應激引起的一系列復雜生理變化所致，是導致仔豬死亡的主要原因。大量研究顯示，腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂普遍發(fā)生于腹瀉仔豬中，通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)可以緩解仔豬斷奶腹瀉。因此，本文就斷奶前后仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)變化、斷奶腹瀉仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)特征及其調(diào)控措施進行了綜述，以期為緩解和阻止仔豬斷奶腹瀉提供理論參考。

關(guān)鍵詞: 斷奶仔豬腹瀉腸道菌群高通量測序技術(shù)

仔豬早期斷奶技術(shù)可以提高生產(chǎn)效率，是養(yǎng)豬業(yè)重要的飼養(yǎng)管理技術(shù)之一。然而早期斷奶會產(chǎn)生應激，發(fā)生斷奶應激綜合征，損害仔豬健康，給豬生產(chǎn)造成了巨大的經(jīng)濟損失。斷奶應激綜合征中最為嚴重的是腹瀉問題。仔豬斷奶腹瀉的病因呈現(xiàn)交叉性，斷奶應激是導致仔豬腹瀉的根本原因，微生物感染是繼發(fā)性病因。近年來研究發(fā)現(xiàn)，不論是何種原因?qū)е碌淖胸i斷奶腹瀉都會引起腸道菌群多樣性下降和結(jié)構(gòu)改變。穩(wěn)定的腸道菌群不僅可以阻止產(chǎn)腸毒素大腸桿菌(enterotoxigenic Escherichia coli ，ETEC)、艱難梭菌( Clostridium difficile )、鼠傷寒沙門氏菌( Salmonella typhimurium )等致腹瀉性病原菌的定植 [ 1] ，還在調(diào)控動物機體健康中發(fā)揮著重要作用，如營養(yǎng)物質(zhì)消化、免疫應答、腸道屏障、腸肌反射及內(nèi)分泌等多種生理活動 [ 2] 。一旦腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂，就會引起菌群易位、細胞凋亡、腸道通透性增加、炎癥及腸道功能紊亂等不良反應，進而導致腹瀉、生長性能下降甚至死亡。隨著測序技術(shù)的普及，采用高通量測序技術(shù)研究仔豬腸道菌群已成為熱點。目前，主要通過飼糧干預的方式調(diào)控腸道菌群結(jié)構(gòu)，進而緩解仔豬斷奶腹瀉，也有科研人員嘗試通過糞菌移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)的方式調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，這對“減抗”和“禁抗”有重要意義。因此，本文將從斷奶前后仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)變化、斷奶腹瀉仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)特征及其調(diào)控措施等方面加以綜述。

1 腸道菌群在調(diào)控腸道健康中的作用

腸道菌群是腸道的重要組成部分，與營養(yǎng)物質(zhì)代謝、腸道屏障功能和免疫應答等密切相關(guān)，直接影響動物健康。腸道菌群以不能被宿主內(nèi)源酶消化的飼料殘渣為底物，其中纖維類物質(zhì)可被擬桿菌屬( Bacteroides )、瘤胃球菌屬( Ruminococcus )、柔嫩梭菌屬( Faecalibacterium prausnitzi )及羅斯氏菌屬( Roseburia )等腸道菌降解產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFAs)，為腸上皮細胞供能 [ 3] ；蛋白質(zhì)可被梭菌屬( Clostridium )、鏈球菌屬( Streptococcus )及乳桿菌屬( Lactobacillus )等腸道菌降解為小肽和氨基酸，進而被宿主利用 [ 4] 。此外，唾液乳桿菌( Lactobacillus salivarius )可分泌膽酸鹽水解酶，調(diào)節(jié)膽汁酸代謝，進而影響脂類的利用 [ 5] 。除參與營養(yǎng)物質(zhì)代謝外，腸道菌群還可通過直接和間接2種方式抑制致病菌的增殖，阻止其入侵和大量繁殖。腸道菌群的直接抑菌機理為：與致病菌競爭營養(yǎng)物質(zhì)，某些腸道菌群可以分泌唾液酸酶，利用與結(jié)腸黏蛋白2共價連接的低聚糖，釋放唾液酸獲得能量，而沙門氏菌( Salmonella )和 Clostridium difficile 無法分泌唾液酸酶 [ 1, 6] 。另外，腸道菌群定植可誘導白細胞介素-22(interleukin-22，IL-22)的產(chǎn)生，IL-22可增強宿主腸道黏液的糖基化修飾，從而促進考拉桿菌屬( Phascolarctobacterium )的生長，而 Phascolarctobacterium 可與 Clostridium difficile 競爭琥珀酸鹽以抑制后者定植 [ 7] 。腸道菌群的間接抑菌機理為：調(diào)節(jié)腸上皮功能和激活先天免疫及適應性免疫，可以通過分泌細菌素、抗菌肽 [ 8] 、次級膽汁酸 [ 9] 及細胞接觸依賴性抑制結(jié)構(gòu)(Ⅵ型分泌系統(tǒng)) [ 10] 等方式實現(xiàn)。格氏乳酸桿菌( Lactobacillus gasseri )LA39和弗氏乳酸桿菌( Lactobacillus frumenti )可分泌gassericin A細菌素，通過靶向調(diào)控仔豬腸上皮功能來發(fā)揮腹瀉抗性，從而阻止斷奶腹瀉的發(fā)生 [ 11] 。

2 斷奶對仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響

新生仔豬腸道菌群的定植在出生后立即開始，此后隨著腸腔環(huán)境改變、飼糧結(jié)構(gòu)調(diào)整以及斷奶應激的發(fā)生，腸道內(nèi)特定菌群的定植位點發(fā)生轉(zhuǎn)變，菌群結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化。最初的定植者是來自母體和環(huán)境中的微生物，大多是需氧或兼性厭氧細菌，如大腸桿菌( Escherichia coli )、福氏志賀菌( Shigella flexnerii )和 Streptococcus 。這些細菌消耗氧氣，從而創(chuàng)造一個有利于厭氧菌生長的厭氧環(huán)境，如 Bacteroides 、 Clostridium 、雙歧桿菌屬( Bifidobacterium )和 Lactobacillus ，最終抑制需氧菌的定植 [ 12- 13] 。仔豬腸道寄居的細菌主要有五大類(門水平)，分別為厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、螺旋菌門(Spirochaetes)和柔膜菌門(Tenericutes)，其中Firmicutes和Bacteroidetes為優(yōu)勢菌門。斷奶不會影響門水平上細菌的種類，但會改變其相對豐度，主要是由Firmicutes向Bacteroidetes轉(zhuǎn)變 [ 14] 。然而在科和屬水平上，斷奶前后發(fā)生了顯著的變化，擬桿菌科(Bacteroidaceae)、韋榮球菌科(Veillonellaceae)、梭菌科(Clostridiaceae)、腸球菌科(Enterococcaceae)和 Bacteroides 為斷奶前仔豬腸道的優(yōu)勢菌，而乳桿菌科(Lactobacillaceae)、毛螺旋菌科(Lachnospiraceae)、瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、腸桿菌科(Enterobacteriaceae)、普雷沃菌科(Prevotellaceae)、普雷沃菌屬( Prevotella )、 Lactobacillus 和 Clostridium 為斷奶后仔豬腸道的優(yōu)勢菌 [ 15- 17] 。斷奶后Enterobacteriaceae(包含ETEC和 Salmonella typhimurium )的相對豐度增加，會導致腹瀉和炎癥 [ 16] 。另外， Bacteroides 的相對豐度降低 [ 14] 。腸道菌群與仔豬是共生關(guān)系，任何時候腸道菌群種類和數(shù)量變化都有可能導致腸道菌群紊亂，影響機體正常的生理活動，發(fā)生疾病。 Bacteroides 具有促進派伊爾小結(jié)的B淋巴細胞分化產(chǎn)生免疫球蛋白A(IgA)+細胞的作用，產(chǎn)生分泌型免疫球蛋白A(sIgA)參與腸道黏膜免疫反應，抵抗致病菌的入侵 [ 18] ，斷奶后 Bacteroides 的相對豐度降低，導致sIgA含量降低，進而導致仔豬免疫力下降，這可能與斷奶腹瀉的發(fā)生有關(guān)。

3 斷奶腹瀉仔豬的腸道菌群結(jié)構(gòu)特征

一般認為，仔豬腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂容易引起腹瀉，而腹瀉又會加重腸道菌群結(jié)構(gòu)的紊亂。研究發(fā)現(xiàn)，斷奶腹瀉仔豬的腸道菌群結(jié)構(gòu)異常，主要表現(xiàn)為多樣性下降，致病菌相對豐度增加，共生菌相對豐度降低。通過采用平板計數(shù)法對特定細菌進行測定后發(fā)現(xiàn)，腹瀉仔豬糞便中總細菌、 Bifidobacterium 及 Lactobacillus 的數(shù)量降低， Escherichia coli 的數(shù)量有增加的趨勢 [ 19] 。近年來研究發(fā)現(xiàn)，腹瀉不會影響Firmicutes和Bacteroidetes的主導地位，但會降低Bacteroidetes的相對豐度 [ 20] ，增加疣微菌門(Verrucomicrobia)和Proteobacteria的相對豐度 [ 21] 。Verrucomicrobia會降低黏蛋白的分泌，而黏蛋白可在腸道表面形成一層黏液層抵抗致病菌入侵 [ 22] 。Proteobacteria中包括 Escherichia coli 、螺桿菌屬( Helicobacter )、彎曲菌屬( Campylobacter )及 Salmonella 等致病菌屬，其相對豐度的增加可能會加劇腹瀉。在屬水平上，克雷伯氏菌屬( Klebsiella )、 Lactobacillus 和埃希氏-志賀菌屬( Escherichia - Shigella )相對豐度升高， Bacteroides 、 Lachnoclostridium 及 Ruminococcus 相對豐度下降，其中 Escherichia - Shigella 和 Klebsiella 均為致病菌。 Bacteroides 和 Ruminococcus 均為纖維降解菌，其相對豐度的降低會影響SCFAs的產(chǎn)量，而SCFAs在維持腸道屏障、緩解炎癥、調(diào)節(jié)免疫及介導腸道病原菌的定植等方面具有重要作用 [ 23] ，其含量的降低會影響仔豬的健康。在科水平上，Dou等 [ 24] 研究發(fā)現(xiàn)，腹瀉仔豬糞便中Enterobacteriaceae、Clostridiaceae、梭桿菌科(Fusobacteriaceae)及棒狀桿菌科(Corynebacteriaceae)相對豐度增加，而Fusobacteriaceae和Corynebacteriaceae與慢性炎癥相關(guān)。

4 仔豬腸道菌群的調(diào)控4.1 益生菌

斷奶應激常伴隨著腸道內(nèi)有益菌數(shù)量的減少和致病菌數(shù)量的增加。益生菌通過競爭排斥調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，提高腸道屏障功能，對腸腔中的有害物質(zhì)和致病菌進行有效隔離，進而預防和阻止仔豬斷奶腹瀉。在豬生產(chǎn)中，常用的益生菌有芽孢桿菌類、乳酸菌類和酵母菌類等。胡遠亮 [ 25] 利用變性梯度凝膠電泳分析發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌( Bacillus subtilis )可以增加仔豬腸道菌群多樣性指數(shù)和條帶，可減少 Escherichia coli 相對豐度，增加 Lactobacillus 相對豐度。飼糧中添加 Lactobacillus frumenti 不僅可以提高仔豬腸道中 Lactobacillus frumenti 、 Lactobacillus gasseri LA39、青春雙歧桿菌( Parabacteroides distasonis )和特魯利斯釀酒酵母菌( Kazachstania telluris )等有益菌的相對豐度，降低脫硫脫硫弧菌( Desulfovibrio desulfuricans )和扁平云假絲酵母菌( Candida humilis )等機會致病菌的相對豐度，還可提高緊密連接蛋白的蛋白表達水平及sIgA的mRNA表達水平 [ 26] 。研究發(fā)現(xiàn)，乳酸可通過增加緊密連接蛋白表達，維持上皮屏障，抵抗病原菌的入侵 [ 27] 。益生菌預保護作用可能是通過促進 Lactobacillus frumenti 和 Lactobacillus gasseri LA39等乳酸菌的增殖，增加乳酸的含量，上調(diào)緊密連接蛋白表達，提高腸道屏障功能實現(xiàn)的。在腸道菌群紊亂的情況下，添加益生菌可改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，進而緩解仔豬斷奶腹瀉。Pan等 [ 28] 和Che等 [ 29] 研究相繼發(fā)現(xiàn)，在ETEC攻毒條件下，添加益生菌仍可促進 Lactobacillus 的增殖，并抑制 Escherichia coli 的增殖，緩解斷奶腹瀉。Li等 [ 30] 研究鼠李糖乳桿菌( Lactobacillus rhamnosus )對ETEC攻毒斷奶仔豬的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低劑量 Lactobacillus rhamnosus 可以調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，緩解由ETEC攻毒引起的急性炎癥反應和腹瀉；但高劑量 Lactobacillus rhamnosus 減少了回腸食糜中 Lactobacillius 和 Bacteroides 的相對豐度，且Toll樣受體2( TLR 2)、Toll樣受體9( TLR 9)和腫瘤壞死因子-α( TNF -α)等與免疫相關(guān)基因的mRNA表達降低。 Lactobacillius 和 Bacteroides 相對豐度的降低，可能會減少sIgA的分泌，且腸道pH會增加，容易誘發(fā)仔豬斷奶腹瀉。因此，益生菌在使用過程中需要精確地探究其對不同動物的適宜劑量，且其分子機制仍需要進一步研究。

4.2 有機酸

斷奶腹瀉發(fā)生后，致病菌大量繁殖，脂多糖釋放增加，仔豬腸道發(fā)生炎癥。有機酸，如苯甲酸、SCFAs、長鏈脂肪酸及丁酸鈉等，因其具有抑制病原菌、促進腸道發(fā)育、調(diào)節(jié)腸道菌群和緩解炎癥等作用 [ 31] ，常被添加在仔豬飼糧中。有機酸可降低腸道pH，抑制致病菌的生長。Chen等 [ 32] 研究發(fā)現(xiàn)，在斷奶仔豬飼糧中添加苯甲酸可增加回腸中芽孢桿菌屬( Bacillus )和 Lactobacillus 的數(shù)量，降低 Escherichia coli 的數(shù)量，且可降低空腸pH。有機酸除了可以抑制致病菌的生長，還可通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)減少炎癥反應，這對緩解仔豬斷奶腹瀉具有重要作用。Li等 [ 33] 研究發(fā)現(xiàn)，有機酸能夠降低仔豬腸道中 Escherichia-Shigella 和Verrucomicrobia的相對豐度，提高 Prevotella 的相對豐度和丙酸及丁酸等SCFAs的含量。研究顯示， Escherichia - Shigella 和Verrucomicrobia的相對豐度均與炎癥呈正相關(guān) [ 34- 35] 。 Prevotella 是一種纖維降解菌，可分泌β-葡聚糖酶、甘露糖酶和木聚糖酶來降解植物源飼料中的纖維類物質(zhì) [ 36] ，增加SCFAs的含量，這對提高斷奶仔豬營養(yǎng)物質(zhì)消化率和保持健康有積極影響。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸除了可以為腸上皮細胞提供能量，促進其增殖外，還可緩解炎癥，一是通過激活腸道巨噬細胞和樹突狀細胞上的G蛋白偶聯(lián)受體109A(GPR109A)，促進T細胞分化，促進抗炎因子白細胞介素-10(interleukin-10， IL -10)的表達 [ 37] ；二是通過抑制組蛋白去乙酰化酶(HDACs)的活性下調(diào)炎癥介質(zhì)的表達 [ 38] 。此外，Wen等 [ 39] 報道，丁酸鈉可減少結(jié)腸中 Clostridium 和 Escherichia coli 的總存活數(shù)，并可降低血清中TNF-α和白細胞介素-6(interleukin-6，IL-6)的含量，且可降低核轉(zhuǎn)錄因子-κB( NF - κB )的mRNA表達量，從而緩解斷奶應激引起的腹瀉和炎癥反應。因此，有機酸可能是通過增加SCFAs產(chǎn)生菌的數(shù)量，進而增加SCFAs的含量，降低腸道pH，抑制病原菌增殖，進而緩解仔豬斷奶腹瀉和炎癥。

4.3 植物提取物

植物提取物因其具有多糖、黃酮及多酚等多種生物活性成分，具有調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)、提高免疫力及抗氧化等作用，這對治療致病菌感染有一定效果。研究發(fā)現(xiàn)，植物提取物-巴西辣椒油可增加仔豬腸道中 Lactobacillus 的數(shù)量，并減少腹瀉率 [ 40] 。Zhao等 [ 41] 從蒲公英根中提取活性成分，研究其對斷奶仔豬腸道菌群和免疫功能的影響，結(jié)果顯示，互營球菌屬( Syntrophococcus )的相對豐度和血清中IL-6的含量增加，而狹義梭菌屬1( Clostridium sensu _ stricto _1)的相對豐度和白細胞介素-4(interleukin-4，IL-4)的含量降低，此結(jié)果表明蒲公英根部提取物可通過抑制致病菌和提高免疫力來預防仔豬斷奶腹瀉。此外。黃芪多糖、白術(shù)多糖及枸杞多糖均有調(diào)節(jié)腸道菌群的作用 [ 42] 。

4.4 其他

除了益生菌和有機酸可調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)外，發(fā)酵豆粕、抗菌肽及卵黃抗體也可通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)緩解仔豬斷奶腹瀉。Xie等 [ 43] 和Yuan等 [ 44] 等研究了發(fā)酵豆粕對斷奶仔豬的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵豆粕可減少 Escherichia coli 的數(shù)量，增加 Lactobacillus 和 Prevotella 等產(chǎn)丁酸菌的數(shù)量，改善腸道健康狀況，從而減少腹瀉率。Mach等 [ 45] 研究發(fā)現(xiàn)， Prevotella 的相對豐度與sIgA的含量呈正相關(guān)。由此推斷發(fā)酵豆粕可通過增加 Lactobacillus 和 Prevotella 的數(shù)量，以增加乳酸的含量和促進sIgA的分泌，提高仔豬抗病力，緩解仔豬斷奶腹瀉?？咕腃WA同樣可減少 Escherichia coli 的數(shù)量，增加 Lactobacillus 的數(shù)量，增加SCFAs含量，增強腸道屏障功能，進而緩解斷奶仔豬腸道炎癥，是治療仔豬斷奶腹瀉的有效物質(zhì) [ 46] 。Han等 [ 47] 在飼糧中添加卵黃抗體，可以減少ETEC攻毒斷奶仔豬糞便中 Escherichia coli 的數(shù)量、提高總SCFAs、乙酸和血清中免疫球蛋白M(IgM)的含量，提高免疫力，進而緩解斷奶腹瀉。卵黃抗體緩解仔豬斷奶腹瀉的可能機制是SCFAs促進B細胞代謝分化為漿細胞 [ 48] ，進而增加免疫球蛋白的生成量，從而抵御ETEC的感染。在斷奶仔豬飼糧中添加色氨酸，可提高抗菌肽表達，增加 Prevotella 、布勞特氏菌屬( Blautia )、艾克曼菌屬( Akkermansia )及 Lactobacillus 等有益菌的相對豐度，降低Enterobacteriaceae的相對豐度 [ 49] 。 Blautia 中的 Blautia faecis )和 Blautia stercoris 能利用腸道中的碳水化合物作為發(fā)酵底物，產(chǎn)生乙酸和乳酸 [ 50] 。 Akkermansia 不僅與黏液層的形成有關(guān) [ 51] ，還可誘導叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子3( Foxp 3)基因調(diào)節(jié)T細胞分化 [ 52] 。色氨酸可能是通過調(diào)控腸道菌群結(jié)構(gòu)，進而調(diào)節(jié)免疫，達到緩解仔豬斷奶腹瀉的目的。

4.5 FMT技術(shù)

FMT技術(shù)指將健康仔豬糞便中的功能菌群移植到患病仔豬腸道中，重建腸道菌群以達到治療腹瀉的目的。FMT技術(shù)可以重建仔豬腸道菌群，并降低腹瀉率。研究發(fā)現(xiàn)，將母源糞菌灌喂給仔豬，可暫時改變其腸道菌群結(jié)構(gòu)。22日齡時，仔豬糞便中的梭菌屬( Faecalibacterium )和 Oribacterium 的相對豐度增加，而瘤胃梭菌屬( Ruminiclostridium )和未分類的普雷沃氏菌科(unclassified Prevotellaceae)的相對豐度降低 [ 53] ，后期其對菌群結(jié)構(gòu)的影響基本消失，這可能是母源糞菌失活，無法定殖所致。另有研究發(fā)現(xiàn)，將從江香豬的糞便微生物移植到腹瀉仔豬腸道中，其腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變， Lactobacillus 、 Bacteroides 及 Ruminococcus 的相對豐度增加， Faecalibacterium 及 Prevotella 的相對豐度降低，顯著降低了腹瀉率 [ 11] 。FMT技術(shù)在畜禽生產(chǎn)中的應用還不成熟，如糞菌保存和移植方式，需要深入研究。

綜上所述，目前調(diào)控仔豬腸道菌群的方式有飼糧干預和FMT技術(shù)。益生菌、有機酸、植物提取物及發(fā)酵豆粕等可通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，提高腸道屏障功能，激活免疫及抑制炎癥反應等方式緩解仔豬斷奶腹瀉(表 1)，它們均有減少抗生素在飼料中使用的可能。

5 小結(jié)與展望

仔豬健康與腸道菌群密切相關(guān)，斷奶腹瀉仔豬普遍存在著腸道菌群紊亂的現(xiàn)象。隨著高通量測序技術(shù)的普及，研究人員對腸道菌群有了更多的認識，關(guān)于斷奶腹瀉仔豬腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能的研究也不斷增多。目前已知仔豬斷奶腹瀉發(fā)生的部分原因是仔豬腸道菌群紊亂，通過調(diào)控腸道菌群對防治斷奶腹瀉有積極作用。但也有許多未解之謎：某些菌種的功能是什么？是否具有種屬差異性？如何影響宿主？通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)緩解仔豬斷奶腹瀉的具體機制是什么？因此，需要深入研究這些問題，明確腸道菌群及其代謝產(chǎn)物調(diào)控仔豬生理的具體分子機制，這將為防治仔豬斷奶腹瀉提供新的策略。此外，測序數(shù)據(jù)量龐大，需要更為科學的處理和統(tǒng)計方法，這將有助于仔豬腸道菌群的研究。

參考文獻略

源自動物營養(yǎng)學報

]返回搜狐，查看更多