氧化應(yīng)激與母仔豬腸道菌群的互作及其營養(yǎng)調(diào)控

郝翔宇，王 浩，李綺琪，鄭雪玥，伍子放，譚成全

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510642）

由于養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；图s化的發(fā)展，生豬飼養(yǎng)過分集中、個(gè)體空間嚴(yán)重不足、養(yǎng)殖環(huán)境惡化等問題逐步加重，高溫、缺氧及刺激性氣體等都會(huì)對(duì)生豬機(jī)體代謝造成負(fù)面影響，使其需氧量增加，代謝異常，影響其綜合體質(zhì)，破壞動(dòng)物機(jī)體內(nèi)氧化和抗氧化系統(tǒng)平衡，引發(fā)氧化應(yīng)激，導(dǎo)致母豬繁殖力降低，淘汰率增加，種用年限下降。繁殖周期內(nèi)母豬氧化應(yīng)激將進(jìn)一步傳遞給后代，加上仔豬自身經(jīng)歷多種氧化應(yīng)激損傷，尚未成熟的抗氧化系統(tǒng)難以有效的清除過量的自由基，導(dǎo)致腸道氧化應(yīng)激的發(fā)生及腸道菌群生態(tài)平衡被打破 （趙珂立，2011；EP等，2006）。本文探討氧化應(yīng)激對(duì)母仔豬腸道菌群穩(wěn)態(tài)的影響及其互作效應(yīng)，并綜述促進(jìn)母仔豬腸道健康和緩解氧化應(yīng)激營養(yǎng)調(diào)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(chǎn)力提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 氧化應(yīng)激的概念

氧化應(yīng)激狀態(tài)是因?yàn)闄C(jī)體內(nèi)的高活性分子物質(zhì)，如活性氧（ROS）或活性氮（RNS）過多或機(jī)體清除高活性分子物質(zhì)效率降低而引起的病理狀態(tài)。動(dòng)物機(jī)體內(nèi)的ROS或RNS與脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、碳水化合物和DNA等有機(jī)大分子物質(zhì)進(jìn)行氧化反應(yīng)，使它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)改變，使細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能受到損傷 （趙珂立，2011；Berchieri-Ronchi等，2011）。一般生物體內(nèi)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(yīng)激與腸道菌群的互作

2.1 繁殖周期內(nèi)母豬氧化應(yīng)激與腸道菌群的互作

2.1.1 繁殖周期內(nèi)母豬的氧化應(yīng)激 在正常的生理狀況下，母豬代謝過程中會(huì)產(chǎn)生必需的ROS，但機(jī)體的抗氧化系統(tǒng)會(huì)及時(shí)清除掉過量的ROS，使機(jī)體內(nèi)的ROS處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，但在母豬繁殖周期中，母體在妊娠期及泌乳期自身代謝強(qiáng)度增加，導(dǎo)致體內(nèi)ROS水平顯著增加，使母豬受到氧化應(yīng)激的風(fēng)險(xiǎn)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(yǎng)，在妊娠后期，胎兒生長速度加快，其所需營養(yǎng)物質(zhì)增加導(dǎo)致母體代謝強(qiáng)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(nèi)ROS產(chǎn)生量增加。在母豬泌乳階段，為滿足仔豬營養(yǎng)需要，母豬處于嚴(yán)重的分解代謝狀態(tài)，導(dǎo)致母豬體內(nèi)產(chǎn)生過量的ROS，氧化應(yīng)激增加 （Tan等，2015）。另有研究表明，在母豬繁殖周期內(nèi)，環(huán)境應(yīng)激（熱應(yīng)激和社會(huì)應(yīng)激）會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激加劇，與群居妊娠母豬相比，位于限位欄中的母豬機(jī)體自由基大量產(chǎn)生，造成抗氧化和氧化系統(tǒng)失衡，進(jìn)而導(dǎo)致氧化損傷，氧化應(yīng)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(yīng)激。

2.1.2 氧化應(yīng)激與母豬腸道菌群的互作 動(dòng)物體內(nèi)定植大量的腸道菌群，氧化應(yīng)激產(chǎn)生過量的ROS會(huì)導(dǎo)致腸道結(jié)構(gòu)破壞，腸黏膜缺血缺氧性損傷，腸道菌群穩(wěn)態(tài)易被打亂 （Assimakopoulos等，2004），進(jìn)而導(dǎo)致營養(yǎng)吸收受阻，嚴(yán)重影響豬的采食量、體增重及繁殖性能。此外，氧化應(yīng)激通過改變腸道內(nèi)環(huán)境作用于腸道菌群，導(dǎo)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(yīng)激也可導(dǎo)致大腸桿菌等致病菌進(jìn)入內(nèi)環(huán)境，引發(fā)炎癥反應(yīng)，炎癥因子激活巨噬細(xì)胞，后者在吞噬致病菌的過程中產(chǎn)生大量的ROS，進(jìn)而導(dǎo)致乳酸桿菌等有益菌在腸道的定植和生物學(xué)功能的發(fā)揮受到抑制 （李超等，2014），腸道內(nèi)條件性致病菌豐度增加，母豬更易受到氧化損傷，產(chǎn)生氧化應(yīng)激 （Wang等，2018）。有報(bào)道指出母豬抗氧化能力與擬桿菌呈正相關(guān)而與鏈球菌呈負(fù)相關(guān)，也有研究證明擬桿菌的相對(duì)豐度可影響母豬的氧化應(yīng)激 （Zhang等，2017），有益菌可通過產(chǎn)生相應(yīng)的代謝產(chǎn)物進(jìn)而維持腸道內(nèi)氧化和抗氧化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，如瘤胃球菌的代謝產(chǎn)物丁酸可作為結(jié)腸黏膜的營養(yǎng)來源，緩解腸道內(nèi)的氧化應(yīng)激 （Wang等，2018）。

2.2 仔豬出生及斷奶氧化應(yīng)激與腸道細(xì)菌的互作

2.2.1 仔豬出生及斷奶氧化應(yīng)激 仔豬出生時(shí)，外界環(huán)境與母體子宮內(nèi)環(huán)境不同，且仔豬的呼吸方式由分娩前的被動(dòng)呼吸變?yōu)榉置浜蟮淖灾骱粑嘁蛩氐捏E變導(dǎo)致新生仔豬線粒體呼吸系統(tǒng)及其他生理代謝系統(tǒng)產(chǎn)生大量的自由基，而新生仔豬本身的抗氧化系統(tǒng)仍處于發(fā)育階段，其清除ROS的能力十分薄弱 （Jain，2016），使新生仔豬易產(chǎn)生氧化應(yīng)激。有研究表明，在仔豬出生當(dāng)日，其血液中氧化應(yīng)激標(biāo)志物丙二醛（MDA）含量達(dá)900 pmol/mg，蛋白質(zhì)及核酸氧化產(chǎn)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(shí)體內(nèi)的抗氧化物酶活性較低，但在第7天時(shí)抗氧化物酶的活性顯著升高（Yin等，2013）。由此可知仔豬出生會(huì)產(chǎn)生較多的ROS并增加仔豬氧化應(yīng)激的可能性。

現(xiàn)代集約化養(yǎng)豬業(yè)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(yǎng)來源從母乳到飼料的轉(zhuǎn)變及飼養(yǎng)環(huán)境的改變導(dǎo)致仔豬出現(xiàn)斷奶應(yīng)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(diào)節(jié)ROS生成的腫瘤蛋白53有上升趨勢(shì) （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）?？梢姅嗄虘?yīng)激會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)仔豬氧化應(yīng)激的發(fā)生。

2.2.2 氧化應(yīng)激與仔豬腸道菌群的互作 斷奶后仔豬腸道菌群發(fā)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(nèi)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(guān)，但與MDA及H2O2含量呈顯著負(fù)相關(guān)，表明腸道菌群豐度的變化與腸道內(nèi)的抗氧化物以及自由基水平有關(guān) （Xu等，2014）。過量的氧自由基可顯著抑制機(jī)體腸道雙歧桿菌等有益菌增殖，但對(duì)潛在病原菌無顯著影響，且易加劇機(jī)體炎癥反應(yīng) （David等，2014）。氧化應(yīng)激導(dǎo)致仔豬回腸、盲腸和直腸中的大腸桿菌數(shù)量顯著增加，而乳酸桿菌的數(shù)量顯著降低，盲腸中的雙歧桿菌數(shù)量顯著降低 （Xu等，2014），仔豬產(chǎn)生的氧化應(yīng)激會(huì)引起腸道菌群結(jié)構(gòu)的變化，從而對(duì)腸道造成損傷。由于仔豬腸道功能發(fā)育不健全，未消化的蛋白質(zhì)經(jīng)腸道致病菌發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生有毒胺（金立志等，2016），從而導(dǎo)致仔豬體內(nèi)GSH含量降低，氧化應(yīng)激增加 （Pieper等，2012）。腸道有益菌可將日糧纖維發(fā)酵為短鏈脂肪酸（SCFA）（Tian等，2017），SCFA可作為信號(hào)分子進(jìn)而降低仔豬氧化應(yīng)激 （Han 等，2016）。

3 營養(yǎng)干預(yù)對(duì)母仔豬氧化應(yīng)激和腸道菌群的影響

3.1 植物提取物對(duì)母仔豬氧化應(yīng)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(fù)和緩解氧化應(yīng)激對(duì)機(jī)體的腸道損傷。研究報(bào)道止痢草油抗氧化效應(yīng)的成分為香芹酚和麝香草酚，其可有效地清除ROS，增強(qiáng)腸道內(nèi)SOD及GSH-Px的活性，促進(jìn)腸道內(nèi)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(dāng)天MDA及8-羥基脫氧鳥苷 （8-OHDG）含量，激活I(lǐng)PEC-J2細(xì)胞轉(zhuǎn)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(dá)，降低ROS的產(chǎn)生，進(jìn)而緩解母豬的氧化應(yīng)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(shù)量并降低了大腸桿菌的數(shù)量，表明止痢草油可在有效抑制病原菌增殖的同時(shí)相對(duì)保護(hù)有益菌，維護(hù)腸道菌群區(qū)系的相對(duì)穩(wěn)定 （Tan等，2015）。斷奶仔豬試驗(yàn)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(yīng)激和大腸桿菌數(shù)量，提高乳酸桿菌相對(duì)豐度 （Wei等，2017）。異黃酮具有活性酚羥基，可與活性氧自由基結(jié)合并使其失活，從而阻斷自由基反應(yīng)，緩解豬氧化應(yīng)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(nèi)條件致病菌（大腸桿菌）的數(shù)量顯著降低，而有益菌（乳酸桿菌）數(shù)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(nèi)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(chǎn)生，增強(qiáng)內(nèi)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(zhì)，可直接清除體內(nèi)過多的ROS進(jìn)而緩解母仔豬的氧化應(yīng)激，也可作為信號(hào)分子調(diào)控機(jī)體抗氧化物相關(guān)基因的表達(dá)，促進(jìn)抗氧化物（SOD等）的產(chǎn)生和分泌，增強(qiáng)機(jī)體的抗氧化能力，從而維持腸道菌群及氧化和抗氧化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。

3.2 日糧纖維對(duì)母仔豬氧化應(yīng)激和腸道菌群的影響 日糧纖維無法被高等動(dòng)物自身酶解，只能經(jīng)腸道菌群酵解，不同來源纖維的發(fā)酵性差異顯著。日糧纖維對(duì)母仔豬的氧化應(yīng)激及腸道菌群的影響取決于纖維自身的理化性質(zhì)如發(fā)酵性。高發(fā)酵性纖維可改變腸道菌群結(jié)構(gòu)，減少氧化應(yīng)激。有研究表明，高發(fā)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(shù)量（Konstantinov等，2004）。不被酶解的日糧纖維經(jīng)腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)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(xì)胞增殖，并產(chǎn)生酸性環(huán)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(wěn)態(tài)（Montagne等，2003）。據(jù)報(bào)道，仔豬飼喂玉米抗性淀粉日糧可以降低腸道內(nèi)pH并增加SCFA濃度，減少蛋白質(zhì)發(fā)酵有毒物質(zhì)的產(chǎn)生，并可有效地增加腸道有益菌（乳酸桿菌等）的數(shù)量 （He等，2017）。妊娠母豬飼喂2.2%魔芋粉的日糧與對(duì)照組相比，前者在分娩當(dāng)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(yīng)激降低（譚成全，2016）。在仔豬試驗(yàn)中，高發(fā)酵性纖維日糧會(huì)使斷奶仔豬腸道內(nèi)條件性致病菌數(shù)量增加 （金立志等，2016），可能是由于仔豬發(fā)酵能力較差，高發(fā)酵性纖維未被完全分解，在腸道內(nèi)累積，導(dǎo)致腸道菌群的紊亂。弱發(fā)酵性纖維不能為有益菌提供營養(yǎng)，但抑制有害菌的能力更強(qiáng)。有研究指出，用高木質(zhì)素的黃花馬尾松粉日糧及低木質(zhì)素的麥麩日糧分別飼喂仔豬，結(jié)果表明，前者在減少大腸菌群數(shù)量上比后者更有效 （Schedle等，2008），這可能是因?yàn)槲窗l(fā)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(fā)酵纖維可促進(jìn)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(chǎn)物如SCFA等信號(hào)分子激活抗氧化應(yīng)激信號(hào)通路從而發(fā)揮抗氧化作用。高發(fā)酵性纖維的利用與動(dòng)物腸道菌群發(fā)酵能力有關(guān)，其會(huì)對(duì)發(fā)酵能力差的仔豬產(chǎn)生不利影響。弱發(fā)酵性纖維主要抑制病原菌增殖，從而維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)，減少有毒產(chǎn)物的生成，緩解氧化應(yīng)激。

3.3 功能性氨基酸母仔豬氧化應(yīng)激和腸道菌群的影響 功能性氨基酸對(duì)降低母仔豬氧化損傷及維持腸道菌群的穩(wěn)態(tài)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(nèi)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(zhì)，其可從腸腔進(jìn)入腸細(xì)胞，合成GSH，增強(qiáng)抗氧化能力，并可降低有害菌的入侵幾率，緩解斷奶應(yīng)激對(duì)腸道造成的損傷并維持腸道菌群的相對(duì)平衡 （Lv等，2018）。有研究表明，谷氨酰胺可促進(jìn)NO合成酶的合成進(jìn)而使NO濃度增加，谷氨酰胺是腸道上皮細(xì)胞主要營養(yǎng)物質(zhì) （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(yàn)中，谷氨酰胺可促進(jìn)磷酸戊糖途徑的活性，從而提高母豬體內(nèi)NADPH及GSH的水平，緩解氧化應(yīng)激（林剛，2014）。另有報(bào)道精氨酸可顯著改善仔豬的氧化損傷 （Zheng等，2013）。在氧化應(yīng)激狀態(tài)下，給豬補(bǔ)充精氨酸可以降低豬的氧化應(yīng)激損傷，增加GSH的水平，增強(qiáng)抗氧化能力。飼喂補(bǔ)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(jī)體肝臟抗氧化酶的活性顯著提高，過氧化物的釋放及脂質(zhì)過氧化物反應(yīng)受到抑制 （Galli，2012）。補(bǔ)充精氨酸會(huì)減少回腸細(xì)菌對(duì)谷氨酸的利用，但會(huì)增加大腸桿菌對(duì)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(jìn)而增強(qiáng)抗氧化能力 （Zafarullah等，2003）。據(jù)報(bào)道，經(jīng)NAC治療的仔豬體內(nèi)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(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激，補(bǔ)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(yīng)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(shù)量恢復(fù)到正常水平并抑制大腸桿菌的繁殖，使ROS水平恢復(fù)正常 （Xu等，2014）。

功能性氨基酸可直接影響抗氧化物的合成，進(jìn)而影響機(jī)體抗氧化系統(tǒng)的活性，或通過調(diào)節(jié)信號(hào)分子的產(chǎn)生進(jìn)而調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)。功能性氨基酸可以有效地清除機(jī)體內(nèi)多余的氧自由基，維持氧化和抗氧化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，同時(shí)部分氨基酸可作用于腸道，降低腸道內(nèi)有害菌的數(shù)量，促進(jìn)有益菌的增殖。

4 小結(jié)

母豬在繁殖周期內(nèi)易發(fā)生進(jìn)程性氧化應(yīng)激。仔豬在出生及斷奶兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)期因環(huán)境和營養(yǎng)供給方式的改變，使其體內(nèi)產(chǎn)生大量的ROS從而發(fā)生氧化應(yīng)激。母仔豬產(chǎn)生的氧化應(yīng)激進(jìn)一步導(dǎo)致其腸道菌群的穩(wěn)態(tài)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(nèi)氧化應(yīng)激與腸道菌群失衡的因果關(guān)系及對(duì)繁殖泌乳性能的作用機(jī)理；妊娠期母豬腸道菌群及其代謝產(chǎn)物變化是否介導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)而影響母乳質(zhì)量；仔豬腸道發(fā)育未完善，日糧發(fā)酵程度及其產(chǎn)物對(duì)其腸道菌群及腸道功能的影響等還需進(jìn)一步研究。