鮭科魚類腸道微生物研究進(jìn)展

文/徐紹剛 張黎 楊華蓮 徐曉玲

作者單位：1.北京市水產(chǎn)科學(xué)研究所2.北京市水產(chǎn)技術(shù)推廣站

北京市鱘魚、鮭鱒魚創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)專欄

雖然與人類和哺乳動(dòng)物腸道微生物的研究有一定的差距，但隨著鮭魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的壯大和微生物學(xué)的發(fā)展，鮭魚腸道微生物的研究具有較高的商業(yè)價(jià)值和重要的研究意義。腸道微生物參與鮭魚的營養(yǎng)調(diào)控和免疫調(diào)節(jié)，并發(fā)揮了重要的作用，本文對(duì)鮭魚腸道微生物的營養(yǎng)和免疫方面功能及影響腸道微生物變化的因素進(jìn)行了論述，以期為鮭魚腸道微生物相關(guān)研究提供參考。

鮭科魚類（文中簡稱：鮭魚）和其他水生動(dòng)物與周圍環(huán)境有著緊密的互動(dòng)關(guān)系，有的微生物與鮭魚形成共生關(guān)系，有的則使鮭魚致病。與人類和哺乳動(dòng)物一樣，鮭魚共生關(guān)系的腸道微生物在營養(yǎng)供應(yīng)、代謝平衡和免疫防御中發(fā)揮著重要作用。

魚類起源于6億年前，種類近3萬種，約占現(xiàn)有脊椎動(dòng)物的一半，魚類為全世界近30億人提供了20%的蛋白質(zhì)（每年約20kg/人，F(xiàn)AO，2016），鮭魚是重要的經(jīng)濟(jì)性魚類，2016年產(chǎn)量425.6萬噸，鮭魚捕撈量呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，而鮭魚養(yǎng)殖量逐年增長，2016養(yǎng)殖產(chǎn)量331.9萬噸，占鮭魚總產(chǎn)量的78%（FAO，2016）。鮭魚在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中具有重要地位，同時(shí)其養(yǎng)殖過程也會(huì)對(duì)水環(huán)境的造成影響，因此涉及腸道微生物領(lǐng)域的研究。

鮭魚腸道微生物種類繁多，包括原生動(dòng)物，真菌、病毒和細(xì)菌等，其中細(xì)菌是鮭魚腸道的優(yōu)勢(shì)微生物群，它們的來源、組成和功能等方面的研究隨科技進(jìn)步不斷完善。對(duì)鮭魚腸道微生物的研究經(jīng)歷了依賴培養(yǎng)技術(shù)（culture-dependent techniques）和非培養(yǎng)技術(shù)（culture-independent techniques）。傳統(tǒng)的依賴培養(yǎng)方法靈敏度差，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)技術(shù)條件下獲得的微生物種類有限，只能檢出部分類群，某些魚類腸道可培養(yǎng)微生物數(shù)量約占微生物總量的0.1%，因此較多采用非培養(yǎng)技術(shù)。其方法主要包括：實(shí)時(shí)定量PCR（quantitative realtime，PCR）方法、指紋印記法（溫度梯度凝膠電泳TTGE和變性梯度凝膠電泳DGGE）和下一代測(cè)序技術(shù)（Nextgeneration sequencing），應(yīng)用這些方法對(duì)腸道微生物類群進(jìn)行定量和豐度分析。近年來，下一代測(cè)序技術(shù)在鮭魚腸道微生物的研究中得到了應(yīng)用和普及，較其他方法下一代測(cè)序技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括一次獲得數(shù)據(jù)多、快速、成本低，數(shù)據(jù)徹底而準(zhǔn)確，可以同時(shí)檢測(cè)優(yōu)勢(shì)和低豐度微生物種類等。

大量的研究結(jié)果證明多種魚類腸道中存在著豐富的微生物類群，隨著DNA測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)分析方法的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)鮭魚腸道微生物有助于消化，并能影響其營養(yǎng)吸收、生長速度、繁殖效果、種群穩(wěn)定和抗病力等，鮭魚腸道微生物與水產(chǎn)養(yǎng)殖實(shí)踐具有高度的相關(guān)性，因此，本文對(duì)鮭魚腸道微生物的功能和影響因素進(jìn)行了探究。

一、鮭魚腸道微生物的功能

鮭魚腸道微生物逐漸成為宿主的一部分，由于其維持著正常的腸道功能，包括營養(yǎng)吸收和免疫等生理功能，因此腸道微生物又被稱為“額外的器官”，執(zhí)行許多宿主不能進(jìn)行的生理和生化功能。

（一）營養(yǎng)功能

腸道微生物影響鮭魚能量攝入，幫助鮭魚獲得營養(yǎng)物質(zhì)，分解食物產(chǎn)生宿主不能合成的維生素和氨基酸，產(chǎn)生消化酶等，虹鱒腸道微生物具有合成不同的維生素和氨基酸的能力，并可分泌一系列酶，參與宿主對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的消化過程。在對(duì)虹鱒末端腸道微生物類群的研究發(fā)現(xiàn)，其具有代謝相關(guān)的功能，主要是參與糖、蛋白質(zhì)和氨基酸代謝，在虹鱒對(duì)日糧代謝中起著重要作用。營養(yǎng)物質(zhì)是鮭魚生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，微生物在腸道內(nèi)可合成維生素，產(chǎn)生消化酶，具有促進(jìn)鮭魚消化和生長的作用。

（二）生物屏障和免疫作用

鮭魚腸道微生物的屏障作用，在于其能夠產(chǎn)生抗菌物質(zhì)，占據(jù)腸道粘膜上的位點(diǎn)，形成保護(hù)膜并分泌天然的免疫物質(zhì)，對(duì)病原菌形成物理和化學(xué)屏障作用，抵御外來的病原菌入侵和定植，部分腸道微生物還可以刺激體液免疫應(yīng)答反應(yīng)，幫助宿主抵御病原菌的感染。大西洋鮭魚腸道中的肉食桿菌屬部分類群，可有效抑制嗜水氣單胞菌和殺鮭氣單胞菌，部分肉毒桿菌還可產(chǎn)生抗菌的抑制因子，抵抗病原菌的入侵。研究發(fā)現(xiàn)在飼料中添加益生菌，有益于大西洋鮭仔魚和幼魚腸道粘膜發(fā)育，并促進(jìn)其先天免疫應(yīng)答反應(yīng)，同樣在虹鱒的飼料添加益生菌可提高其抗鰻弧菌能力，腸道微生物也會(huì)影響免疫相關(guān)基因的表達(dá)，包括氧化物酶、C3補(bǔ)體和谷胱甘肽過氧化物等。

二、鮭魚腸道微生物的影響因素

鮭魚腸道中微生物多樣性和組成，受到魚體自身因素和外部環(huán)境因素的共同影響。魚體自身因素包括基因型、發(fā)育階段和腸道結(jié)構(gòu)等，外部環(huán)境因素包括季節(jié)、鹽度、飼料類型和養(yǎng)殖模式等。

（一）魚體自身因素

許多研究表明，鮭魚腸道微生物的組成與水環(huán)境中的微生物組成差異顯著，說明魚體自身因素影響著腸道對(duì)微生物的選擇?；蛐涂梢杂绊戸q魚腸道微生物組成，研究發(fā)現(xiàn)在不同環(huán)境和飼料條件下培育的虹鱒，腸道菌群相似性較高，且菌群的種類和組成與水環(huán)境和飼料中的菌群差異顯著，在相同環(huán)境和飼料條件下培育的不同家系的虹鱒，腸道都擁有各自的優(yōu)勢(shì)菌群；發(fā)育階段會(huì)影響魚類腸道菌群的組成，虹鱒受精卵孵化后，仔魚吸收絨毛膜上的細(xì)菌，發(fā)育成腸道微生物，以氣單胞菌科為主，當(dāng)魚仔魚開始飲水來調(diào)節(jié)滲透壓，獲得后續(xù)的定植細(xì)菌，并逐漸轉(zhuǎn)換為腸桿菌科；腸道結(jié)構(gòu)影響腸道微生物組成，人工養(yǎng)殖的大西洋鮭，前腸、中腸和后腸優(yōu)勢(shì)種不同，前腸主要是變形菌門的珍珠菌屬、假單胞菌屬、不動(dòng)桿菌和弧菌屬，中腸由變形菌門發(fā)光菌屬和假單胞菌屬組成，而后腸中弧菌屬和發(fā)光桿菌屬數(shù)量更多。

（二）外部環(huán)境因素

魚類生存在水環(huán)境中，從受精卵開始發(fā)育到進(jìn)食，腸道微生物持續(xù)受到外部環(huán)境的影響，建立相應(yīng)的微生物類群，微生物類群來源包括水環(huán)境和食物等，因此外部環(huán)境因素會(huì)對(duì)鮭魚腸道微生物產(chǎn)生影響。

1.季節(jié)變化

有研究指出季節(jié)和溫度的變化會(huì)影響魚類腸道微生物組成，優(yōu)勢(shì)微生物類群的總豐度隨著季節(jié)發(fā)生變化，并在夏季和秋季達(dá)到峰值，溫度達(dá)到21℃會(huì)導(dǎo)致成年大西洋鮭腸道乳酸菌和不動(dòng)桿菌屬消失，同時(shí)伴隨著弧菌屬的增加，但也發(fā)現(xiàn)，在6月～8月水溫5.5℃～18.8℃時(shí)，成年大西洋鮭的腸道微生物類群總體變化不顯著。

2.鹽度

鮭魚是廣鹽性魚類，一些種類具有降海和洄游特性，大西洋鮭幼魚降海前，腸道微生物類群比海水生活時(shí)多，有研究認(rèn)為豐富的腸道微生物類群可有效參與氧化磷酸化和檸檬酸循環(huán)，為幼魚節(jié)約自由能，用于銀化過程中適應(yīng)滲透壓轉(zhuǎn)換，銀化前后較穩(wěn)定的微生物類群包括消化鏈球菌屬和漫游球菌屬，在降海過程中，腸道中變形菌門和放線菌門種類下降，同時(shí)硬壁菌門和桿菌種類增加。

3.飼料類型

飼料中脂肪和蛋白的含量會(huì)影響鮭魚腸道微生物類群的變化，如人工養(yǎng)殖的大西洋鮭幼魚，以低脂飼料培育腸道優(yōu)勢(shì)菌群是厚壁菌門，而高脂飼料使厚壁菌門菌群轉(zhuǎn)化為變形菌門，北極紅點(diǎn)鮭的飼料中添加大豆油和海生動(dòng)物油替代魚油可提高魚體對(duì)病原菌的抵抗能力，某些植物蛋白會(huì)影響大西洋鮭腸道微生物組成，進(jìn)而引起腸道疾病，大西洋鮭攝食豆粕或攝食大豆?jié)饪s蛋白會(huì)引起腸道疾病，并伴有腸道微生物數(shù)量和多樣性的增加。

4.養(yǎng)殖模式

鮭魚的人工養(yǎng)殖模式下，較高的飼養(yǎng)密度會(huì)加速水環(huán)境惡化，導(dǎo)致疾病傳播，因此使用抗生素清除細(xì)菌感染，但這會(huì)引起病原體的抗藥性和鮭魚腸道微生物多樣性減少，研究發(fā)現(xiàn)野生大西洋鮭的腸道微生物多樣性更高，目前抗生素在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的使用越來越嚴(yán)格，亟需尋找控制疾病的替代方法，需要評(píng)估抗生素對(duì)鮭魚人工養(yǎng)殖和野生鮭魚的影響。

5.益生菌和益生元

隨著法律法規(guī)的出臺(tái)，水產(chǎn)養(yǎng)殖中限制了化學(xué)藥品使用，而益生菌和益生元可能成為抗生素的替代品。益生菌是一類對(duì)魚體有益的活性微生物，可改善腸道微生物組成并促進(jìn)魚體健康，實(shí)驗(yàn)室常用的益生菌包括芽孢桿菌屬、乳球菌屬、希瓦氏菌屬和氣單胞菌屬等，益生菌可作用于腸道粘膜細(xì)胞，激活魚體的先天免疫反應(yīng)，飼料中添加益生菌可促進(jìn)虹鱒的生長，提高抵抗病原菌能力，改善腸道微生物結(jié)構(gòu)。雖然益生菌會(huì)促進(jìn)魚體健康，但也存在一些問題，在養(yǎng)殖過程中益生菌的使用較為困難，處理和儲(chǔ)存過程中細(xì)菌的存活率低，飼料在水中浸溶損失，飼料處理和制備技術(shù)有限，都會(huì)影響益生菌的使用效率，因此，益生菌的使用方法還需進(jìn)一步研究。與益生菌相反，益生元并不向腸道引入新的微生物類群，而是通過為微生物提供基質(zhì)，促進(jìn)微生物反應(yīng)效率，可促進(jìn)腸道吸收較難消化的食物成分，增強(qiáng)宿主免疫應(yīng)答，提高吸收效率、增加生長和飼料轉(zhuǎn)化率。但益生元的使用效果也存在較大差異，使用劑量要求較高，并受到使用時(shí)間、培養(yǎng)條件、種類和魚齡的影響。

三、小結(jié)

近年來，鮭魚腸道微生物的研究較多，隨著下一代測(cè)序技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可較為全面和深入的研究鮭魚腸道微生物在發(fā)育、銀化及洄游過程中的類群組成和相互作用，而鮭魚腸道微生物受到自身因素和外部環(huán)境的雙重影響，更好的了解其變化規(guī)律，可以更好的推動(dòng)鮭魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)綠色健康養(yǎng)殖。