益生菌調(diào)控幼齡畜禽消化道微生物研究進(jìn)展

馬濤 刁其玉

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼料生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

隨著世界人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，人們對(duì)于優(yōu)質(zhì)動(dòng)物產(chǎn)品的需求量與日俱增。預(yù)計(jì)到2050年，對(duì)于肉和蛋的需求將增加73%，對(duì)奶制品的需求將增加58%［2］。為了滿(mǎn)足人們對(duì)于優(yōu)質(zhì)動(dòng)物產(chǎn)品的需求，提高畜禽生產(chǎn)性能和效率是畜牧業(yè)發(fā)展的重中之重。長(zhǎng)期以來(lái)，抗生素不僅能夠預(yù)防和治療動(dòng)物疾病，還具有促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)的作用［3］。預(yù)計(jì)2030年，全球動(dòng)物養(yǎng)殖使用的抗生素總量將提高到105 596 t，且僅在亞洲就將達(dá)到51 851 t，占全球使用總量的一半［4］。盡管適量或低劑量的抗生素能夠預(yù)防疾病或促進(jìn)動(dòng)物生產(chǎn)，但仍會(huì)導(dǎo)致抗藥性病原菌的出現(xiàn)［5-6］。2019年7月，中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布第194號(hào)公告，飼料無(wú)抗已迫在眉睫，因此尋找合適的抗生素替代品，成為動(dòng)物生產(chǎn)的一項(xiàng)重要任務(wù)。

益生菌是一類(lèi)對(duì)宿主（人類(lèi)或動(dòng)物）有益的活性微生物［7］，包括細(xì)菌、真菌（如酵母）等，能夠有效提高動(dòng)物生產(chǎn)性能［8-9］和對(duì)疾病的抵抗力［10］，同時(shí)能夠抑制耐藥性細(xì)菌的生長(zhǎng)［11-12］，在畜禽生產(chǎn)中具有替代抗生素的潛力。動(dòng)物消化道中存在著大量的微生物，包括細(xì)菌、原蟲(chóng)、病毒及真菌等［13］。與成年階段相比，新生或幼齡動(dòng)物的消化道微生物更易受日糧等因素的影響，且該影響作用持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)久［14］。因此，合理利用益生菌調(diào)控消化道微生物和宿主之間建立早期的積極互作，對(duì)于促進(jìn)其消化道免疫功能的建立、提高生產(chǎn)性能具有長(zhǎng)效作用［15］。本文介紹了益生菌的潛在作用機(jī)制，對(duì)近10年來(lái)利用高通量測(cè)序技術(shù)研究益生菌調(diào)控幼齡畜禽（仔豬、雛雞和反芻動(dòng)物）消化道微生物的進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和歸納，并提出了未來(lái)研究方向，包括益生菌如何通過(guò)與消化道微生物互作影響其功能，益生菌對(duì)于幼齡畜禽不同健康狀態(tài)下腸道微生物的影響，以及宿主因素如何影響益生菌對(duì)于幼齡畜禽消化道微生物的作用效果。

1 益生菌的潛在作用機(jī)制

作為有效的益生菌，必須保證其自身能夠耐受消化道的特殊環(huán)境（溫度、pH等），能夠附著在消化道上皮細(xì)胞上，在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)生抗病原微生物的物質(zhì)，并在消化道中發(fā)揮持續(xù)的益生作用［16］。益生菌在動(dòng)物消化道中發(fā)揮作用的潛在機(jī)制主要包括3個(gè)方面：首先，益生菌通過(guò)多種途徑抑制病原微生物的生長(zhǎng)，具體表現(xiàn)在：（1）益生菌與病原微生物競(jìng)爭(zhēng)有限的營(yíng)養(yǎng)源、能量以及消化道結(jié)合位點(diǎn)，從而限制病原微生物生長(zhǎng)。青春雙歧桿菌（Bifidobacterium adolescentis）S2-1能夠與牙齦卟啉單胞菌（Porphyromonas gingivalis）競(jìng)爭(zhēng)維生素K，從而抑制其生長(zhǎng)［17］。（2）益生菌通過(guò)產(chǎn)生抗微生物成分包括細(xì)菌素、有機(jī)酸、過(guò)氧化氫等，抑制病原微生物生長(zhǎng)，如卷曲乳桿菌（Lactobacillus crispatus）F117和 副 干 酪 乳 桿 菌（Lactobacillus paracasei）F2/F28均能夠通過(guò)產(chǎn)生大量的過(guò)氧化氫來(lái)抑制金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的生長(zhǎng)［18］。此外，益生菌產(chǎn)生的乳酸、有機(jī)酸能夠通過(guò)降低消化道pH，從而抑制沙門(mén)氏菌和大腸桿菌等病原微生物的生長(zhǎng)［19］。其次，益生菌能夠作用于宿主消化道上皮細(xì)胞和樹(shù)突細(xì)胞，促進(jìn)上述細(xì)胞產(chǎn)生消化道黏液或防御素［20-21］，提高緊密連接以及屏障功能［22］，防止促炎性細(xì)胞因子導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡［23］。主要體現(xiàn)在 ：乳桿菌［24-25］、鏈球菌［26］及雙歧桿菌［27］等益生菌能夠通過(guò)纖毛附著在宿主消化道細(xì)胞上。在成功黏附后，肽聚糖（革蘭氏陽(yáng)性菌）和脂多糖（革蘭氏陰性菌）等益生菌細(xì)胞壁成分與消化道上皮細(xì)胞和樹(shù)突細(xì)胞模式識(shí)別受體相互作用，促使后者產(chǎn)生黏液或防御素［28］。此外，益生菌產(chǎn)生的細(xì)菌黏附素如黏液結(jié)合蛋白也有利于其結(jié)合宿主樹(shù)突細(xì)胞，從而發(fā)揮其吞噬作用［29］。第三，益生菌可能通過(guò)調(diào)控宿主特異性免疫功能來(lái)發(fā)揮作用，主要表現(xiàn)在乳酸菌對(duì)腸淋巴組織的調(diào)控作用［30］。乳酸菌的免疫活性不僅體現(xiàn)在調(diào)控Toll樣受體（TLR）表達(dá)、激活樹(shù)突細(xì)胞和自然殺傷細(xì)菌等非特異性免疫反應(yīng)，還體現(xiàn)在調(diào)控調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）應(yīng)答以及特異性免疫球蛋白A的分泌等免疫反應(yīng)［31］。例如，脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）［32］及梭菌屬（Clostridium）IV［33-34］等能夠提高無(wú)菌小鼠結(jié)腸Treg細(xì)胞的數(shù)量；嬰兒型雙歧桿菌（Bifidobacterium infantis）能夠促進(jìn)感染沙門(mén)氏菌的小鼠消化道Treg細(xì)胞的生成［35］；健康的人服用嬰兒型雙歧桿菌35624 后，其Treg細(xì)胞表達(dá)量提高。此外，其外周血液中的白介素-10分泌功能增加［36］。盡管在人類(lèi)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上的研究一定程度上揭示了益生菌的作用機(jī)制，但上述機(jī)制是否同樣能夠解釋益生菌與畜禽消化道微生物的相互作用，還有待于進(jìn)一步探索。

2 益生菌調(diào)控幼齡畜禽消化道微生物的研究進(jìn)展

基于高通量測(cè)序技術(shù)研究益生菌調(diào)控幼齡畜禽消化道微生物的報(bào)道主要集中在近10年，但總體研究數(shù)量仍比較少。在仔豬和雛雞上研究應(yīng)用較多的益生菌包括乳桿菌屬、腸球菌屬及芽孢桿菌屬等；在幼齡反芻動(dòng)物上研究應(yīng)用較多的益生菌為酵母。上述益生菌的主要益生作用體現(xiàn)在提高幼齡畜禽消化道有益微生物的豐度，降低有害微生物的豐度。但在不同動(dòng)物品種之間，具體益生作用有較大的區(qū)別，一方面是由于不同動(dòng)物使用的益生菌菌種/株存在差異；另一方面是由于不同動(dòng)物消化道微生物存在差異。因此，本節(jié)將圍繞不同益生菌對(duì)不同品種的幼齡動(dòng)物（仔豬、雛雞及反芻動(dòng)物）消化道微生物組成的影響作具體闡述。

2.1 益生菌調(diào)控仔豬消化道微生物的研究

在仔豬上研究應(yīng)用的益生菌主要包括乳桿菌屬（Lactobacillus）［37-39］、腸球菌屬（Enterococcus）［40-43］、芽 孢 桿 菌 屬（Bacillus）［44-45］以 及 丙 酸 桿 菌屬（Propionibacterium）［46］（ 表 1）。 上 述 益 生 菌調(diào)控仔豬消化道微生物的主要作用包括提高了普 雷 沃 氏 菌 科（Prevotellaceae）［39］、 雙 歧 桿 菌科（Bifidobacteriaceae）［39］、 小 桿 菌 屬（Dialisterspp.）［38］和光岡菌屬（Mitsuokellaspp.）［38］、乳桿菌目 /屬［40，42，44］和梭菌屬（Clostridium）的相對(duì)豐度。其中，普遍認(rèn)為普雷沃氏菌是畜禽消化道中的一類(lèi)有益微生物，與分解植物源的飼料成分密切相關(guān)［47］；雙歧桿菌也是人和動(dòng)物消化道菌群的重要組成成員之一，其能夠分解碳水化合物生成乳酸，對(duì)于維持消化道健康和菌群穩(wěn)定具有重要作用［48］；小桿菌屬與消化道短鏈脂肪酸產(chǎn)量呈正相關(guān)，對(duì)于維持消化道免疫功能具有重要作用［49］；光岡菌屬中的M.jalaludinii菌種具有分解植酸磷的作用［50］。除提高有益微生物的相對(duì)豐度外，上述益生菌能夠降低腸桿菌科（Enterobacteriaceae）［38］、韋榮氏球菌科（Veillonellaceae）［41］、假單胞菌屬（Pseudomonas）［43］、變形菌門(mén)（Proteobacteria）和放線菌門(mén)（Actinobacteria）的相對(duì)豐度。腸桿菌科包含的大腸桿菌（Escherichia coli）存在多個(gè)致病性菌株，如大腸桿菌O157∶H7和S102-9，可引起動(dòng)物感染性腹瀉或腸炎［51-52］；韋榮氏球菌科可能會(huì)引起消化道膽酸濃度過(guò)高，影響消化道健康，也是炎癥性腸炎的標(biāo)記物之一［53-54］。然而也有研究表明，添加益生菌對(duì)仔豬消化道微生物無(wú)顯著影響［37，46］，說(shuō)明了益生菌和宿主及微生物之間互作的復(fù)雜性，受到益生菌的類(lèi)型、添加方法、劑量及動(dòng)物因素（如品種、飼養(yǎng)方式和試驗(yàn)周期）等的影響。

表1 基于高通量測(cè)序技術(shù)應(yīng)用益生菌調(diào)控仔豬消化道微生物的研究

2.2 益生菌調(diào)控雛雞消化道微生物的研究

與仔豬上的研究類(lèi)似，肉雞飼糧中常用的益生菌包括乳桿菌［55-58］、腸球菌［59-60］、芽孢桿菌［61-63］及多菌種的組合［64-65］（表2）。益生菌對(duì)雛雞消化道微生物的影響主要體現(xiàn)在降低了潛在病原微生物的相對(duì)豐度，如羅伊氏乳桿菌KUB-AC5降低了回腸食糜氣單胞菌屬（Aeromonas）和彎曲桿菌目（Campylobacterales）的相對(duì)豐度［55］；屎腸球菌（E.faecium）NCIMB 10415降低了排泄物中埃希-志賀菌屬（Escherichia-Shigella）［60］。氣單胞菌屬和彎曲菌目是雞肉中常見(jiàn)的病原微生物［66］，彎曲桿菌屬是最常見(jiàn)的食物源性病原微生物［67］，能夠引起一系列人類(lèi)消化道疾病，而家禽及其產(chǎn)品是重要的彎曲桿菌感染源［68］。此外，埃希-志賀菌屬也包含了大量潛在病原微生物，如上述致病性大腸桿菌（E.coliO157∶H7、E.coliS102-9），因此，降低這些潛在病原微生物的相對(duì)豐度，對(duì)于降低家禽消化道疾病風(fēng)險(xiǎn)，提高其免疫性能及生產(chǎn)性能具有重要意義。另一方面，添加益生菌后，乳桿菌、瘤胃球菌、腸球菌等豐度升高。上述益生作用可能與益生菌促進(jìn)消化道免疫功能有關(guān)，如添加乳桿菌［58，69］、腸球菌［59，70］，梭菌屬［71］或復(fù)合益生菌能夠提高雛雞血清免疫球蛋白M、A、G的濃度，進(jìn)而降低了致病菌的數(shù)量。此外，添加益生菌能夠提高雛雞空腸黏膜免疫型免疫球蛋白A［72］、杯狀細(xì)菌數(shù)量和中性黏液的產(chǎn)量［73-74］，上述免疫相關(guān)物質(zhì)均能夠保護(hù)禽類(lèi)腸黏膜免受有害菌的破壞，從而保持黏膜穩(wěn)態(tài)［70］。

2.3 益生菌調(diào)控幼齡反芻動(dòng)物消化道微生物的研究

幼齡反芻動(dòng)物由于瘤胃尚未完全發(fā)育，其消化道結(jié)構(gòu)類(lèi)似于單胃動(dòng)物［75］。研究表明，犢牛出生后1-3 d內(nèi)，瘤胃中已經(jīng)存在以變形菌門(mén)、硬壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)為主的大量微生物［76］，說(shuō)明這些微生物可能在瘤胃發(fā)育及功能完善的過(guò)程中起到重要作用。飼糧因素如益生菌對(duì)幼齡反芻動(dòng)物消化道微生物的研究仍較少，研究表明，代乳粉中添加5種益生菌組合，包括解淀粉芽胞桿菌（B. amyloliquefaciens）H57、小孔芽孢桿菌（B. foraminis）VTM4R85、堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌（B. firmus）VTM2R84、地衣芽孢桿菌（B.licheniformis）VTM2R66、地衣芽孢桿菌VTM1R74和腐生葡萄球菌（Staphylococcus saprophyticus bovis）VTM1R96能夠提高新生羔羊瘤胃液中普雷沃氏菌科、瘤胃球菌科相對(duì)豐度，降低毛螺菌科的相對(duì)豐度［77］；新生犢牛代乳粉中添加布拉迪酵母（S.boulardii）CNCM I-1079，瘤胃液中只有瘤胃球菌科UCG-008相對(duì)豐度顯著降低，其他微生物相對(duì)豐度沒(méi)有變化。此外，布拉迪酵母CNCM I-1079［78］顯著降低了盲腸黏膜鏈球菌屬（Streptococcus）的相對(duì)豐度，鏈球菌屬中有多個(gè)菌種具有致病性，如釀膿鏈球菌（S.pyogenes）和肺炎鏈球菌（S.pneumoniae）；降低了回腸黏膜艱難梭菌屬（Peptoclostridium）的相對(duì)豐度，艱難梭菌屬是引起腹瀉的一種病原菌［79］；提高了回腸黏膜纖維桿菌屬（Fibrobacter）、羅斯氏菌屬（Roseburia）和歐氏菌屬（Olsenella）的相對(duì)豐度，羅斯氏菌是一種產(chǎn)丁酸菌，不僅能夠?yàn)橄兰?xì)胞提供能量，而且還具有抗炎癥的作用，有利于維持正常免疫功能［80-81］；歐氏菌是一種乳酸菌，具有耐膽汁酸的特性且能夠利用黏蛋白［82-83］。但也有研究表明，或布拉迪酵母CNCM I-1079對(duì)犢牛糞便微生物無(wú)顯著影響［84］，這可能是由于糞便微生物并不能夠代表整個(gè)消化道的微生物變化情況。相比較在仔豬和雛雞上開(kāi)展的大量益生菌調(diào)控消化道微生物的效果研究，益生菌調(diào)控幼齡反芻動(dòng)物的研究仍處在起步階段。基于此，有必要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究，為合理有效使用益生菌促進(jìn)幼齡反芻動(dòng)物長(zhǎng)期健康和提高其生產(chǎn)性能奠定基礎(chǔ)。

表2 基于高通量測(cè)序技術(shù)應(yīng)用益生菌調(diào)控雛雞消化道微生物的研究

3 未來(lái)研究方向

大量研究表明，益生菌具有替代抗生素的潛力。但由于目前對(duì)于益生菌的作用機(jī)制尚未完全明確，因此在一定程度上限制了益生菌的合理有效利用。為解決這一問(wèn)題，今后需要更多研究來(lái)闡明益生菌與消化道微生物互作，以及這種互作如何進(jìn)一步影響畜禽消化道功能和健康及生產(chǎn)性能。

第一，除了明確益生菌對(duì)消化道微生物組成的影響之外，還需要進(jìn)一步明確其對(duì)消化道微生物功能的影響，因?yàn)樽罱K在生態(tài)系統(tǒng)中起重要作用的是微生物功能，而不是其組成［85］。事實(shí)上，已有研究表明環(huán)境微生物的功能與其組成相比更具有保守性和相關(guān)性［86-87］。由此可推斷，益生菌引起的微生物組成上的變化并不一定能夠引起或反映功能的變化。因此，今后需要更多基于宏基因組或宏轉(zhuǎn)錄組的研究，來(lái)探索益生益引起的微生物相關(guān)基因或轉(zhuǎn)錄因子的變化，從而幫助我們更好地理解益生菌和微生物之間的互作。

第二，益生菌的益生作用不應(yīng)僅限于在健康動(dòng)物上的研究，還需要研究在非正常狀態(tài)（如應(yīng)激/疾?。┫碌淖饔眯Ч陔u［88］、豬［89］和犢牛［90］上的研究表明，益生菌對(duì)于健康動(dòng)物消化道微生物的作用效果并不一定能在應(yīng)激或疾病狀態(tài)下表現(xiàn)出來(lái)，這可能是因?yàn)樵诓煌】禒顟B(tài)下動(dòng)物消化道微生物群落也存在差異，因此需要明確在不同健康狀態(tài)下動(dòng)物消化道的核心微生物組成，從而為精確篩選益生菌菌株，有效調(diào)控消化道微生物，為治療疾病或緩解應(yīng)激奠定基礎(chǔ)。

第三，相比在仔豬和雛雞上面的研究，益生菌對(duì)幼齡反芻動(dòng)物消化道微生物的影響仍較為有限。反芻動(dòng)物擁有獨(dú)特的消化道結(jié)構(gòu)，瘤胃微生物能夠發(fā)酵利用高纖維素含量的飼料［91］；另一方面，由于瘤胃微生物的存在，外源益生菌可能由于競(jìng)爭(zhēng)或不適應(yīng)瘤胃特殊的環(huán)境（溫度、pH）而無(wú)法定植［92］，因此有必要充分研究益生菌和瘤胃微生物的互作，從而開(kāi)發(fā)能夠適應(yīng)瘤胃環(huán)境且能有效調(diào)控瘤胃發(fā)酵功能的益生菌。

第四，除微生物因素外，宿主遺傳因素以及環(huán)境因素也會(huì)影響益生菌的作用效果，在小鼠上的研究表明，上述因素是造成微生物個(gè)體差異的重要原因［93］。近年來(lái)研究也表明了宿主遺傳因素對(duì)牛瘤胃微生物的個(gè)體差異存在顯著影響［94-95］，在牛上有些可遺傳的微生物與SNP（單核苷酸多態(tài)性）存在相關(guān)性［96］；當(dāng)然，也有研究表明雞的消化道微生物不受宿主遺傳因素（SNP）的影響［97］，造成上述研究結(jié)果存在差異的原因仍不明確，因此還需要繼續(xù)探索環(huán)境（如養(yǎng)殖場(chǎng)和飼糧）和宿主遺傳因素（如品種和性別）如何決定個(gè)體微生物差異，以及后者如何影響益生菌調(diào)控效果，從而有針對(duì)性地篩選益生菌，促進(jìn)動(dòng)物健康和生產(chǎn)性能。

4 小結(jié)

益生菌能夠有效提高畜禽健康和生長(zhǎng)性能，盡管其調(diào)控機(jī)制尚未明確，但益生菌和消化道微生物互作可能很大程度上決定了益生菌的有益作用效果。目前關(guān)于益生菌和幼齡畜禽消化道微生物互作的研究非常有限，在一定程度上限制了益生菌的有效應(yīng)用。組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為更深入了解益生菌的作用效果和機(jī)制提供了可能，因此，今后有必要利用多組學(xué)技術(shù)，針對(duì)性地研究具體的益生菌菌株、宿主因素等如何影響幼齡畜禽消化道微生物的組成和功能。