反芻動物胃腸道微生物與肉品質(zhì)之間關(guān)聯(lián)的研究進(jìn)展及其可能機(jī)制

趙相超 萬發(fā)春 沈維軍 王 祚

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,岳麓山實(shí)驗(yàn)室,長沙 410128)

肉品質(zhì)是反芻動物肉用性能的關(guān)鍵指標(biāo),隨著近幾十年國內(nèi)肉類生產(chǎn)效率穩(wěn)步提高,消費(fèi)者也愈加關(guān)注肉類產(chǎn)品的質(zhì)量。肉品質(zhì)的形成是一個復(fù)雜的過程,它涉及到多種化合反應(yīng)以及脂肪細(xì)胞和肌細(xì)胞的增殖分化,并受多種激素、酶和轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。有研究證明,單胃動物肉品質(zhì)與腸道微生物存在一定的關(guān)聯(lián),腸道微生物群落會影響三元雜豬脂肪沉積、腰重等胴體品質(zhì)的遺傳性狀,利用微生物也可以對豬的脂肪沉積、大理石花紋和腹重等性狀進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測[1-3]。針對反芻動物進(jìn)行的相關(guān)研究主要集中在瘤胃,脂肪相關(guān)性狀不同的反芻動物瘤胃微生物具有顯著差異[4-6]。反芻動物胃腸道微生物是影響動物生產(chǎn)與健康的重要因素,它們參與宿主物質(zhì)代謝、消化吸收以及免疫等生理活動。深入研究反芻動物胃腸道微生物與肉品質(zhì)關(guān)聯(lián)機(jī)制,對于了解反芻動物肉品質(zhì)形成機(jī)理以及探索提升肉質(zhì)的新措施具有積極意義。本文綜述了反芻動物胃腸道微生物與肉品質(zhì)之間關(guān)聯(lián)的研究進(jìn)展,并探討了可能的相關(guān)機(jī)制。

1 反芻動物肉品質(zhì)及其形成因素

肉品質(zhì)很大程度上是通過感官來定義的,肉品質(zhì)指標(biāo)主要分為感官指標(biāo)、加工指標(biāo)和營養(yǎng)指標(biāo)。感官指標(biāo)包括大理石花紋、肉色、pH和嫩度等,加工指標(biāo)包括剪切力和系水力等,營養(yǎng)指標(biāo)則是指在動物肉中包含的蛋白質(zhì)、維生素、氨基酸和脂肪酸等[7-12]。大理石花紋是肌肉內(nèi)脂肪沉積的直觀表現(xiàn),與脂肪含量成正比。肉色主要由肌細(xì)胞中肌紅蛋白氧化程度決定,不同的肌細(xì)胞數(shù)量和不同的肌紅蛋白含量都會影響肉色。動物屠宰前肌肉的pH偏中性,屠宰后因動物肌肉中產(chǎn)生大量乳酸而使得pH下降。決定嫩度的主要因素是結(jié)締組織含量、肌纖維類型和肌纖維蛋白質(zhì)氧化水解情況等,也包括脂肪含量對肉制品口感的影響。剪切力和系水力與嫩度高度相關(guān),影響因素同樣是結(jié)締組織含量、肌纖維結(jié)構(gòu)和肌肉中蛋白質(zhì)的情況。脂肪和肌纖維是影響肉色、嫩度、剪切力以及系水力等多個肉品質(zhì)指標(biāo)的2個主要的關(guān)鍵因素,同時脂肪含量也是大部分國家和地區(qū)對肉品質(zhì)的主要判斷指標(biāo)[13-15],以往對反芻動物脂肪和肌纖維的研究通常以品種、年齡、飼喂?fàn)I養(yǎng)、飼養(yǎng)環(huán)境和飼養(yǎng)管理等因素為重點(diǎn),而近年陸續(xù)有研究發(fā)現(xiàn),胃腸道微生物與反芻動物肉品質(zhì)存在一定關(guān)聯(lián),并且胃腸道微生物與反芻動物肉品質(zhì)關(guān)聯(lián)的大部分研究均集中在脂肪沉積方面。

2 反芻動物胃腸道微生物組成與功能

反芻動物胃腸道微生物大部分為細(xì)菌,其中厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)和纖維桿菌門(Fibrobacteres)占反芻動物胃腸道中全部細(xì)菌的60%左右,其他的細(xì)菌門類包括少量柔膜菌門(Tenericutes)和放線菌門(Actinobacteria)等[16]。瘤胃是反芻動物特有的消化器官,其中定植著大量的微生物。瘤胃微生物可以幫助宿主利用纖維類物質(zhì)、發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acids,VFAs)和氫化脂肪酸等[17]。VFAs是宿主主要的能量來源,對宿主的代謝有直接的影響,而瘤胃是反芻動物消化道微生物發(fā)酵產(chǎn)生VFAs的主要場所[15]。反芻動物腸道微生物數(shù)量少于瘤胃微生物,它們同樣具有產(chǎn)生VFAs和氫化脂肪酸等功能,但它們更多參與的是多糖和氨基酸代謝[18-20]。此外,腸道微生物可以幫助宿主建立腸道免疫系統(tǒng),維持腸道健康[21]。

3 反芻動物胃腸道微生物與肉品質(zhì)的關(guān)聯(lián)研究

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有許多研究證明了人類肥胖和骨骼肌發(fā)育與腸道微生物有關(guān)[22-29],而單胃動物腸道微生物與脂肪沉積的關(guān)聯(lián)也是近幾年的研究熱點(diǎn)[1,3,30]。相比之下,反芻動物胃腸道微生物與肉品質(zhì)關(guān)聯(lián)的相關(guān)研究較少且主要集中于瘤胃微生物與脂肪相關(guān)肉品質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)。

Krause等[4]對24頭飼喂相同飼糧的安格斯牛進(jìn)行了瘤胃微生物和肉品質(zhì)差異性比較以及相關(guān)性分析,結(jié)果表明:反映瘤胃微生物豐富度的Chao1指數(shù)和操作分類單元(OTU)數(shù)量以及反映瘤胃微生物多樣性的Pdive指數(shù)與大理石花紋評分和背最長肌脂肪含量均呈正相關(guān);經(jīng)過分析,共有1個門、2個綱、3個科和9個屬的瘤胃微生物與背最長肌脂肪含量和大理石花紋評分具有顯著正相關(guān)性(表1),同時還發(fā)現(xiàn)放線菌門、雙歧桿菌科(Bifidobacteriaceae)、丹毒絲菌科(Erysipelotrichaceae)、消化鏈球菌屬(Peptostreptococcus)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)以及消化球菌屬(Peptococcus)等多類瘤胃微生物與背最長肌第12肋脂厚呈正相關(guān)。Kim等[5]對飼喂相同飼糧的韓國本土的肉牛品種進(jìn)行了瘤胃微生物與大理石花紋評分的差異性比較和相關(guān)性分析,并對具有顯著相關(guān)性的微生物屬進(jìn)行了匯總(表1),結(jié)果表明:高評分大理石花紋組的擴(kuò)增子測序變異體和Chao1指數(shù)均高于低評分大理石花紋組,在高評分大理石花紋組中疣微菌門(Verrucomicrobia)、紫單胞菌科(Porphyromonadaceae)和顫螺旋菌屬(Oscillospira)豐富度高于低評分大理石花紋組。Zhang等[6]對飼喂相同飼糧的湖羊進(jìn)行了瘤胃微生物群落與脂肪沉積差異性比較和相關(guān)性分析,結(jié)果表明:低脂肪沉積組湖羊瘤胃微生物和高脂肪沉積組湖羊的瘤胃微生物的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)具有顯著差異,2個指數(shù)均代表微生物多樣性。低脂肪沉積組湖羊的瘤胃內(nèi)普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)和毛螺菌科(Lachnospiraceae)的豐富度高于高脂肪沉積組,而高脂肪沉積組湖羊瘤胃內(nèi)瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)豐富度更高。

綜上所述,反芻動物瘤胃微生物與肉品質(zhì)關(guān)聯(lián)的研究較少且起步較晚,研究內(nèi)容集中在脂肪沉積不同的反芻動物瘤胃微生物之間的差異性以及相關(guān)性分析。為了加深反芻動物胃腸道微生物與肉品質(zhì)之間關(guān)聯(lián)的認(rèn)識并為反芻動物肉品質(zhì)調(diào)控提供新策略,許多相關(guān)問題需要在未來得到進(jìn)一步研究揭示:例如反芻動物腸道微生物是否也與肉品質(zhì)存在關(guān)聯(lián)?反芻動物胃腸道微生物與脂肪沉積相關(guān)之外的肌纖維指標(biāo)、感官指標(biāo)、加工指標(biāo)和其他營養(yǎng)指標(biāo)等是否存在關(guān)聯(lián)?反芻動物胃腸道微生物與肉品質(zhì)之間具體的關(guān)聯(lián)機(jī)制是怎樣的?

4 反芻動物胃腸道微生物通過調(diào)控宿主脂肪代謝影響肉品質(zhì)的可能機(jī)制

4.1 反芻動物胃腸道微生物代謝產(chǎn)物作為底物參與甘油三酯(TG)合成

脂肪是由甘油和長鏈脂肪酸形成的TG,其在反芻動物肝臟和脂肪組織中合成之后儲存在脂肪組織,進(jìn)而對肉制品的大理石花紋、嫩度和剪切力等指標(biāo)產(chǎn)生影響。動物自身合成的脂肪酸和通過飼料攝入體內(nèi)的脂肪酸均可用于TG的合成,而反芻動物胃腸道微生物,尤其是瘤胃微生物的主要代謝產(chǎn)物VFAs正是合成TG的重要原料之一。

續(xù)表1項(xiàng)目Items分類水平 Taxonomic level門 Phylum綱 Class目 Order科 Family屬 Genus相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient參考文獻(xiàn)Reference背脂厚 Backfat thickness厚壁菌門Firmicutes芽孢桿菌綱 Bacillibacteria乳桿菌目Lactobacillales鏈球菌科Streptococcaceae鏈球菌屬Streptococcus-0.570 [5]變形菌門Proteobacteriaγ-變形菌綱 Gammaproteo-bacteria氣單胞菌目Aeromonadales琥珀酸弧菌科Succinivibrionaceae反芻桿菌屬Ruminobacter-0.570 [5]

4.1.1 乙酸參與TG合成

反芻動物胃腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生的乙酸是反芻動物合成TG的重要前體,在脂肪合成中起著極其關(guān)鍵的作用。乙酰輔酶A(CoA)是脂肪酸合成的原料,因?yàn)槿鄙貯TP檸檬酸裂解酶,反芻動物無法將葡萄糖作為乙酰CoA的主要來源,所以乙酸成為了反芻動物合成乙酰CoA的重要物質(zhì)。微生物發(fā)酵產(chǎn)生的乙酸被瘤胃直接吸收利用,在乙酰CoA合成酶的作用下,乙酸在胞漿中轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴oA,然后被用于脂肪酸的合成,從而影響到肉品質(zhì)(圖1)。能夠發(fā)酵產(chǎn)生乙酸的微生物有很多,醋酸桿菌屬(Acetobacter)、熱厭氧單胞菌屬(Thermoanaerobacter)以及消化鏈球菌屬是主要的產(chǎn)乙酸菌屬,紫單胞菌科、擬桿菌科(Bacteroidaceae)以及理研菌科(Rikenellaceae)的部分菌屬也具有發(fā)酵產(chǎn)生乙酸的能力[31-33],其中紫單胞菌科、擬桿菌科、理研菌科和消化鏈球菌屬等瘤胃細(xì)菌與安格斯牛和韓牛的大理石花紋呈正相關(guān)[4-5],這說明它們在瘤胃中能夠通過發(fā)酵產(chǎn)生乙酸影響TG的合成。

4.1.2 丙酸參與TG的合成

丙酸在反芻動物代謝中的主要作用是通過糖異生途徑生成葡萄糖以及參與三羧酸循環(huán)[34],而肝臟糖異生是反芻動物主要的葡萄糖來源[35]。葡萄糖與脂代謝關(guān)系密切,磷酸二羥丙酮(dihydroxyacetone phosphate,DHAP)和丙酮酸等是葡萄糖氧化分解的產(chǎn)物。DHAP是合成三酰甘油酯的重要合成前體,在甘油-3-磷酸脫氫酶的催化下DHAP還原生成L-甘油-3-磷酸,再參與生成TG,丙酮酸則是乙酰CoA的生成前體物之一(圖1)。雖然反芻動物缺少ATP檸檬酸裂解酶,但是仍然可以利用丙酮酸合成少量的乙酰CoA。此外,葡萄糖在戊糖磷酸途徑生成磷酸核糖的過程中產(chǎn)生的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)+H+為脂肪酸合成過程中的還原反應(yīng)提供了還原當(dāng)量。主要產(chǎn)生丙酸的微生物是丙酸桿菌屬(Propionibacterium)和韋榮氏菌科(Veillonellaceae)[36-37]。其中僅有屬于韋榮氏菌科的新月單胞菌屬(Selenomonas)與安格斯肉牛大理石花紋呈正相關(guān)[4],這可能說明丙酸并非反芻動物合成TG的主要VFAs。

4.1.3 丁酸參與TG的合成

除了乙酸與丙酸,丁酸同樣能夠以底物的身份參與反芻動物TG合成[38]。丁酸是反芻動物酮體生成的前體物,瘤胃上皮細(xì)胞吸收的丁酸大部分都轉(zhuǎn)化為酮體,且轉(zhuǎn)化的酮體大部分為β-羥丁酸(β-hydroxybutyric acid,β-HB),少部分為乙酰乙酸和丙酮[39](圖1)。乙酰乙酸在琥珀酰CoA轉(zhuǎn)移酶和硫解酶先后的催化下生成乙酰CoA參與脂肪酸的合成或者三羧酸循環(huán),而β-HB是乙酰乙酸生成的前體物。產(chǎn)生丁酸的微生物有假丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、丁酸弧菌屬、梭菌屬(Clostridium)、優(yōu)桿菌屬(Eubacterium)、梭桿菌屬(Fusobacterium)、氨基酸球菌屬(Megasphaera)以及八疊球菌屬(Sarcina)等[40]。假丁酸弧菌屬和丁酸弧菌屬屬于毛螺旋菌科(Lachnospiraceae),梭菌屬、優(yōu)桿菌屬和八疊球菌屬屬于梭菌科(Clostridiaceae),氨基酸球菌屬屬于韋榮氏菌科(Veillonellaceae)。雖然上述研究中并未出現(xiàn)發(fā)酵產(chǎn)生丁酸的主要瘤胃菌屬,但是多次出現(xiàn)它們所屬的菌科(表1),這可能說明丁酸在反芻動物合成TG途徑中同樣扮演重要角色。

綜上所述,反芻動物胃腸道微生物,特別是瘤胃微生物發(fā)酵所產(chǎn)生的VFAs可以作為長鏈脂肪酸合成原料來參與脂肪的調(diào)控,其中以VFAs合成乙酰CoA為主要的參與方式。動物體內(nèi)TG合成的相關(guān)研究已經(jīng)比較完善,接下來應(yīng)深入探究參與合成TG的VFAs主要由哪些微生物發(fā)酵產(chǎn)生,能否通過人為調(diào)控這些微生物來影響TG合成。

4.2 反芻動物胃腸道微生物代謝產(chǎn)物通過信號通路影響脂肪沉積的可能機(jī)制

反芻動物脂肪細(xì)胞的大小和數(shù)量是影響脂肪含量的重要因素,脂肪細(xì)胞通過改變自身體積和數(shù)量來改變能量儲存效率,從而使得機(jī)體脂肪組織發(fā)生變化。以腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)、過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor,PPAR)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)等為代表的多種信號通路可以對脂肪沉積和脂肪細(xì)胞分化進(jìn)行調(diào)控,而VFAs為主的胃腸道微生物代謝產(chǎn)物是調(diào)控信號通路的重要因素。雖然針對反芻動物胃腸道微生物經(jīng)由各類信號通路調(diào)控宿主脂肪機(jī)制的研究較少,但在其他動物或者細(xì)胞體外試驗(yàn)的研究中所發(fā)現(xiàn)的消化道微生物參與調(diào)控宿主脂肪代謝的某些機(jī)制可以作為有效參考。

4.2.1 G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor,GPR)

GPR41和GPR43是在多個水平上均有表達(dá)的短鏈脂肪酸受體[41-42],在胃腸道微生物調(diào)控信號通路的過程中起著關(guān)鍵作用。研究表明,丁酸能夠結(jié)合GPR41和GPR43來降低脂蛋白脂肪酶(lipoprteinlipase,LPL)表達(dá)水平,進(jìn)而抑制肝臟的脂肪合成和脂肪細(xì)胞分化[43]。Asano等[44]研究發(fā)現(xiàn),鼠腸道中的細(xì)菌科RF32有助于降低小鼠肥胖,這可能是RF32產(chǎn)生的丁酸結(jié)合GPR41后激活交感神經(jīng),增加其他代謝途徑的能量消耗,減少機(jī)體對脂肪合成途徑的能量供應(yīng),從而達(dá)到抑制效果[45]。此外,乙酸有促進(jìn)腸道L細(xì)胞分泌胰高血糖素樣肽(glucagon-like peptide,GLP)-1、降低動物食欲以減少脂肪沉積的功能,這可能也是通過結(jié)合GPR43或GPR41完成的[46]。

4.2.2 AMPK信號通路

AMPK是調(diào)控脂肪沉積與脂肪細(xì)胞增殖分化的重要因素。研究表明,激活大鼠肝癌細(xì)胞中的AMPK會抑制固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白(sterol-regulatory element binding protein,SREBP)-1c的表達(dá),SREBP-1c是肝臟成脂基因表達(dá)的重要因子,它的表達(dá)被抑制會較少肝臟脂肪酸的合成[47](圖2)。Wang等[48]研究表明,植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)69-2和半乳寡糖結(jié)合會降低衰老小鼠肝臟的脂肪合成,這可能是因?yàn)槎叩慕Y(jié)合增加了腸道中丁酸的產(chǎn)生,進(jìn)而增加肝臟AMPK和沉寂信息調(diào)節(jié)因子(silent information regulator,SIRT)1的活性,AMPK和SIRT1同時激活可以提高肝臟氧化活性,從而減少脂肪合成[49]。Heimann等[50]研究證明,丁酸可以通過影響老鼠的乙酰CoA羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)1磷酸化來抑制脂肪合成,這可能是丁酸通過增加AMPK活性,下調(diào)了ACC和長鏈脂肪酸從頭合成的限速酶肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶(carnitine palmitoyl transterase,CPT)-1活性,從而抑制了脂肪的合成[51]。脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是革蘭氏陰性菌外壁的獨(dú)特成分,在革蘭氏陰性菌生長、發(fā)育和凋亡的過程中部分LPS會被釋放到胃腸道中并穿過胃腸道屏障通過血液到達(dá)細(xì)胞。研究表明,LPS處理后的前脂肪細(xì)胞出現(xiàn)增殖和成脂作用加強(qiáng)的表現(xiàn),這可能是LPS上調(diào)細(xì)胞中非受體型蛋白酪氨酸激酶(tyrosine kinase,JAK)/信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白(signal transducer and activator of transcription,STAT)和AMPK依賴的前脂肪細(xì)胞質(zhì)中磷脂酶A2(cytosolic phospholipase A2,cPLA2)的表達(dá),從而促進(jìn)了前脂肪細(xì)胞增殖和成脂[52]。

4.2.3 PPAR信號通路

PPAR可以在轉(zhuǎn)錄水平上通過調(diào)節(jié)多種不同信號通路進(jìn)而調(diào)控目標(biāo)基因表達(dá),是調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞分化以及棕色脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,它有PPARα、PPARβ/δ和PPARγ 3種亞型[53]。Yang等[54]研究發(fā)現(xiàn),腸膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroide)EH-1產(chǎn)生的丁酸降低了腎衰小鼠的腹部脂肪沉積,這可能是丁酸通過激活游離脂肪酸受體(free fat acid receptor,FFAR)2來抑制PPARγ在脂肪細(xì)胞中的表達(dá),從而抑制小鼠腹部脂肪沉積[55](圖2)。還有研究表明,乙酸和丁酸可以顯著提高前體脂肪細(xì)胞PPARγ和CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(CCAAT enhancer binding proteins,C/EBPs)mRNA表達(dá)量,促進(jìn)脂肪細(xì)胞的分化[56-57]。C/EBPs的活化是乙酸激活前脂肪細(xì)胞上的GPR43后,GPR43的不同亞基分別從不同途徑活化環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)完成的,而PPARγ和C/EBPs協(xié)同作用則可以促進(jìn)棕色脂肪組織細(xì)胞分化,以及促進(jìn)棕色脂肪細(xì)胞中線粒體內(nèi)膜解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein,UCP)-1的mRNA表達(dá),影響棕色脂肪細(xì)胞的形態(tài)變化[58]。

4.2.4 mTOR信號通路

mTOR是參與轉(zhuǎn)錄、翻譯、核糖體合成等多個生物過程的關(guān)鍵蛋白[59]。研究表明,乙酸可以通過減少SREBP-1的表達(dá)來減少機(jī)體的脂肪沉積[60-61]。這可能是乙酸抑制mTOR磷酸化之后,SREBP-1表達(dá)量的降低,使得參與脂肪酸從頭合成的脂肪酸合成酶(fatty acid synthetase,FAS)和ACC基因的轉(zhuǎn)錄活性降低,同時抑制FAS和ACC激活PPARγ的作用,從而降低細(xì)胞對TG的儲存作用和動物體內(nèi)脂肪的轉(zhuǎn)化效率[62-63](圖2)。此外,Zhao等[64]研究發(fā)現(xiàn),乙酸可能通過mTOR/真核起始因子(eukaryotic initiation factor,eIF)4E信號通路來調(diào)節(jié)脂肪酸從頭合成和去飽和。

綜上所述,胃腸道微生物可以通過以VFAs為主的代謝產(chǎn)物調(diào)控AMPK、PPAR和mTOR等多種信號通路來調(diào)節(jié)動物機(jī)體的脂肪合成和脂肪細(xì)胞的增殖分化。由于VFAs是反芻動物胃腸道微生物,特別是瘤胃微生物的重要代謝產(chǎn)物,因此可以推測反芻動物胃腸道微生物很有可能通過發(fā)酵產(chǎn)生VFAs調(diào)控以上多種信號通路進(jìn)而對脂肪代謝與肉品質(zhì)發(fā)揮作用。

4.3 反芻動物胃腸道微生物對脂肪酸的氫化作用

食用反芻動物肉制品是人類補(bǔ)充共軛亞油酸(conjugated linoleic acid,CLA)的主要途徑,而氫化生成CLA是反芻動物瘤胃微生物對肉品質(zhì)的重要調(diào)控之一。反芻動物胃腸道微生物可以利用生物氫化作用將亞麻酸、亞油酸和油酸等不飽和脂肪酸氫化,從而形成相對飽和的脂肪酸儲存在肉中。丁酸弧菌屬在生物氫化中起重要作用[65],溶纖維丁酸弧菌(Butyrivibriofibrisolvens)是最早分離出的具有氫化作用的胃腸道微生物,它們可以利用異構(gòu)酶將亞油酸異構(gòu)為c-9,t-11-CLA[66]。CLA有助于預(yù)防癌癥、減少動脈粥樣硬化、改善免疫反應(yīng),是反芻動物肉制品營養(yǎng)指標(biāo)的重要成分。因此,氫化作用可能是反芻動物胃腸道微生物通過營養(yǎng)指標(biāo)影響肉品質(zhì)的一個關(guān)鍵途徑[67]。

LPS:脂多糖 lipopolysaccharide;JAK:酪氨酸激酶 tyrosine kinase;STAT:信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白 signal transducer and activator of transcription;cPLA2:細(xì)胞質(zhì)中磷脂酶A2 cytosolic phospholipase A2;AMPK:腺苷酸活化蛋白激酶AMP-activated protein kinase;ACC:乙酰CoA羧化酶 acetyl CoA carboxylase;CPT-1:肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1 carnitine palmitoyl transterase-1;PPAR:過氧化物酶體增殖物激活受體 peroxisome proliferator-activated receptor;mTOR:哺乳動物雷帕霉素靶蛋白mammalian target of rapamycin;SREBP-1:膽固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1 sterol-regulatory element binding protein-1;FAS:脂肪酸合成酶fatty acid synthetase;EBPs:增強(qiáng)子結(jié)合蛋白 enhancer binding proteins;Diet:飼糧;VFAs:揮發(fā)性脂肪酸volatile fatty acids;SIRT1;沉默信息調(diào)節(jié)因子1 silent information regulator 1;Microbe fermentation:微生物發(fā)酵;Cell proliferation:細(xì)胞增殖;Fat deposition:脂肪沉積。

5 反芻動物胃腸道微生物通過調(diào)控肌纖維影響肉品質(zhì)的可能機(jī)制

肌纖維影響反芻動物肉制品的嫩度、系水力和剪切力等多個肉品質(zhì)指標(biāo),是調(diào)控反芻動物肉品質(zhì)的重要因素之一。我們基于反芻動物胃腸道微生物的已有研究與認(rèn)識,結(jié)合其他動物的體內(nèi)或體外試驗(yàn)的研究結(jié)果,探討反芻動物胃腸道微生物通過調(diào)控肌纖維進(jìn)而影響肉品質(zhì)形成的可能機(jī)制。

5.1 通過抑制炎癥來促進(jìn)骨骼肌發(fā)育

骨骼肌由肌纖維構(gòu)成,除了影響肉品質(zhì)外,骨骼肌還可以調(diào)節(jié)動物血糖、氨基酸代謝和能量代謝,是動物機(jī)體最大的代謝器官之一[68-69]。研究發(fā)現(xiàn),炎癥會造成骨骼肌質(zhì)量下降和功能喪失,而保持反芻動物胃腸道微生物區(qū)系穩(wěn)定可以保障消化道屏障的完整性,防止LPS等有害物進(jìn)入血液引發(fā)炎癥反應(yīng),從而保障骨骼肌的正常發(fā)育[70](圖3)。研究證明,AMPK和過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator,PGC)-1α信號通路活性上升時會促進(jìn)細(xì)胞自噬,降低活性氧的產(chǎn)生和氧化應(yīng)激反應(yīng),從而減少炎癥的出現(xiàn)[71-73]。上文提到反芻動物胃腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生的VFAs會影響AMPK的活性,由此可以推測,反芻動物胃腸道微生物可以通過VFAs調(diào)節(jié)AMPK信號通路來影響細(xì)胞炎癥反應(yīng),進(jìn)而調(diào)控骨骼肌發(fā)育,從而影響肉品質(zhì)。此外,微生物還可以通過產(chǎn)生多巴胺、5-羥色胺和γ-氨基丁酸等神經(jīng)中樞系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)腸神經(jīng)系統(tǒng)的活動來緩解氧化應(yīng)激,抑制炎癥反應(yīng)[74-75]。

5.2 對肌細(xì)胞形態(tài)和類型的影響

與脂肪細(xì)胞相似,肌細(xì)胞也受到多種信號通路調(diào)控。Walsh等[76]研究發(fā)現(xiàn),飼喂丁酸鈉可以治療衰老小鼠的后肢肌肉萎縮、提高小鼠肌纖維橫截面積以及抑制肌內(nèi)脂肪沉積,這可能是丁酸提高骨骼肌細(xì)胞乙?；健⒓∪馓禺愋原h(huán)指蛋白(muscle specific ring finger protein,MuRF)1和肌肉萎縮盒F基因(muscle atrophy F-box,MAFbx,Atrogin-1)的表達(dá),并降低肌細(xì)胞生成素(myogenin,MyoG)活性造成的(圖4)。還有研究發(fā)現(xiàn),缺乏AMPK的肌細(xì)胞出現(xiàn)細(xì)胞增大和蛋白質(zhì)合成速率增加的現(xiàn)象,且哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合體1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1)活性增加,這可能表明VFAs可以通過激活A(yù)MPKα1來調(diào)控mTORC1活性,改變肌細(xì)胞大小和細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的含量[77]。此外,Regueira等[78]研究發(fā)現(xiàn),通過激活小鼠肌細(xì)胞的PPARβ/δ可以抑制丙酮酸脫氫酶復(fù)合體(pyruvate dehydrogenase complex,PDHC)的產(chǎn)生,從而增加骨骼肌對丙酮酸的利用率并產(chǎn)生更多的乳酸,增強(qiáng)丙酮酸的利用可以產(chǎn)生更多脂肪,而乳酸的增加改變了肌肉的pH。VFAs作為反芻動物胃腸道微生物的主要發(fā)酵產(chǎn)物,可以調(diào)控mTOR、PPAR等信號通路的活性,這可能是反芻動物胃腸道微生物影響肌纖維形態(tài)的一個途徑。肌纖維分為收縮較慢、氧化較慢的Ⅰ型纖維和收縮較快、氧化較快的Ⅱ型纖維。研究表明,植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)能夠增加小鼠腓腸肌中Ⅰ型纖維的比例[79]。Yan等[80]研究發(fā)現(xiàn),將密螺旋體屬(Treponema)、顫螺旋菌屬(Oscillospira)、瘤胃球菌屬和糞球菌屬(Coprococcus)占比較高的腸道菌群移植到小鼠體內(nèi)后,小鼠骨骼?、裥屠w維的比例增加,Ⅱ型纖維的比例減少,這可能因?yàn)檫@些腸道微生物的變化通過升高了肌球蛋白重鏈(myosinheavychain,MYH)7基因表達(dá)水平和降低MYH4基因表達(dá)水平,改變了肌細(xì)胞的能量代謝,從而造成纖維類型的改變。研究表明,上述4個微生物均存在于反芻動物胃腸道中,并且顫螺旋菌屬和瘤胃球菌屬與肉牛脂肪代謝相關(guān)[5,81-83],這可能說明這4個微生物具有影響反芻動物肌纖維類型的能力,并以此來改變?nèi)馄焚|(zhì)指標(biāo)。

PGC-1α:過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α peroxisome proliferator activated receptor γ coac-tivator-1α;Digestive tract microbes:消化道微生物;Neurotransmitter:神經(jīng)遞質(zhì);Neuron:神經(jīng)元;Digestive barrier:消化道屏障;VFAs:揮發(fā)性脂肪酸 volatile fatty acids;AMPK:腺苷酸活化蛋白激酶AMP-activated protein kinase;PGC-1α:過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α;Enteric nervous system:腸神經(jīng)系統(tǒng);Inflammation:炎癥;Skeletal muscle development:骨骼肌發(fā)育。

基于以上研究報道我們可以推測:反芻動物胃腸道微生物可能通過VFAs等代謝產(chǎn)物調(diào)控AMPK、mTORC1和PPAR等信號通路,從而調(diào)節(jié)肌細(xì)胞發(fā)育以及肌細(xì)胞形態(tài)和肌纖維類型。迄今為止,對于反芻動物肉中脂肪含量的關(guān)注度遠(yuǎn)高于肌纖維含量。然而,肌纖維含量和脂肪含量均是影響反芻動物肉品質(zhì)的關(guān)鍵因素,并且兩者之間是相互影響的。因此,在今后的反芻動物相關(guān)研究中,將二者的互作作為研究對象對深入認(rèn)識反芻動物肉品質(zhì)形成機(jī)制以及相關(guān)調(diào)控具有重要意義。

6 小 結(jié)

已有研究發(fā)現(xiàn)了反芻動物瘤胃微生物與肉品質(zhì)之間的關(guān)聯(lián),參考各類相關(guān)研究可以推測,反芻動物胃腸道微生物可能通過以VFAs為主的多種代謝產(chǎn)物來參與TG合成以及調(diào)控脂肪細(xì)胞與肌細(xì)胞內(nèi)的信號通路,進(jìn)而影響肉品質(zhì)。隨著研究的深入,以下幾個方面需要在未來探究:1)明確反芻動物胃腸道微生物調(diào)控肉品質(zhì)的具體途徑及相關(guān)機(jī)制;2)明確在不同品種、不同年齡和不同飼養(yǎng)環(huán)境等條件下的反芻動物胃腸道微生物對肉品質(zhì)的作用途徑的差異性;3)反芻動物胃腸道微生物對肉品質(zhì)指標(biāo)的不同調(diào)控方式可能會相互矛盾,其最終影響和決定機(jī)制是怎樣的;4)如何利用反芻動物胃腸道微生物影響肉品質(zhì)的機(jī)制進(jìn)行肉品質(zhì)的有效調(diào)控。

MYH7:肌球蛋白重鏈7 myosinheavychain 7;MYH4:肌球蛋白重鏈4 myosin heavy chain 4;PDHC:丙酮酸脫氫酶復(fù)合體 pyruvate dehydrogenase complex;MuRF1:肌肉特異性環(huán)指蛋白1 muscle specific ring finger protein 1;MyoG:肌細(xì)胞生成素myogenin;PPAR:過氧化物酶體增殖物激活受體peroxisome prolif-erator-activated receptor;AMPK:腺苷酸活化蛋白激酶 AMP-activated protein kinase;mTORC1:哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合體1 mammalian target of rapamycin complex 1;Atrogin-1:萎縮素第一型基因;Acetylation:乙?；?Cell area:細(xì)胞面積;Muscle development:肌肉發(fā)育;Cell volume:細(xì)胞體積;Lactic acid:乳酸;utilization of pyruvate:丙酮酸利用;Type Ⅰ fibers:Ⅰ型纖維;Type Ⅱ fibers:Ⅱ型纖維;Treponema: 密螺旋體屬;Oscillospira:顫螺旋菌屬; Ruminococcus: 瘤胃球菌屬;Coprococcus:糞球菌屬;VFAs:揮發(fā)性脂肪酸 volatile fatty acids;Microbes:微生物; Muscle cell:肌細(xì)胞;Results:結(jié)果。