王 志 ,胡仲皓,賀濛初,桂雪兒,朱 杰,馮士彬,李錦春,吳金節(jié)*
(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,安徽合肥 230036;2.安徽省宣城市木子禽業(yè)專業(yè)合作社,安徽宣城 242000)
【研究意義】高尿酸血癥(hyperuricemia)和痛風(fēng)(gout)是嘌呤代謝紊亂和尿酸排泄減少所引起的一組異質(zhì)性疾病[1],飲食[2]、基因[3]或者疾病[4-5]相關(guān)的尿酸產(chǎn)生過多是高尿酸血癥的基礎(chǔ)。高尿酸血癥和痛風(fēng)誘因很多,常見的有高蛋白、高鈣日糧[6],維生素A缺乏,飲水不足,霉菌毒素中毒[7]等?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】駱建兵、朱小甫等[8-9]已證實(shí),日糧中過高的蛋白質(zhì)和鈣會(huì)導(dǎo)致尿酸代謝障礙,引發(fā)雞痛風(fēng)?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來,高通量測(cè)序技術(shù)在盲腸微生物研究中得到廣泛運(yùn)用,逐漸成為研究復(fù)雜盲腸菌群最為有效的手段之一[10]?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)通過在肉仔雞日糧中添加高鈣、高蛋白日糧,構(gòu)建雞高尿酸血癥模型,運(yùn)用高通量測(cè)序技術(shù)分析仔雞盲腸菌群的變化,同時(shí)檢測(cè)反映雞肝腎功能的主要血清生理生化指標(biāo),觀察病理組織學(xué)變化,探討高鈣高蛋白日糧對(duì)雞生長(zhǎng)性能、肝腎功能、血清抗氧化指標(biāo)及盲腸菌群的影響,為臨床上禽高尿酸血癥和禽痛風(fēng)的防治提供試驗(yàn)資料。
取同批次體質(zhì)量相近的健康1日齡的817肉仔雞160只,隨機(jī)分為4組,每組5個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)8只雞。4組分別為對(duì)照組(CP含量21%,Ca含量1%),高蛋白組(CP含量31%,Ca含量1%)、高鈣組(CP含量21%,Ca含量5%)和高蛋白+高鈣組(CP含量31%,Ca含量5%)。日糧組成及營養(yǎng)水平見表1。試驗(yàn)雞采用地面平養(yǎng),自由采食和飲水。各組雞均按照常規(guī)飼養(yǎng)操作規(guī)程和免疫程序進(jìn)行飼養(yǎng)和免疫。
在試驗(yàn)第21 天時(shí)各組隨機(jī)取6 只雞屠宰,收集肝、腎等組織及盲腸內(nèi)容物。宰前禁飼12 h,禁飼期自由飲水。
表1 日糧組成及營養(yǎng)水平(風(fēng)干基礎(chǔ))Tab.1 Composition and nutrient levels of basal diets(air-dry basis)%
1.3.1 生長(zhǎng)性能 每周測(cè)定各組肉仔雞采食量、體增質(zhì)量,計(jì)算的平均日采食量(g/d)、平均日增質(zhì)量(g/d)和料重比(F/G)。
1.3.2 血液測(cè)定指標(biāo) 分別于試驗(yàn)的第10 天、第21 天頸靜脈采血,分離血清,-20 ℃保存。血液生化指標(biāo)用邁瑞B(yǎng)S-220全自動(dòng)生化分析儀測(cè)定,嚴(yán)格參照深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司提供的試劑盒使用說明檢測(cè)血液中谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)、谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)、尿酸(UA)、尿素(UREA)、肌酐(CREA-S)活性或含量。
使用MK3型半自動(dòng)酶聯(lián)免疫分析儀(Thermo,美國)測(cè)定血清中超氧化物歧化酶(SOD),黃嘌呤氧化酶(XOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)、丙二醛(MDA)、總抗氧化能力(T-AOC)的活性或含量。所有試劑盒均購自上海源葉生物科技有限公司,試驗(yàn)嚴(yán)格按照試劑盒的說明書步驟操作。
1.4.1 DNA 提取和16S rRNA 基因擴(kuò)增PCR 反應(yīng) 內(nèi)容物等量混合用于DNA 提取。用E.Z.N.A.?Stool DNA Kit試劑盒抽提仔雞盲腸內(nèi)容物總基因組DNA,采用引物338F(5'-ACTCCTAGGGAGGCAGG-3')和806R(5'-GGACTACHVGGTWTCTAAT-3')擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因v3-v4區(qū)。
1.4.2 PCR 反應(yīng)和高通量測(cè)序分析 采用Illumina Miseq 高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)肉雞盲腸微生物16S rRNA基因的v3-v4區(qū)進(jìn)行了測(cè)序,獲得的序列通過FLASH(v1.2.8)軟件平臺(tái),根據(jù)雙端序列的overlap 關(guān)系,將序列拼接成長(zhǎng)的tag,并將序列上建庫引入的barcode 和引物序列去除,然后采用Vsearch(v2.3.4)過濾嵌合體。預(yù)處理之后的cleandata使用Vsearch將序列相似性大于97%的clean tags定為一個(gè)OTU,挑選最佳的centroids(位于幾何中心)序列作為該OTU 的代表序列。使用QIIME(v1.8.0)分析alpha 多樣性。使用blast進(jìn)行序列比對(duì),將OTU代表序列與RDP(核糖體數(shù)據(jù)庫)以及NCBI-16S數(shù)據(jù)庫對(duì)每個(gè)代表性序列進(jìn)行物種注釋。各組樣品進(jìn)行菌群多樣性分析和聚類分析,對(duì)樣品的各個(gè)細(xì)菌門組成進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到菌群分析結(jié)果。
使用Picrust 2.0.0從16S rRNA數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)元基因組功能。運(yùn)用STAMP軟件包對(duì)元基因組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)均用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和Duncan’s 多重比較,P<0.05表示差異顯著。
由表2可知,仔雞21日齡時(shí),對(duì)照組雞的平均體質(zhì)量、日增質(zhì)量、日采食量均極顯著高于其他3組(P<0.01),料重比極顯著小于高鈣高蛋白組(P<0.01);高蛋白組雞的平均體質(zhì)量、日采食量顯著高于高鈣組和高鈣高蛋白組(P<0.05);高鈣組雞的平均體質(zhì)量、日增質(zhì)量顯著高于高鈣高蛋白組(P<0.05)而料重比顯著小于高鈣高蛋白組(P<0.05)。
表2 高鈣、高蛋白日糧對(duì)21日齡肉仔雞生長(zhǎng)性能的影響Tab.2 Effects of high calcium and/or high protein diets on performance of 21-day-old broilers
由表3可知,仔雞10日齡時(shí),與對(duì)照組相比,高蛋白組雞的UA、CREA-S的含量極顯著升高(P<0.01),高鈣組雞的AST 的活性顯著升高(P<0.01),高鈣高蛋白組雞的AST、CREA-S、UA、UREA 的活性或含量極顯著升高(P<0.01);與高蛋白組相比,高鈣組與高鈣高蛋白組雞的UA 含量極顯著升高(P<0.01);與高鈣組相比,高鈣高蛋白組雞的UA 含量極顯著升高(P<0.01)。仔雞21 日齡時(shí),與對(duì)照組相比,高蛋白組、高鈣組與高鈣高蛋白組雞的AST、ALT、UA、CREA-S、UREA 的活性或含量極顯著升高(P<0.01),且高鈣高蛋白組雞的AST、ALT、UA、CREA-S的活性或含量極顯著高于高蛋白組(P<0.01)。
由表4可知,仔雞10日齡時(shí),與對(duì)照組相比,高鈣組與高鈣高蛋白組仔雞血清中T-AOC 的活性顯著升高(P<0.05),蛋白組、高鈣組與高鈣高蛋白組仔雞血清中MDA、XOD、SOD 含量或活性顯著(P<0.05)或極顯著升高(P<0.01),3組試驗(yàn)組之間無顯著差異仔雞(P>0.05);21日齡時(shí),與對(duì)照組相比,蛋白組、高鈣組與高鈣高蛋白組仔雞血清中MDA、XOD、SOD 含量或活性極顯著升高(P<0.01),高鈣高蛋白組仔雞血清中GSH-Px的活性極顯著降低(P<0.01);高鈣組與高鈣高蛋白組仔雞血清中SOD活性與高蛋白組相比顯著升高(P<0.05)。
表4 高鈣、高蛋白日糧對(duì)肉仔雞血清自由基代謝的影響Tab.4 Effects of high calcium and/or high protein diets on serum free radical metabolism in Broilers
2.4.1 肉雞盲腸微生物物種豐度及多樣性 本研究對(duì)12 份雛雞盲腸內(nèi)容物樣品進(jìn)行了Illumina Miseq高通量測(cè)序,共得到有效序列587 884 條。在97%的相似水平下對(duì)序列進(jìn)行OTU 的聚類,統(tǒng)計(jì)得到所有樣品在不同OTUs中的豐度信息,共產(chǎn)生15 260個(gè)OTU。對(duì)于菌群而言,Alpha多樣性代表每個(gè)樣品中菌群的多樣性,通過多種指數(shù)可以反映樣品中菌群的多樣性。Simpson 指數(shù)和Shannon 指數(shù)來估算樣品中微生物多樣性,其中Shannon值越大,說明群落多樣性越高;Simpson指數(shù)越大,說明群落多樣性越低。從表5 可以看出,高蛋白組的物種豐富度極顯著高于對(duì)照組、高鈣組、高鈣高蛋白組(P<0.01);高鈣高蛋白組的Shannon值顯著低于對(duì)照組(P<0.05),其他3組Shannon值相近;各組Simpson無顯著差異。
表5 雛雞盲腸微生物物種豐富度及α_多樣性指數(shù)的比較Tab.5 Comparison of intestinal microbial species richness and alpha diversity index of broilers
2.4.2 不同狀態(tài)下盲腸微生物菌群組成分析 利用軟件Vsearch 對(duì)12 個(gè)樣品測(cè)得的序列在大于97%相似性條件下進(jìn)行聚類,挑選最佳的centroids(位于幾何中心)序列作為該OTU 的代表序列,用于后續(xù)物種分類注釋。共將測(cè)得的雛雞盲腸內(nèi)容物中所有菌群分為7 個(gè)菌門,厚壁菌門Firmicutes、擬桿菌門Bacte?roidetes、變形菌門Proteobacteria、放線菌門Actinobacteria、軟壁菌門Tenericutes、藍(lán)細(xì)菌門Cyanobacteria、黏膠球形菌門Lentisphaerae。各組的優(yōu)勢(shì)菌門分別是變形菌黏膠球形菌門門、擬桿菌門和厚壁菌門,這3 個(gè)菌門的相對(duì)豐度占分別總序列的98.37%~99.73%。在對(duì)照組、高蛋白組、高鈣組、高鈣高蛋白組中,厚壁菌門分別占總序列的平均值為60.8%、51.7%、52.39%和48.42%;擬桿菌門分別占總序列的平均值為37.58%、45.79%、43.69%和42.74%;變形菌門分別占總序列的平均值為1.28%、2.13%、2.95%和8.55%;在屬水平上,優(yōu)勢(shì)菌屬為厭氧桿菌屬,在對(duì)照組、高蛋白組、高鈣組、高鈣高蛋白組中,分別占總序列的平均值為28.12%、14.16%、14.13%和1.36%;其次是糞便桿菌和疣微菌屬,分別占總序列的平均值為13.50%、6.74%、1.92%和3.61%和6.18%、5.8%、12.03%和9.11%。
2.4.3 不同狀態(tài)下盲腸微生物差異菌群比較 分析比較各組OTU 值大于0.02%時(shí)的菌門所占比例的變化(表6)。發(fā)現(xiàn)在門水平上,與對(duì)照組相比,高蛋白組、高鈣高蛋白組的厚壁菌門所占總序列的比例顯著減少(P<0.05);高鈣、高鈣高蛋白組的變形菌門所占總序列的比例顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)增加;而相比于高蛋白組,高鈣高蛋白組的變形菌門所占總序列的比例顯著(P<0.05)增加。在屬水平上,與對(duì)照組相比,高蛋白組的厭氧桿菌屬、糞便桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬第十八類群、嗜堿菌所占總序列的比例顯著(P<0.05)或極顯著減少(P<0.01),而另枝菌屬、顫桿菌克屬所占總序列的比例顯著(P<0.05)或極顯著增加(P<0.01);高鈣組的梭狀芽孢桿菌屬第十八類群所占總序列的比例顯著減少(P<0.05),而卟啉單胞菌屬、梭狀芽孢桿菌所占總序列的比例顯著增加(P<0.05);高鈣高蛋白組梭狀芽孢桿菌屬第十八類群、厭氧桿菌屬、糞便桿菌屬所占總序列的比例顯著(P<0.05)或極顯著減少(P<0.01),而另枝菌屬、理研菌屬、卟啉單胞菌屬所占總序列的比例顯著(P<0.05)或顯著增加(P<0.01);相比高蛋白組與高鈣組,高鈣高蛋白組的厭氧桿菌屬所占總序列的比例極顯著(P<0.01)降低,且高蛋白組的卟啉單胞菌屬所占總序列相比高鈣高蛋白組顯著降低(P<0.05)。
表6 在門與屬水平上各組顯著差異的序列Tab.6 Sequences of significant differences among groups at Phylum and Genus levels
2.4.4 菌群代謝功能預(yù)測(cè) PICRUSt是通過微生物群落的豐富度與數(shù)據(jù)庫比,從而在不可觀測(cè)的情況下推測(cè)出生物群落的功能信息[9]。本試驗(yàn)基于Greengenes 16S rRNA 數(shù)據(jù)庫結(jié)果獲得442 個(gè)預(yù)測(cè)的功能。運(yùn)用STAMP軟件對(duì)數(shù)量前20的功能進(jìn)行分析,結(jié)果顯示:與對(duì)照組相比,糖酵解Ⅱ、戊糖磷酸途徑(非氧化值分支)、卡爾文-本森-巴沙姆循環(huán)、戊糖磷酸途徑等的功能基因在高蛋白組偏低,中乙酰基循環(huán)Ⅱ在高蛋白組中偏高;戊糖磷酸途徑、戊糖磷酸途徑(非氧化值分支)等的功能基因在高鈣組中偏低,腺苷脫氧核糖核苷酸從頭合成Ⅱ、腺苷核苷酸從頭合成超途徑I、鳥苷脫氧核糖核苷酸從頭合成Ⅱ、腺苷脫氧核糖核苷酸從頭合成Ⅱ、TCA 循環(huán)I 等的功能基因在高鈣組中偏高,鳥苷核苷酸從頭合成超途徑Ⅱ、L-異亮氨酸從頭合成超途徑I、糖酵解Ⅲ等的功能基因在高鈣高蛋白組中偏低,L-異亮氨酸從頭合成超途徑I、鳥苷核苷酸從頭合成超途徑I、腺苷核苷酸從頭合成超途徑I、腺苷核苷酸從頭合成超途徑Ⅱ、乙酰基循環(huán)Ⅱ、嘧啶核苷從頭合成的超路徑等的功能基因在高鈣高蛋白組中偏高;與高蛋白組相比,肌苷5,-磷酸降解等的功能基因在高鈣組中偏高;L-異亮氨酸生物合成的超途徑I、糖酵解Ⅱ(來自6-磷酸果糖)、腺苷核苷酸從頭合成超途徑I、腺苷核苷酸從頭合成超途徑Ⅱ、鳥苷核苷酸從頭合成超途徑Ⅱ、賴氨酸生物合成Ⅲ、賴氨酸生物合成Ⅳ等的功能基因在高鈣高蛋白組中偏高,嘧啶核苷從頭合成途徑、糖酵解Ⅲ、鳥苷核苷酸從頭合成超途徑I 等的功能基因在高鈣高蛋白組中偏低;與高鈣組相比,L-異亮氨酸生物合成的超途徑I、糖酵解Ⅱ(來自6-磷酸果糖)、肌苷5’-磷酸降解、腺苷核苷酸從頭合成超途徑Ⅱ、鳥苷核苷酸從頭合成超途徑Ⅱ、L-精氨酸的生物合成(乙?;h(huán))等的功能基因在高鈣高蛋白組中偏低;腺苷核苷酸從頭合成超途徑I、鳥苷核苷酸從頭合成超途徑I 等的功能基因在高鈣高蛋白組中偏高結(jié)果如圖1 所示。
圖1 預(yù)測(cè)功能基因在對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組之間的差異(二級(jí)功能層)Fig.1 The variation of predicted functional profiles between control and experimental groups(hierarchy level 2)
顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),對(duì)照組組仔雞的肝臟(圖2A)和腎臟(圖2E)組織正常;高蛋白組仔雞的肝臟組織有炎性細(xì)胞浸潤及空泡變性(圖2B),腎臟組織腎小球萎縮(圖2F);高鈣組組仔雞的肝臟組織壞死及空泡變性(圖2C),腎臟組織腎小球萎縮、炎性細(xì)胞浸潤(圖2G)。高鈣高蛋白組肝臟組織肝細(xì)胞崩解、壞死、肝細(xì)胞空泡化程度加深(圖2D);腎小球萎縮,腎小管上皮細(xì)胞空泡化、腎小管上皮脫離基底膜、崩解(圖2H)。
圖2 肉雞肝臟和腎臟HE染色后的顯微照片(放大倍數(shù):100)Fig.2 Microscopic pictures of broiler liver and kidney after HE staining(Magnification:100)
試驗(yàn)期間,對(duì)照組仔雞日均采食量正常,體質(zhì)量平穩(wěn)上升,其精神狀態(tài)、行為狀態(tài)良好。高蛋白組采食量減少。高鈣組仔雞日均采食量較為平穩(wěn),排泄白色稀便,站立困難。高鈣高蛋白日糧組仔雞采食量嚴(yán)重下降,生長(zhǎng)性能嚴(yán)重降低,基本處于生長(zhǎng)停滯階段,仔雞精神萎靡,站立困難,拉白色稀糞。而且高鈣組及高鈣高蛋白組對(duì)仔雞生長(zhǎng)性能的不良影響高于高蛋白組。
高鈣高蛋白日糧能引發(fā)痛風(fēng)[11],本試驗(yàn)對(duì)飼喂高鈣高蛋白日糧雞血液部分生化指標(biāo)的影響進(jìn)行了動(dòng)態(tài)觀察,旨在探討和禽痛風(fēng)密切相關(guān)的肝腎功能異常在尿酸代謝中的作用。
仔雞10 日齡時(shí),高鈣組與高鈣高蛋白組血清AST 的活性顯著提高表明這兩組的雞肝臟代謝異常,3 組實(shí)驗(yàn)組血清UA、CREA-S 的含量顯著升高表明高鈣、高蛋白日糧的加入可導(dǎo)致腎臟尿酸排泄障礙,造成腎臟損傷,甚至引起高尿酸血癥[12];仔雞21 日齡時(shí),高鈣組與高鈣高蛋白組血清AST 及ALT 的活性顯著提高表明這兩組的雞肝臟受到的損害加劇,而3組試驗(yàn)組血清UA、CREA-S 的含量顯著升高表明高鈣、高蛋白日糧持續(xù)損害著雞的腎臟,造成腎損傷加重,引發(fā)3組試驗(yàn)組的雞的高尿酸血癥。
機(jī)體的氧化與抗氧化處于一種動(dòng)態(tài)平衡,但在患病或衰老等狀態(tài)下,會(huì)出現(xiàn)由于自由基水平升高而導(dǎo)致的病理現(xiàn)象[13]。在試驗(yàn)的第10 天,高蛋白組血清中MDA 含量顯著升高,反映氧自由基對(duì)細(xì)胞造成了一定程度的損傷[14];高鈣組與高蛋白組血清中的MDA 含量和XOD 的活性顯著提高表明此階段催化產(chǎn)生大量氧自由基,生成更多的尿酸和氧自由基[15],從而引起組織的損傷,而血清SOD 活性的提高這可能是機(jī)體抗氧化系統(tǒng)對(duì)高尿酸血癥的代償性反應(yīng)[16]。在試驗(yàn)的第21天,試驗(yàn)組雞血清MDA含量與XOD的活性顯著提高及GSH-Px活性的顯著降低表明氧自由基對(duì)細(xì)胞造成了持續(xù)性的損害。
本研究應(yīng)用IlluminaMiseq高通量測(cè)序分析了飼喂高鈣、高蛋白日糧對(duì)21日齡仔雞盲腸菌群的影響。通過物種注釋可以看出,含量排在前五的門分別是厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、藍(lán)細(xì)菌門、放線菌門,這一結(jié)果與Shaufi 等人[17]的研究結(jié)果相似。本研究表明,厚壁菌門是健康雞的盲腸中含量最多的菌群。據(jù)報(bào)道,厚壁菌門與粗飼料的消化有關(guān),雞作為以植物為主要食物禽類,厚壁菌門對(duì)其營養(yǎng)消化吸收有幫助作用,而變形菌門的增加常發(fā)生在胃盲腸炎癥的宿主[18]。在本試驗(yàn)中,高鈣組及高鈣高蛋白組的厚壁菌門均顯著減少,變形菌門均顯著增加說明高鈣及高鈣高蛋白日糧影響了雞對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,可能引起了雞的盲腸炎癥。而本研究中也發(fā)現(xiàn)盲腸中微生物的優(yōu)勢(shì)有益菌群發(fā)生改變,如厭氧桿菌屬和糞便桿菌屬;PICRUSt 功能預(yù)測(cè)結(jié)果顯示對(duì)照組與試驗(yàn)組雞的盲腸菌群功能組成差異顯著,且高蛋白組和高鈣組雞的盲腸菌群功能組成與高鈣高蛋白組之間差異顯著。表明高鈣、高蛋白日糧破壞了仔雞盲腸菌群的結(jié)構(gòu),使得葡萄糖代謝和一些氨基酸和核苷酸的合成代謝出現(xiàn)紊亂,且飼喂高鈣高蛋白日糧對(duì)雞盲腸菌群的不良影響大于飼喂高蛋白日糧和高鈣日糧。
肝臟是尿酸的生成器官,而腎臟是尿酸的排泄器官[19],當(dāng)這些器官受到損傷時(shí),就會(huì)導(dǎo)致尿酸代謝障礙[20]。本試驗(yàn)中,各試驗(yàn)組日糧均導(dǎo)致仔雞肝腎不同程度的損傷,表明高蛋白、高鈣、高鈣高蛋白日糧對(duì)肝腎組織均有損害作用。
本研究表明,高鈣高蛋白日糧導(dǎo)致仔雞生長(zhǎng)性能、抗氧化能力降低,肝腎功能受損,引起仔雞高尿酸血癥及盲腸菌群紊亂。