馬腸道微生物組成及影響因素的研究進展

陶金山，蘇少鋒，張建強，吳海青，趙俊利，呼 和，杜 明，李雅靜，芒 來，趙一萍

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)馬屬動物遺傳育種與繁殖重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬屬動物遺傳育種與繁殖科學(xué)觀測實驗站/內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)馬屬動物研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031）

馬在不同飼養(yǎng)（馴養(yǎng)和圈養(yǎng)）條件下，腸道微生物群發(fā)生改變［1］。 馬腸道微生物群在參與機體生理功能以及免疫形成等方面有一定的作用［2］。 腸道益生菌的菌群結(jié)構(gòu)遭到破壞， 會對神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響［3］，從而導(dǎo)致腸易激綜合征和炎癥性腸病的發(fā)生［4］。 另外，微生物群結(jié)構(gòu)的改變可能導(dǎo)致宿主的保護性黏膜層結(jié)構(gòu)惡化［1］。 目前，國內(nèi)外關(guān)于反芻動物腸道微生物的研究比較廣泛且深入， 但對馬腸道微生物的研究十分有限。 馬腸道內(nèi)各微生物菌群相互作用及其與宿主的聯(lián)系還缺乏深入了解。為此，筆者對馬腸道不同部位的微生物組成以及影響馬腸道微生物群變化的各類因素進行綜述， 以期為改善馬腸道營養(yǎng)健康、 開發(fā)馬健康監(jiān)測和疾病預(yù)防工具提供科學(xué)依據(jù)，也為馬腸道微生物研究提供新的視角。

1 馬腸道微生物組成特征

馬是單胃、后腸發(fā)酵的非反芻食草動物［5］，胃腸道結(jié)構(gòu)由前腸道和后腸道組成（見圖1），腸道內(nèi)99%以上的細菌是厭氧菌，這些厭氧菌組成的微生物群貢獻了機體63%～68%的能量。 馬腸道細菌豐度和組成不同可能與馬腸道區(qū)域不同相關(guān)［6］。在馬腸道內(nèi)， 厚壁菌門 （Firmicutes）、 放線菌門（Actinobacteria）、變 形 菌 門（Proteobacteria）、擬 桿菌門（Bacteroidetes）和疣微菌門（Verrucomicrobia）為優(yōu)勢菌群， 厚壁菌門在碳水化合物及氨基酸的運輸和代謝中有著重要作用［4，7］。 雖然馬腸道內(nèi)定植著許多菌群， 但是有研究表明馬消化道相鄰區(qū)段的腸道菌群差異較?。?］，而這些腸道微生物與宿主營養(yǎng)、生理、健康和行為息息相關(guān)，所以該方面的研究極具科研價值。

圖1 馬消化道結(jié)構(gòu)

1.1 馬前腸道微生物組成

前腸道是馬消化系統(tǒng)的重要組成部分， 由胃和小腸（十二指腸、空腸和回腸）組成［9］。

1.1.1 馬胃內(nèi)微生物 馬胃擁有豐富多樣的黏膜微生物群，以乳桿菌屬（Lactobacillus）、鏈球菌屬（Streptococcus）以及八疊球菌屬（Sarcina）細菌為主的微生物群最為豐富［10］。 從馬胃部分離的乳桿菌屬和鏈球菌屬細菌數(shù)量為108～109CFU/mL［11］，此外， 還有數(shù)量較少的梭狀芽孢桿菌屬（Clostridium）、變形桿菌屬（Proteus）、念珠菌屬（Candida）、偽單胞菌屬（Pseudomonas）和葡萄球菌屬（Staphylococcus）細菌［5］。乳桿菌屬和鏈球菌屬細菌可以顯著降解淀粉以及可溶性碳水化合物（water soluble carbohydrates，WSC），生成有機酸［8］。 但微生物發(fā)酵產(chǎn)生的有機酸過多則會導(dǎo)致黏膜損傷［12］。

1.1.2 馬小腸微生物 馬小腸黏膜和腔內(nèi)的微生物眾多，活菌數(shù)在106～107CFU/mL，且大多數(shù)具有蛋白水解活性，以鏈球菌屬細菌數(shù)量最高［5］。 有文獻報道， 馬的十二指腸和空腸的細菌數(shù)量為2.90×106CFU/g，回腸的細菌數(shù)量為38.4×106CFU/g［13］。馬的十二指腸中微生物菌群主要是乳桿菌屬細菌，而大腸桿菌（Escherichia coli）和鏈球菌屬細菌主要分布在回腸［14］。 在門水平上，變形菌門在十二指腸中更豐富，螺旋體門（Spirochaetes）主要分布在十二指腸和回腸中， 梭狀芽孢桿菌門（Clostridium）主要分布在回腸中［8］。 研究表明，從馬小腸中分離鑒定出的分段絲狀細菌（segmented filamentous bacteria）， 優(yōu)先定植于回腸上皮細胞，無致病性，但可刺激免疫系統(tǒng)，進而增強動物對腸道病原體的抵抗力［15］。

1.2 馬后腸道微生物組成

馬后腸道由盲腸、結(jié)腸和直腸組成，總?cè)萘考s為200 L。 馬后腸道微生物群在抵御病原體侵入、中和毒素、 調(diào)節(jié)免疫蛋白表達等方面具有突出作用［13，16］。 馬后腸道微生物主要通過發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）以滿足機體能量需求［17］，其中，纖維素分解菌（cellulose degrading bacteria） 被認為是馬后腸道中最重要的功能性微生物［18］。

1.2.1 馬盲腸微生物 馬盲腸是非常重要的消化器官。 盲腸內(nèi)主要含有蛋白分解菌（proteolytic bacteria）、淀粉分解菌（starch decomposing bacteria）、葡萄糖分解菌（glucose decomposing bacteria）、纖維素分解菌、半纖維素分解菌（hemicellulose decomposing bacteria）等［5］。 研究表明，馬盲腸和結(jié)腸中揮發(fā)性脂肪酸（volatile fatty acid，VFA）的含量分別為97.4 mL 和25.6 mL，從而得出馬盲腸的微環(huán)境比結(jié)腸的微環(huán)境更有利于微生物的生長和發(fā)酵的結(jié)論［14］。

1.2.2 馬結(jié)腸微生物 馬結(jié)腸和盲腸的微生物多樣性非常相似［19］。研究表明，馬右腹結(jié)腸總細菌數(shù)量最大，此外，馬糞便的微生物群與左腹結(jié)腸的微生物群相似［6］。 馬右腹結(jié)腸和右背結(jié)腸的厭氧真菌濃度明顯高于其他部位［2］。 結(jié)腸中的疣微菌門相比胃中更豐富，纖維菌屬（Cellulomonas）細菌含量在馬大結(jié)腸、小結(jié)腸中更高［8］。

2 影響馬腸道微生物群的主要因素

影響馬腸道微生物群變化的因素諸多， 與動物相關(guān)的因素有年齡、性別、情緒等，另外還有外部因素，如疾病、運輸、鍛煉、營養(yǎng)與管理、社會關(guān)系、益生菌及補充劑、藥物等。 應(yīng)激反應(yīng)是改變腸道微生物組成和總數(shù)的主要因素［3］，在輕微的應(yīng)激作用下，腸道及腸道菌群的健康/狀態(tài)可能會受到不同程度的影響。

2.1 動物相關(guān)因素

年齡與性別是影響馬腸道微生物多樣性的關(guān)鍵因素， 馬腸道微生物多樣性會隨著年齡的增長而增加［20］。 研究表明，馬的年齡與擬桿菌屬（Bacteroides）和藍細菌屬（Cyanobacteria）細菌的數(shù)量呈正相關(guān)， 而與厚壁菌門和疣微菌門的數(shù)量呈負相關(guān)［4］。 馬腸道中的分段絲狀細菌在腸道的定植也可能與年齡有關(guān)［15］。此外，母馬和公馬的腸道微生物群落豐度有著顯著差異［13］。

肥胖是影響馬腸道微生物群的又一因素。 在馬匹減重后，腸道內(nèi)厚壁菌門和軟壁菌門（Tenericutes）的相對豐度顯著降低，而擬桿菌門細菌豐度在減重后無顯著變化， 但擬桿菌門與厚壁菌門比值在減重后升高， 纖維素分解菌與厚壁菌門的比例增加［21］。

情緒因素同樣影響馬匹腸道微生物群。 在馬情緒中，易怒和興奮是造成腹痛的重要原因［22］。在同伴離開后馬匹會感到緊張， 同伴分離還可能影響斷奶期間馬駒體內(nèi)的微生物群，如鏈球菌屬、副球菌屬（Paracoccus）、普雷沃菌屬（Prevotella）和瘤胃球菌屬（Ruminococcus）細菌［4］。馬腸道菌群隨情緒變化十分敏感， 腸道微生物在調(diào)節(jié)焦慮方面有著巨大潛力。

2.2 疾病因素

疾病顯著影響馬腸道微生物多樣性。 馬消化道疾病主要是由病原體感染引起的［23］。 沙門菌屬（Salmonella） 細菌和大腸桿菌可導(dǎo)致馬腹瀉和敗血癥［24］。 馬腹瀉樣本中常見的細菌包括艱難梭狀芽孢桿菌（Clostridium difficile）、沙門菌屬細菌和梭狀芽孢桿菌屬細菌。 酵母菌屬（Saccharomyces）微生物也可能與馬腹瀉有關(guān)［18］。 發(fā)生腹瀉的馬匹腸道中毛螺菌科（Lacetospiraceae）和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）細菌減少［25］。 罹患結(jié)腸炎的馬匹腸道中擬桿菌門最豐富且豐度增加，梭桿菌屬（Fusobacteria）細菌較健康馬更多［1］。 馬腹絞痛病例中腸道內(nèi)的普雷沃菌屬和毛螺菌科細菌減少，擬桿菌屬細菌增加［25］。 患有馬草?。╡quine grass sickness，EGS）的馬腸道內(nèi)擬桿菌門和變形菌門細菌增加，厚壁菌門和疣微菌門細菌減少［1］。

與馬腹部膿腫相關(guān)的細菌包括假結(jié)核棒狀桿菌（Corynebacterium pseudotuberculosis）和 鏈 球 菌屬細菌等； 與馬腹膜炎相關(guān)的細菌包括芽孢桿菌屬（Bacillus）、擬桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬、腸桿菌科（Enterobacteriaceae）、鏈球菌屬、葡萄球菌屬和紅球菌屬（Rhodococcus）細菌［5］。 非結(jié)核分枝桿菌（non-tuberculous mycobacteria）可感染馬，臨床癥狀表現(xiàn)為慢性腹瀉和腹側(cè)水腫等［26］。 馬腸道菌群與諸多腸道疾病的發(fā)生機制的關(guān)系還有待深入研究。

目前，在馬疾病的治療中，糞便微生物群移植（fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT） 已 廣 泛 使用， 該方法可通過向患有慢性腹瀉的馬匹鼻胃管灌入處理過的糞便液， 以恢復(fù)馬腸道正常的微生物群結(jié)構(gòu)［7］，從而達到治療疾病的目的。

2.3 運輸和鍛煉因素

運輸和鍛煉與馬腸道菌群應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)。 運輸已被多次證明會給馬帶來巨大的壓力， 使腸道微生物多樣性發(fā)生改變，引起腸道疾病［3］。 馬匹運輸過程中，乳桿菌屬細菌豐度有所增加，普雷沃菌屬細菌豐度有所下降［4，27］。 此外，鍛煉的類型和強度會影響馬腸道菌群的組成［28］。 劇烈運動可能會增加馬體內(nèi)的密螺旋體屬（Treponema）微生物和梭狀芽孢桿菌屬細菌的豐度。

2.4 營養(yǎng)因素

飼糧組成對腸道微生物多樣性的影響顯著。富含纖維的飼糧需經(jīng)過腸道微生物消化， 產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸是馬匹每日能量的主要來源［8，18］。在進食3 h 后， 經(jīng)過消化的食料可到達盲腸和結(jié)腸部，適宜的環(huán)境有益于真菌、原生動物以及厭氧菌降解半纖維素和果膠［29-30］。 纖維含量過高的飼糧會影響馬盲腸微生物群結(jié)構(gòu)， 如纖維菌屬細菌會明顯增加［31］。此外，淀粉含量過高的飼糧會引起馬腸道微生物群變化，產(chǎn)淀粉酶細菌、乳酸菌［特別是發(fā)酵乳桿菌（Lactobacillus fermentum）、德氏乳桿菌（Lactobacillus delbrueckii）、黏膜乳桿菌（Lactobacillus mucosae）、 羅 伊 乳 桿 菌（Lactobacillus reuteri）、唾液乳桿菌（Lactobacillus salivarius）、黃體鏈球菌 （Streptococcus lutetiensis） 和馬鏈球菌（Streptococcus equi）］的數(shù)量上升［5，32］。 這又導(dǎo)致胃腸道內(nèi)產(chǎn)生過量乳酸和揮發(fā)性脂肪酸（尤其在胃中），從而造成大腸的pH 值下降，制約了有益且不耐酸的纖維素分解菌的增殖［1］，同時，酸耐受能力較差的細菌大量死亡， 乳酸過量沉積會導(dǎo)致酸中毒［33］。 此外，脂肪是重要的能量來源，當(dāng)其含量超過閾值，就會破壞腸道中微生物菌群的平衡［5］。

飲食改變可導(dǎo)致馬產(chǎn)生不良反應(yīng)，主要由適應(yīng)飲食結(jié)構(gòu)的微生物群結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致。 控制馬飼糧中的纖維和淀粉比例可顯著調(diào)控馬腸道微生物群結(jié)構(gòu)。在未來，馬用飼糧在畜牧業(yè)的研究勢必更加深入。

2.5 益生菌及補充劑

目前， 益生菌及補充劑在預(yù)防和治療馬腸道疾病中至關(guān)重要。商用益生菌通常由乳桿菌屬、雙歧桿菌屬 （Bifidobacterium） 及腸球菌屬（Enterococcus）細菌組成，這些細菌在成年馬腸道微生物群中也扮演著重要角色［7］。 馬乳酒樣乳桿菌（Lactobacillus kefiranofaciens）、卷曲乳桿菌（Lactobacillus crispatus）、約氏乳桿菌（Lactobacillus johnsonii）、羅伊乳桿菌和唾液乳桿菌已廣泛應(yīng)用于馬產(chǎn)業(yè)， 在促進宿主生長和抵抗腸道疾病方面發(fā)揮了有益作用［5］。 馬用飼糧中添加活酵母菌可顯著提高飼料消化率及生產(chǎn)性能，增加采食量，減少消化道致病菌數(shù)量， 同時減少馬業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的負面影響［20，34-35］。另外，常見的馬用益生元（低聚果糖和菊粉等）在胃腸道中被微生物發(fā)酵降解，可促進盲腸和結(jié)腸中乳酸菌的生長，減少腸道微生物群失衡的風(fēng)險［12］。研究表明，以沙柳醇（楊柳提取物）作為補充劑，可在一定程度上改變馬腸道微生物群［36］。

也有文獻報道， 使用益生菌治療馬胃腸道疾病后，馬匹發(fā)病率沒有變化。 因此，在益生菌研究中，菌株的選擇、不同菌株的組合以及菌株的添加濃度等因素共同影響其益生效果。后續(xù)研究中，可開發(fā)馬源益生菌，廣泛應(yīng)用到馬產(chǎn)業(yè)，其下游產(chǎn)品也對人體有利。

2.6 抗生素

如今， 抗生素的使用是一個值得重視的全球性問題。 馬科研究協(xié)調(diào)小組（Equine Research Coordination Group）曾發(fā)表一份用于警告馬濫用抗生素以及產(chǎn)生耐藥性細菌威脅的白皮書［5］。 長期使用抗生素治療， 可導(dǎo)致耐藥微生物增加、 過敏反應(yīng)、腸道微生物紊亂（誘發(fā)腹瀉和結(jié)腸炎）以及采食量減少等不良影響［5，18，24］。 研究表明，抗生素破壞了馬腸道微生物群并促進沙門菌和艱難梭狀芽孢桿菌的增殖［18］。母馬使用低劑量的紅霉素后，發(fā)現(xiàn)感染艱難梭狀芽孢桿菌［37］。 使用頭孢噻呋等抗生素治療馬病時，馬腸道中纖維素分解菌、乳桿菌含量下降，沙門菌及艱難梭狀芽孢桿菌含量上升［18］。目前， 抗生素在馬匹上的濫用和潛在危害嚴(yán)重制約著馬業(yè)的健康發(fā)展。

2.7 驅(qū)蟲劑

馬業(yè)生產(chǎn)中，寄生蟲感染（以囊口蟲為主）是長期存在的疾?。?8］。目前，廣泛使用驅(qū)蟲劑控制寄生蟲感染。有報道稱，馬匹感染寄生蟲與腸道微生物的組成差異是相關(guān)的［39］，寄生蟲的驅(qū)除可引起顯著的炎癥反應(yīng)，但另有報道稱，炎癥反應(yīng)相對溫和［38］。研究表明，馬腸道內(nèi)擬桿菌門的豐度與線蟲感染有關(guān)，而在連續(xù)使用5 d 芬苯達唑（fenbendazole）和1 d 伊維菌素（ivermectin）后，厚壁菌門含量最多， 擬桿菌門次之（擬桿菌門數(shù)量呈下降趨勢）［1，38］?？梢姡?qū)蟲劑的研究在馬業(yè)發(fā)展中是至關(guān)重要的。

3 小結(jié)

目前， 常規(guī)技術(shù)分離培養(yǎng)馬腸道微生物是非常困難的。 在未來可將世界各國馬腸道微生物研究中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)整合在一個公開的數(shù)據(jù)平臺， 以便世界范圍內(nèi)的馬腸道微生物科研人員從中受益［40］。當(dāng)前，馬腸道微生物群的研究多集中于營養(yǎng)、耐藥性、疾病和生活方式因素相互關(guān)系，今后， 還可以進一步對馬腸道微生物組進行高通量表征，從而制定診斷測試、預(yù)防措施和適當(dāng)?shù)闹委煷胧?3］。 增加對馬腸道微生物群多樣性方面的研究對于提高馬匹抵抗入侵病原體的能力， 以及提升馬腸道健康水平具有積極影響和重要意義，這會是一個極具潛力和價值的研究方向。