焦宇洲,楊歡歡,盧 垚,史聰聰,徐曉娟,蔡旭旺*
(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院 農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070;2.武漢科緣生物發(fā)展有限責(zé)任公司,武漢 430206)
球蟲病是由艾美耳球蟲感染引起的雞腸道重要寄生蟲病,目前公認(rèn)有7種艾美耳球蟲可以引起雞球蟲病,其中柔嫩艾美耳球蟲(Eimeriatenella)寄生于盲腸,是危害最為嚴(yán)重的一種[1]。E.tenella感染會(huì)降低肉雞生長(zhǎng)性能、引起出血性腹瀉、降低機(jī)體對(duì)其他病原體的抵抗力[2],發(fā)病率高達(dá)70%,死亡率為30%,嚴(yán)重時(shí)可達(dá)80%,給世界養(yǎng)禽業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]。隨著化學(xué)藥物的不斷使用,耐藥性問題愈發(fā)嚴(yán)重,人們對(duì)綠色健康食品的迫切需求使球蟲病的防控面臨新的挑戰(zhàn),因此,家禽養(yǎng)殖業(yè)亟需一種安全有效的新型抗球蟲方法。
屎腸球菌是從健康動(dòng)物和人體發(fā)現(xiàn)的一種產(chǎn)乳酸的革蘭陽(yáng)性菌,屬于乳酸菌,是一種對(duì)動(dòng)物健康有益的益生菌,于1989年被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)為可直接進(jìn)行飼喂的益生菌,我國(guó)于1999年確定屎腸球菌可以添加于動(dòng)物飼料中[4]。作為益生菌,屎腸球菌可以促進(jìn)肉雞生長(zhǎng)性能、改善腸道形態(tài)、調(diào)節(jié)腸道微生物組成[5]。近年來的研究顯示,屎腸球菌可以通過調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)、維持腸道完整性來促進(jìn)感染大腸桿菌肉雞的生長(zhǎng)并降低死亡率[6],還有研究表明,屎腸球菌、動(dòng)物雙歧桿菌和唾液乳桿菌的混合添加可以產(chǎn)生與拉沙里菌素相似的抗混合球蟲的效果[7]。但是目前缺乏關(guān)于屎腸球菌單獨(dú)添加在球蟲病感染中的研究,因此,本研究在飼糧中添加不同水平的屎腸球菌,通過分析雞的日增重、球蟲卵囊排出量、腸道損傷和病理變化、盲腸腸道iNOS和屏障蛋白相關(guān)基因的表達(dá)量來探究屎腸球菌對(duì)感染E.tenella肉雞的有益作用,以期為雞球蟲病的防治提供思路。
1日齡羅斯308白羽肉雞,購(gòu)自河南省豐園禽業(yè)有限公司。飼養(yǎng)于甲醛熏蒸消毒的無球蟲房間(籠養(yǎng)),雞籠經(jīng)火焰灼燒滅菌。試驗(yàn)用屎腸球菌(EF1)由武漢科緣生物發(fā)展有限責(zé)任公司保存;鹽霉素購(gòu)自大連榮海生物科技有限公司。
采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì),選取體重相近、健康狀況良好的1日齡白羽肉雞180羽,隨機(jī)分為5組,包括空白對(duì)照組(NC組)、陽(yáng)性對(duì)照組(PC組)、抗生素組(SAL組)和兩個(gè)試驗(yàn)組(EA、EB組),每組3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)12羽??瞻讓?duì)照和陽(yáng)性對(duì)照組均飼喂基礎(chǔ)飼糧,其組成及營(yíng)養(yǎng)水平見表1;抗生素組飼喂在基礎(chǔ)飼糧中添加70 mg·kg-1鹽霉素的試驗(yàn)飼糧;兩個(gè)試驗(yàn)組(EA、EB組)分別飼喂在飼糧中添加1.0×108、2.5×109CFU·kg-1屎腸球菌的試驗(yàn)飼糧。飼喂14 d后,除空白對(duì)照組,其余各組雞經(jīng)口人工感染E.tenella孢子化卵囊(經(jīng)口灌入200 μL,含1.0×105個(gè)孢子化卵囊)。
表1 基礎(chǔ)飼糧組成及營(yíng)養(yǎng)水平(風(fēng)干基礎(chǔ))
試驗(yàn)使用4層的層疊式雞籠進(jìn)行籠養(yǎng),每籠(70 cm×70 cm×35 cm)12羽,試驗(yàn)重復(fù)均勻分布,雞舍溫度第1周為33~35 ℃,之后每周下降2 ℃。肉雞自由采食和飲水。
22日齡時(shí)每組隨機(jī)取5羽,斷頸處死后剖開腹腔,剪取約2 cm的盲腸腸段,用預(yù)冷至4 ℃的滅菌PBS將腸內(nèi)容物沖洗干凈,液氮速凍后保存于-80 ℃用于RNA的提取,另取2 cm固定于10%福爾馬林中,用于盲腸組織病理學(xué)檢測(cè)。
1.5.1 生長(zhǎng)性能 1日齡時(shí)稱雛雞體重,將體重相近的雛雞隨機(jī)分組,分組后NC和PC組飼喂基礎(chǔ)飼糧,SAL、EA和EB組分別飼喂含鹽霉素和屎腸球菌的飼糧,分別于第14(感染前)、22(感染第8天)天稱重記錄,計(jì)算平均日增重(ADG)。
1.5.2 球蟲卵囊排出數(shù) 麥克馬斯特法[8](McMaster’s method):計(jì)數(shù)時(shí),每份糞便充分混勻后,稱取5 g用燒杯盛裝糞便樣本,先加入30 mL飽和食鹽水,充分?jǐn)噭颍贿^80目鋼篩去除糞便雜質(zhì),剩余沉淀再加入10 mL飽和食鹽水重復(fù)過篩;將糞液混勻后立即吸取加入到計(jì)數(shù)板的計(jì)數(shù)室內(nèi),靜置5 min;在100倍(10×目鏡,10×物鏡)視野下鏡檢,計(jì)數(shù)兩個(gè)計(jì)數(shù)室的卵囊數(shù),然后取平均值。計(jì)數(shù)室可容納0.15 mL溶液。計(jì)算公式:克糞便卵囊數(shù)(OPG)=(A×稀釋倍數(shù)×溶液體積)/(0.15×糞便重量),A=1個(gè)計(jì)數(shù)池中的所有球蟲卵囊數(shù)。卵囊值根據(jù)OPG進(jìn)行評(píng)價(jià),OPG(×106)在0~0.10、0.11~1.00、1.10~1.90、2.00~5.90、6.0~10.90之間和>11.00時(shí),分別記為0、5、10、20、30、40分。在感染后第5天開始采集糞便,收集感染后第5、6、7天的糞便分別進(jìn)行卵囊計(jì)數(shù),最終以其總數(shù)計(jì)算OPG。
1.5.3 盲腸病變?cè)u(píng)分 感染第8天對(duì)各組所有存活雞進(jìn)行安樂死,對(duì)盲腸進(jìn)行病變記分,并將其換算成病變值。盲腸病變記分標(biāo)準(zhǔn)[9]:0分,盲腸壁厚度正常,無肉眼可見病變;1分,盲腸黏膜有點(diǎn)狀出血,盲腸壁不增厚;2分,盲腸內(nèi)容物為黏液,有少許血絲,盲腸壁略增厚,黏膜散在出血點(diǎn);3分,盲腸內(nèi)有大量血液或有腸芯(血凝塊或灰白色干酪樣的香蕉型塊狀物),盲腸壁肥厚明顯,盲腸變形;4分,盲腸壁極度增厚,形成干酪樣腸芯,黏膜布滿出血點(diǎn)、出血斑。死亡雞病變也記為4分。記錄各組評(píng)分(Grade),然后計(jì)算病變值(Lesion score)。Lesion score=各試驗(yàn)組內(nèi)的平均病變記分(Grade)×10。
1.5.4 組織病理學(xué)檢測(cè) 10%福爾馬林中固定的盲腸組織用于蘇木精和伊紅染色(hematoxylin-eosin staining, HE)、阿利新藍(lán)(alcian blue, AB)和過碘酸雪夫染色(periodic acid schiff, PAS)染色。組織塊脫水75%、85%、95%、95%、100%、100%的乙醇各1 h,二甲苯Ⅰ、二甲苯Ⅱ、二甲苯Ⅲ各20 min,之后再進(jìn)入石蠟Ⅰ、石蠟Ⅱ、石蠟Ⅲ各1 h,將包埋好的蠟塊進(jìn)行切片。HE染色如下:切片依次放入二甲苯Ⅰ 10 min、Ⅱ 10 min、100%、95%、75%的乙醇中各5 min,自來水沖洗5 min,蘇木精染色5 min、流水沖洗5 min,1%的鹽酸酒精分化數(shù)秒、自來水沖洗、0.6%氨水返藍(lán)、流水沖洗、伊紅染色5 min、再75%、95%、100%的乙醇各5 min脫水后置二甲苯Ⅰ、Ⅱ各5 min,滴上中性樹膠封片。使用正置顯微鏡(奧林巴斯BX53,目鏡10×,物鏡40×)進(jìn)行觀察,通過HE染色觀察盲腸結(jié)構(gòu),AB-PAS染色觀察腸道酸性蛋白和杯狀細(xì)胞。
1.5.5 腸道細(xì)胞因子和蛋白的表達(dá) 用TRIzol法提取總RNA,取100 mg盲腸組織于1.5 mL離心管中,并加入大小鋼珠各1個(gè),再加入1 mL TRIzol,用組織破碎儀進(jìn)行勻漿,靜置5 min后加入200 μL氯仿,震蕩混勻后靜置3 min,12 000×g4 ℃離心15 min,取500 μL上清液于新的離心管中,加入等體積的異丙醇,渦旋后靜置10 min,12 000×g4 ℃離心10 min,沉淀RNA,棄上清,加入1 mL 75%的乙醇渦旋,7 500×g4 ℃離心5 min,棄上清,置超凈臺(tái)風(fēng)干,加適量DEPC水溶解沉淀,用Nanodrop one測(cè)定RNA濃度,將提取的RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,得到的cDNA保存于-20 ℃。將cDNA用于腸道iNOS,黏蛋白MUC2,緊密連接蛋白Occludin、JAM2和ZO-1基因表達(dá)量的檢測(cè),參照文獻(xiàn)設(shè)計(jì)所需引物(表2),并由擎科生物科技有限公司合成。用2-ΔΔCt法計(jì)算目的基因mRNA的相對(duì)表達(dá)量。
表2 qRT-PCR引物
1.5.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 22軟件進(jìn)行分析(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)。對(duì)平均體重、增重、病變?cè)u(píng)分和腸道iNOS和MUC2、Occludin、JAM2、ZO-1的表達(dá)量進(jìn)行單因素方差分析,Dunnett’s事后多重比較來分析組間的差異性水平,結(jié)果用“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。
由表3可知,在E.tenella感染前(1~15日齡),與PC組相比,SAL組肉雞平均日增重沒有明顯變化(P>0.05),EA和EB組雛雞平均日增重顯著增加(P<0.05)。在15~22日齡(E.tenella感染期間),PC組肉雞增重顯著低于NC組(P<0.05),但是相比于PC組,SAL、EB組均能顯著改善E.tenella感染引起的增重減少(P<0.05),并且屎腸球菌添加組與抗生素添加組ADG無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。除此之外,分析整個(gè)試驗(yàn)期間(1~22日齡)肉雞平均日增重發(fā)現(xiàn),EB組平均日增顯著高于其他感染組(P<0.05),日增重達(dá)到NC組日增重的水平。
表3 屎腸球菌對(duì)肉雞生長(zhǎng)性能的影響
E.tenella感染后第3天可以觀察到感染組肉雞精神沉郁,并于感染后第4天發(fā)現(xiàn)有血便排出,第5天血便更加嚴(yán)重。E.tenella感染引起盲腸損傷,甚至死亡(表4)。對(duì)盲腸進(jìn)行剖檢發(fā)現(xiàn),添加鹽霉素和屎腸球菌雖然能夠降低腸道損傷分?jǐn)?shù),但是并沒有明顯改善E.tenella感染引起的盲腸損傷(P>0.05);收集肉雞糞便,進(jìn)行卵囊計(jì)數(shù)發(fā)現(xiàn),添加鹽霉素和屎腸球菌均可以明顯減少糞便中卵囊數(shù)(P<0.05),其中EB組OPG最小。除此之外,E.tenella感染導(dǎo)致PC組肉雞平均死亡5羽,相比于PC組,EA組也是平均死亡5羽,SAL組平均死亡僅2羽,EB組僅平均死亡3羽。
表4 屎腸球菌對(duì)E. tenella感染肉雞的OPG、盲腸病變?cè)u(píng)分和死亡數(shù)的影響
通過HE染色對(duì)盲腸組織病理學(xué)切片觀察發(fā)現(xiàn),PC組腸絨毛斷裂、無法觀察到正常的腺體結(jié)構(gòu)、存在明顯的炎性浸潤(rùn),并且發(fā)現(xiàn)大量寄生蟲寄生(圖1 C和D)。相比于PC組,SAL和EA、EB組腸絨毛結(jié)構(gòu)相對(duì)完整,并且僅發(fā)現(xiàn)少量炎性細(xì)胞和球蟲卵囊。AB-PAS染色在PC組僅可以看到大量卵囊寄生,但NC和SAL、EA、EB組可以觀察到腸道分泌較多的酸性蛋白,并且有較多的杯狀細(xì)胞。
誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)在腸道的表達(dá)水平高,則表明腸道中NO水平較高。如圖2所示,E.tenella感染使腸道iNOS表達(dá)水平顯著下降(P<0.05);但是相比于PC組,SAL、EA和EB組可以顯著提高腸道iNOS的表達(dá)量(P<0.05),并且屎腸球菌添加呈現(xiàn)出劑量依賴性。
由圖3可知,E.tenella感染可以導(dǎo)致腸道黏蛋白MUC2、緊密連接蛋白Occludin、JAM2和ZO-1的表達(dá)量顯著降低(P<0.05)。相比于PC組,SAL組顯著增加MUC2、JAM2和ZO-1的表達(dá)量(P<0.05),同樣地,屎腸球菌添加組EA和EB也顯著增加黏蛋白MUC2和JAM2的表達(dá)量(P<0.05),但ZO-1與陽(yáng)性對(duì)照組并無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05);如圖3B所示,僅有EB組能顯著增加腸道Occludin的表達(dá)(P<0.05)。
圖3 盲腸中屏障蛋白基因表達(dá)水平
養(yǎng)雞業(yè)是世界上最重要的食物供應(yīng)產(chǎn)業(yè)之一,據(jù)估計(jì),世界上每年大約生產(chǎn)雞肉900億kg,占人類攝入動(dòng)物蛋白質(zhì)和脂肪來源的1/3以上[10-11]。雞球蟲病是嚴(yán)重危害養(yǎng)殖業(yè)的重要疾病之一,由幾種不同種類的艾美耳球蟲寄生于腸道上皮細(xì)胞引起,E.tenella主要在盲腸上皮細(xì)胞定殖引起腸道損傷,導(dǎo)致排血便、生長(zhǎng)性能降低、腸道微生物失調(diào)、免疫功能遭到破壞等,且極易引起繼發(fā)感染。益生菌指通過攝取適當(dāng)?shù)牧繉?duì)食用者的身體健康能發(fā)揮有益作用的活菌,在宿主體內(nèi)通過調(diào)控腸道微生態(tài)平衡、改善腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)飼料攝入和消化、增強(qiáng)宿主免疫功能等方式促進(jìn)宿主的健康[12],因此推測(cè),益生菌可能具有一定的抗球蟲效果。生產(chǎn)性能被普遍認(rèn)為是評(píng)價(jià)肉雞特定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方法,已有研究發(fā)現(xiàn),飼喂含有羅伊乳酸桿菌、屎腸球菌、動(dòng)物雙歧桿菌、乳酸球菌和唾液乳酸桿菌等益生菌添加的飼料會(huì)提高肉雞的生長(zhǎng)性能[13];張利環(huán)等[14]證明,將干酪乳桿菌、嗜酸乳桿菌和雙歧桿菌以2∶1∶1的比例混合對(duì)肉雞進(jìn)行飼喂,可以顯著提高肉雞平均日增重。當(dāng)肉雞受到E.tenella感染后增重會(huì)顯著降低,飼喂屎腸球菌有利于腸道健康、促進(jìn)腸道消化吸收、改善肉雞生長(zhǎng)性能,減少E.tenella感染引起的損失。在本研究中,屎腸球菌能夠改善肉雞早期生長(zhǎng)性能,顯著提高雛雞1~15 d的平均日增重,并且在整個(gè)試驗(yàn)期間2.5×109CFU·kg-1添加組可以預(yù)防E.tenella感染引起的增重減少,顯著提高肉雞的增重;曹廣添等[15]也發(fā)現(xiàn),相比于陰性和陽(yáng)性對(duì)照組,肉雞飼喂屎腸球菌可以顯著提高大腸桿菌感染肉雞的生長(zhǎng)性能,這些均表明屎腸球菌對(duì)肉雞具有較好的促生長(zhǎng)作用。根據(jù)上述結(jié)果認(rèn)為,屎腸球菌可以通過改善肉雞生長(zhǎng)性能減少E.tenella感染引起的損失,可分為兩個(gè)階段:一是在感染前促進(jìn)雛雞生長(zhǎng)發(fā)育,促進(jìn)免疫系統(tǒng)的成熟,從而預(yù)防E.tenella感染;其次,還可能在肉雞感染后通過促進(jìn)腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)的消化吸收進(jìn)而減少E.tenella感染導(dǎo)致的損失。
本研究對(duì)感染E.tenella后OPG、死亡率和盲腸損傷進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),屎腸球菌可以顯著減少感染后糞便中的卵囊排出數(shù)、降低死亡率,雖然盲腸病變?cè)u(píng)分沒有明顯降低,但是通過對(duì)組織病理學(xué)觀察發(fā)現(xiàn),屎腸球菌添加可以在一定程度上抑制E.tenella感染對(duì)腸道絨毛和腺體的破壞,維持了腸道結(jié)構(gòu)的完整性。已有研究也表明,屎腸球菌可以顯著減少糞便中卵囊數(shù),減少感染肉雞的死亡率(3.33%~10.00%)[16],Giannenas等[17]研究也發(fā)現(xiàn),屎腸球菌可以顯著減少糞便中卵囊數(shù)(P<0.05),并且具有劑量依賴性,結(jié)論與本試驗(yàn)結(jié)果相同:屎腸球菌添加組的盲腸損傷評(píng)分與感染組沒有顯著性差異,但是可以顯著減少糞便中卵囊數(shù)。iNOS可以誘導(dǎo)精氨酸氧化為NO,協(xié)助巨噬細(xì)胞產(chǎn)生免疫應(yīng)答。飼料添加枯草芽孢桿菌可誘導(dǎo)NO產(chǎn)生,調(diào)控巨噬細(xì)胞的免疫功能[18],添加鼠李糖乳桿菌可使巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的NO增加,增強(qiáng)宿主免疫功能[19],充分顯示益生菌可以通過增加NO的產(chǎn)生來增強(qiáng)機(jī)體先天性免疫。本試驗(yàn)則通過檢測(cè)腸道iNOS的表達(dá)水平間接反映出屎腸球菌可以促進(jìn)腸道NO的產(chǎn)生,結(jié)果顯示,E.tenella感染使PC組腸道iNOS表達(dá)水平顯著低于NC組(P<0.05);EA和EB組同SAL組可以顯著提高腸道iNOS的表達(dá)(P<0.05),表明在屎腸球菌可以誘導(dǎo)iNOS的高表達(dá)來促進(jìn)腸道NO的產(chǎn)生,從而促進(jìn)宿主免疫反應(yīng)。推測(cè)屎腸球菌可能通過其某種代謝產(chǎn)物直接抑制卵囊的增殖或者是刺激機(jī)體免疫反應(yīng)來阻止卵囊增殖、甚至消滅入侵的卵囊。
腸道屏障和緊密連接是防止病原侵害、維持上皮完整性的主要防御機(jī)制。MUC2是主要的分泌性黏蛋白,在維持腸道表面黏液層結(jié)構(gòu)和防止病原入侵內(nèi)部黏液層中起重要作用[20]。炎癥會(huì)減少腸道分泌MUC2蛋白的杯狀細(xì)胞數(shù)量,導(dǎo)致黏液層得不到補(bǔ)充,增加了進(jìn)一步感染、細(xì)菌移位和炎癥的機(jī)會(huì)。艾美耳球蟲感染可以顯著降低空腸杯狀細(xì)胞的數(shù)量,下調(diào)MUC2基因的表達(dá)[21],但是乳酸菌可以增加杯狀細(xì)胞數(shù)量,枯草芽孢桿菌可以提高M(jìn)UC2的表達(dá)水平[22],本研究也得出相同的結(jié)論。腸上皮細(xì)胞在保護(hù)腸道免受病原侵害中扮演重要角色,緊密連接可以調(diào)節(jié)腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、調(diào)節(jié)內(nèi)穩(wěn)態(tài)、抵御腸道病原體入侵,并且是腸道上皮細(xì)胞健康的重要指標(biāo)。Occludin和JAM蛋白是重要的跨膜蛋白,是緊密連接的主要結(jié)構(gòu),ZO-1蛋白是連接三者和上皮細(xì)胞肌動(dòng)蛋白的樞紐[23]。混合艾美耳球蟲和產(chǎn)氣莢膜梭菌感染導(dǎo)致空腸中緊密連接蛋白Occludin、JAM2、ZO-1的表達(dá)明顯下調(diào)[24],而枯草芽孢桿菌添加可以顯著增加腸道JAM2和ZO-1的表達(dá)[25];壞死性腸炎病例的腸道MUC2、Occludin的表達(dá)明顯減少,但添加解淀粉芽孢桿菌可以顯著增加其表達(dá)量[26],地衣芽孢桿菌也可以顯著增加球蟲感染后JAM2和Occludin在盲腸的表達(dá)[27]等。這些研究結(jié)果均表明,益生菌可以通過調(diào)節(jié)腸道黏蛋白和緊密連接蛋白的表達(dá)進(jìn)而增強(qiáng)宿主腸道屏障功能,減少病原引起的腸道損傷。與已有研究相似,本研究也發(fā)現(xiàn)屎腸球菌可以顯著提高Occludin和JAM2的表達(dá)量。結(jié)合本研究證實(shí),屎腸球菌可以通過調(diào)節(jié)腸道屏障蛋白的表達(dá)來維持腸道屏障的正常功能,在一定程度上抵御球蟲入侵,對(duì)腸道組織造成損傷。
綜上所述,飼糧中添加E.faecium能夠改善肉雞的生長(zhǎng)性能,維持E.tenella感染后盲腸的完整性,通過調(diào)節(jié)腸道iNOS、黏蛋白MUC2、緊密連接蛋白Occludin、JAM2和ZO-1的基因表達(dá)水平增強(qiáng)肉雞腸道屏障功能,減少E.tenella感染引起的死亡和卵囊排出,對(duì)雞球蟲病具有一定的防治作用,可以減少球蟲病帶來的經(jīng)濟(jì)損失,在肉雞生產(chǎn)中具有較大應(yīng)用前景。