豬腸道菌群調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)代謝的研究進展

武真邑，劉 輝，秦士貞，張董燕*

（1.北京市農(nóng)林科學院畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100097；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學動物科學技術(shù)學院，甘肅蘭州 730070）

豬腸道內(nèi)棲息著大量的微生物，其組成會受到品種、生長階段、腸道空間位置等影響，腸道微生物對豬群營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收及腸道健康等發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，哺乳仔豬腸道微生物基因組中乳糖分解代謝類相關基因相對較多，斷奶仔豬腸道微生物會富集淀粉、-葡聚糖及木聚糖等植物性飼料相關代謝基因。豬群腸道菌群與飼料轉(zhuǎn)化率同樣密切相關，高飼料轉(zhuǎn)化率組豬群盲腸微生物的碳水化合物代謝和脂質(zhì)代謝途徑更為豐富。在菌群組成方面，哺乳期仔豬糞便中厚壁菌門和擬桿菌門比例總和為86%，斷奶仔豬其比例能達到94%。此外，腸道菌群能夠給宿主提供酶和底物，如編碼代謝酶將植物細胞壁分解成短鏈脂肪酸被腸道吸收等，可改善機體能量及營養(yǎng)供給?？傊?，日糧營養(yǎng)能夠調(diào)控腸道菌群的組成，腸道菌群通過利用日糧營養(yǎng)來影響機體的代謝活動，以腸道菌群為研究靶點進行日糧組分及營養(yǎng)水平調(diào)控，近年來備受關注。為此，本文綜述了日糧營養(yǎng)消化模式、豬腸道菌群演變規(guī)律、腸道菌群對營養(yǎng)物質(zhì)的代謝調(diào)控作用，并進一步探討了菌群群體分型在營養(yǎng)調(diào)控中的潛在發(fā)展，為豬群的健康養(yǎng)殖及促進其高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 飼料營養(yǎng)在腸道內(nèi)的消化模式

對于哺乳動物，飼料中的營養(yǎng)物質(zhì)主要是通過胃和腸道進行機體營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，胃分泌胃蛋白酶和胃酸將食物所富含的營養(yǎng)物質(zhì)降解為一種或幾種可吸收利用的狀態(tài)。腸道是營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的主要場所，可以吸收脂肪酸、氨基酸、碳水化合物、鈣鐵以及糖類等物質(zhì)。其中，小腸負責消化吸收脂肪酸、氨基酸和碳水化合物，并對機體的飼料轉(zhuǎn)化率具有重要貢獻。由于十二指腸、空腸和回腸中特有的消化酶不同，營養(yǎng)素在小腸不同位置的消化吸收及利用能力存在差異。鐵以及脂肪酸等在小腸近端吸收；單糖主要是在十二指腸以及空腸上段被吸收，以十二指腸吸收速度較快，腸上皮對不同單糖的吸收速率差別很大，這是由于不同載體結(jié)構(gòu)、親和力和吸收方式等造成的；十二指腸還可以吸收少量氨基酸?？漳c最長，是食物被消化吸收的主要部位，氨基酸的吸收主要在空腸中進行。小腸上皮對不同水平的葡萄糖和氨基酸轉(zhuǎn)運具有拮抗關系，仔豬小腸前段葡萄糖釋放速率增加時其轉(zhuǎn)運載體的mRNA 相對表達量較高，但氨基酸轉(zhuǎn)運載體的基因表達會相應降低。另外，葡萄糖釋放模式能夠顯著影響仔豬對日糧中葡萄糖和氨基酸的吸收，保持持續(xù)穩(wěn)定的葡萄糖釋放模式能夠提高氨基酸在小腸中的利用率。除此之外，少量葡萄糖和水溶性維生素也主要在空腸中被吸收，而回腸、結(jié)腸、盲腸、直腸主要吸收水分和維生素等物質(zhì)。

2 豬腸道菌群的多樣性

目前，來自人、鼠及羊等方面的研究指出，在胎盤、羊水及新生兒胎糞中亦存在微生物，并提示母體與胎兒可能存在腸道菌群的縱向傳遞，但有關豬胎兒階段是否也存在菌群尚未見報道。仔豬出生后，母體環(huán)境來源的微生物會優(yōu)先定植并成為新生仔豬腸道優(yōu)勢菌群，如出生1～3 日齡，厚壁菌門（Firmicutes）豐度相對較高，屬水平上以鏈球菌屬（）、埃希氏-志賀菌屬（）等為優(yōu)勢菌群。隨著日齡的增加豬群微生物多樣性增加。隨著日齡增長在菌群組成上也會發(fā)生顯著變化。10、21、23 日齡豬群糞便中厚壁菌門、擬桿菌門（Bacteroidea）和變形菌門（Proteobacterium）為優(yōu)勢菌群，總比例可達94% 以上，在93 日齡和147 日齡時厚壁菌門和擬桿菌門成為主要的2 種優(yōu)勢菌群。斷奶過程會造成仔豬腸道菌群發(fā)生急劇變化，微生物多樣性降低，斷奶當天擬桿菌門顯著降低，斷奶后1 周內(nèi)菌群變化最大，在斷奶后10日齡逐漸恢復平衡。另外，普氏菌屬（）是仔豬斷奶前后變化較為明顯的菌屬之一，仔豬斷奶前（30日齡）糞便中普氏菌屬相對豐度為6.66%，斷奶當天顯著下降然后逐漸增加。70 日齡仔豬糞便中該菌相對豐度可增加到22.70%，在仔豬10 周齡時其相對豐度最高約為30%，隨后逐漸下降，22 周齡時僅為2.4%。斷奶仔豬腸道中僅有8% 的細菌來自于哺乳期，而斷奶階段菌群對后期生長豬腸道微生物的貢獻度可達81%。豬腸道微生物在結(jié)構(gòu)、功能和代謝方面會呈現(xiàn)明顯的區(qū)室化特征，從小腸到大腸的微生物多樣性和物種豐度呈指數(shù)級增加，小腸負責營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，主要由變形菌門等需氧或兼性厭氧類型微生物組成，如乳桿菌屬（）、腸桿菌屬（）、梭菌屬（）及鏈球菌屬（）。大腸內(nèi)主要為厭氧微生物，主要參與復雜營養(yǎng)物質(zhì)的發(fā)酵代謝，如厚壁菌門和擬桿菌門的相對豐度較高，在屬水平上主要富集有普氏菌屬、韋榮球菌屬（）、瘤胃菌科（Ruminococcus）及毛螺菌屬（）。豬群腸道菌群處于不斷演替的過程中，了解豬群不同階段腸道菌群的變化規(guī)律，挖掘其核心菌群對于科學指導養(yǎng)殖生產(chǎn)具有重要意義。

3 豬腸道菌群與營養(yǎng)物質(zhì)代謝

3.1 腸道菌群與碳水化合物代謝 碳水化合物是豬日糧中的主要成分，植物多糖和大多數(shù)復雜的碳水化合物不能夠被機體直接利用，宿主體內(nèi)的微生物能夠?qū)⑵浒l(fā)酵，產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFAs）等代謝產(chǎn)物供機體利用。Mu 等指出，結(jié)腸微生物產(chǎn)生的乙酸激活G 蛋白偶聯(lián)受體43（GPR43）誘發(fā)酪酪肽（PYY）的分泌，釋放5-羥色胺（5-HT），增強胰高血糖素肽1（GLP-1）分泌，激活交感神經(jīng)系統(tǒng)，從而影響攝食行為。Kimura等也指出，攝入過量的碳水化合物會引起食欲降低，這與腸道中SCFAs 產(chǎn)量有關。Rodrigues 等研究表明，SCFAs 可以降低腸道pH，促進鎂和鈣等礦物質(zhì)的生物利用率并且抑制有害菌的生長。另外，SCFAs 可以為結(jié)腸上皮細胞提供60%～70%的能量，這主要為參與酮體生成、糖異生途徑合成等提供能量物質(zhì)，還可以間接影響到糖類及脂質(zhì)的代謝以提高生產(chǎn)性能。Wang等對斷奶仔豬腸道宏基因組重建的研究發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門的一些菌群能夠合成胞外-1,4-葡聚糖分支酶，擬桿菌門的一些菌群能合成-葡萄糖苷酶，這些酶使得菌群參與了機體淀粉發(fā)酵。另外，擬桿菌和乳酸菌通過產(chǎn)生胞外酶參與了果聚糖的降解，厚壁菌門的一些菌群通過合成-半乳糖苷酶還能夠參與機體的乳糖發(fā)酵。腸道中的有益菌也能夠調(diào)控碳水化合物代謝。如乳酸菌基因組具有碳源轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，腸道菌群可以利用碳水化合物轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸和丁酸等SCFAs，參與腸上皮細胞的能量供應；乳雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌能夠?qū)θ樘?、葡萄糖和低聚果糖等進行發(fā)酵，其中乳雙歧桿菌發(fā)酵低聚果糖時生成乙酸的含量最多；日糧中碳水化合物也會影響腸道微生物組成，給豬群添加不溶性纖維可以增加瘤胃菌科、毛螺菌科等纖維降解細菌類群的相對豐度。

3.2 腸道菌群與蛋白質(zhì)代謝 腸道細菌產(chǎn)生蛋白酶和肽酶，能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)降解生成肽和氨基酸等物質(zhì)供機體利用。十二指腸、空腸、回腸中微生物對氨基酸的代謝效率存在差異，如精氨酸、蘇氨酸、賴氨酸及谷氨酸代謝率較高，而脯氨酸、色氨酸和蛋氨酸代謝利用率較低，約為35%。腸道微生物中的擬桿菌門、乳酸桿菌屬及瘤胃菌科等對日糧氨基酸的代謝有重要作用。腸道菌群與日糧氨基酸存在雙向調(diào)節(jié)作用，氨基酸能夠影響菌群生長和繁殖，如乳酸桿菌通過利用外源氨基酸才能合成菌體蛋白質(zhì)。日糧中的蛋白質(zhì)組分對腸道菌群有直接影響，與微生物多樣性呈正相關，這種相關性與蛋白質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量有關。不同蛋白質(zhì)水平能夠改變腸道菌群的組成，日糧中蛋白質(zhì)組分較高時，可以起到促進可發(fā)酵蛋白質(zhì)條件致病菌定植的作用，經(jīng)后腸微生物發(fā)酵腸腔氮營養(yǎng)素會產(chǎn)生腐胺、甲胺、尸胺及色胺等胺類物質(zhì)。合理降低日糧蛋白質(zhì)水平能夠降低養(yǎng)殖成本，并且通過降低微生物代謝來減少氨等產(chǎn)物對環(huán)境的污染。研究證明，降低飼糧中蛋白質(zhì)含量可有效促進豬群回腸雙歧桿菌屬和乳酸桿菌屬的定植。但日糧中蛋白質(zhì)水平并不是越低越好，蛋白質(zhì)水平下降會伴隨著乳桿菌等有益菌的比例下降，對腸道正常菌群結(jié)構(gòu)和回腸形態(tài)造成影響，當日糧蛋白質(zhì)降低至12% 時，SCFAs 濃度明顯降低，且對回腸微生物區(qū)系產(chǎn)生消極影響。高蛋白日糧能夠增加豬盲腸和結(jié)腸中柔嫩梭菌（）和擬球梭菌（）豐度，低蛋白日糧可增加豬盲腸中普氏菌屬（）比例，而糞桿菌屬（）、梭菌屬（）、密螺旋體屬（）及普氏菌屬（）被認為是日糧蛋白質(zhì)的敏感微生物群體。

3.3 腸道菌群與脂類代謝 腸道微生物代謝能夠產(chǎn)生膽汁酸，通過G 蛋白偶聯(lián)受體或細胞核受體調(diào)控脂質(zhì)的代謝過程，還可以通過影響宿主脂肪代謝相關基因表達，促進脂肪沉積。豬腸道內(nèi)乳酸桿菌、蠟狀芽孢桿菌、大腸桿菌以及梭狀芽胞桿菌等能夠?qū)δ懰崞鸬剿夂兔擊然饔?，影響宿主脂類的吸收。Huang等指出，腸道微生物群落對低出生重仔豬的脂質(zhì)代謝至關重要，低出生重仔豬（70 日齡）血清中高密度脂蛋白膽固醇濃度顯著升高，回腸中雙歧桿菌屬、罕見小球菌屬、勞特氏菌屬和糞球菌屬與豬群脂質(zhì)代謝的紊亂呈正相關。顫桿菌克屬、克里斯滕森菌科和解纖維素菌屬等在飼料轉(zhuǎn)化效率高的豬群腸道中得到顯著富集，這些菌群與宿主脂肪沉積以及機體健康等密切相關。SCFAs 是腸道菌群的主要代謝產(chǎn)物，為腸上皮細胞提供能量來源，是連接腸細胞代謝、菌群及基因表達調(diào)控的重要紐帶，毛螺旋菌屬能產(chǎn)生丁酸、巨型球菌能夠產(chǎn)生乙酸、丙酸和丁酸，以及瘤胃菌科等菌群在SCFAs 代謝過程中都發(fā)揮了重要作用。腸道菌群中梭菌能通過丙烯酸途徑發(fā)酵丙氨酸生成丁酸，以及通過蘇氨酸脫氫酶發(fā)酵蘇氨酸生成丙酸，從而供機體利用。SCFAs能夠調(diào)節(jié)PPAR-信號通路的腺苷一磷酸活化蛋白激酶調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝平衡，也可以通過抑制脂多糖（LPS）介導的TLP-4 信號通路減少炎癥反應。還有研究發(fā)現(xiàn)，日糧中添加乳酸菌能夠增加斷奶仔豬腸道中多不飽和脂肪酸含量，與糞便中普氏菌屬呈正相關，并且豬群腸道菌群以及機體脂質(zhì)代謝都存在性別差異，小母豬糞便菌群多樣性高，飼喂乳酸菌后對其血清卵磷脂、花生四烯酸及亞油酸等脂質(zhì)代謝影響更為顯著。

4 腸道菌群分型研究與營養(yǎng)物質(zhì)代謝

基于16S rRNA 基因測序的廣泛研究，研究者們已經(jīng)對腸道微生物在門水平的組成達成共識，但不同個體間往往會存在微生物群落的差異，這些差異微生物的結(jié)構(gòu)模式變化、組裝機制以及引起的腸道功能等越來越引起人們關注。Arumugam 等在2011 年提出微生物“腸型”概念，每種腸型中的微生物存在一個驅(qū)動菌群，共生微生物都會圍繞這個驅(qū)動菌群形成網(wǎng)絡，根據(jù)菌群構(gòu)成的相似情況，可以將菌群分為3 個集群，擬桿菌屬（）腸型、普氏菌屬（）腸型和瘤胃菌球菌屬（）腸型。嬰兒前6 個月內(nèi)其腸道微生物結(jié)構(gòu)要取決于哺乳的類型，當幼兒攝入更多碳水化合物后就會向普氏菌屬腸型發(fā)展。近年來研究顯示，用腸型劃分腸道菌群構(gòu)成，對發(fā)生變化的群體進行關聯(lián)分析，可用作某種特定疾病的預測因子或危險因素，或者作為疾病進程中某些變化的生物標記，并且具有較大的應用潛力。

目前，根據(jù)細菌相對豐度及豬群日齡，豬腸道菌群的分型主要分為普氏菌屬（）腸型和瘤胃球菌屬（）腸型2 種，哺乳階段為瘤胃球菌屬腸型，斷奶后為普氏菌屬腸型。Mach 等研究指出，瘤胃球菌屬腸型會更有利于提高哺乳階段仔豬生長速度，而普氏菌屬腸型仔豬在斷奶階段會具有更高的平均日增重，以腸腔分泌型免疫球蛋白（sIgA）為2種腸型潛在標志物，普氏菌屬腸型仔豬腸黏膜分泌型免疫球蛋白（sIgA）濃度要高于瘤胃球菌屬腸型。前期研究發(fā)現(xiàn)，在日糧中添加乳酸菌增加了斷奶仔豬糞便普氏菌屬比例，與仔豬血清中多不飽和脂肪酸C18:2n6c 顯著正相關，推測乳酸菌通過促進普氏菌屬腸型，更有利于豬群的多不飽和脂肪酸代謝。研究還發(fā)現(xiàn)，乳酸菌增加了去勢公豬普氏菌屬比例，提高了去勢公豬血清中5-羥基色胺及生長激素含量，另外母豬甲烷短桿菌（）及梭菌屬（）比例有所增加，巨型球菌屬（）比例有所降低，母豬血清甘油磷脂等代謝通路得到顯著富集。因此，可以以腸道菌群為研究靶點，對發(fā)生變化的菌群進行聚類分析，實現(xiàn)公母分群、精準營養(yǎng)以及乳酸菌的高效飼喂，在養(yǎng)豬生產(chǎn)中具有重要的應用潛力。

5 小 結(jié)

豬群腸道微生物保持著動態(tài)的平衡與穩(wěn)定，其在參與調(diào)控機體碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用中發(fā)揮著重要的作用。研究者們圍繞豬群腸道菌群的結(jié)構(gòu)、日糧營養(yǎng)變化對菌群組成的影響，以及菌群與營養(yǎng)間的互作關系等開展了大量工作。然而，不同營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控腸道菌群的信號通路等仍值得深入研究。另外，通過豬群表型性狀、菌群集群間及營養(yǎng)物質(zhì)代謝間的關聯(lián)分析進行功能菌群挖掘、定向培養(yǎng)以及潛在益生菌的開發(fā)等方面也具有重要的研究意義。