中國地方豬種腸道微生物功能發(fā)掘與利用的研究進(jìn)展

石寶明 鮑嘉欣 趙 軒

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150030)

我國是生豬養(yǎng)殖大國和豬肉消費(fèi)大國，從國外引進(jìn)的外來豬種比例高達(dá)80%，主要以約克夏豬、大白豬和杜洛克豬為主，引進(jìn)豬種具有生長(zhǎng)速度快、繁殖力強(qiáng)、飼料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但存在肉品質(zhì)差、對(duì)環(huán)境抵抗力低、肌內(nèi)脂肪含量低等不足[1]。與引進(jìn)豬種相比，我國本土地方豬種資源種類繁多，且蘊(yùn)含豐富的遺傳多樣性，具有抗逆性強(qiáng)及肉品質(zhì)優(yōu)良等特性，為有效解決豬品種培育及性狀功能發(fā)掘等方面出現(xiàn)的問題提供了良好的來源[2]。由于地域不同，地方豬種主要分為華北型、華中型、華南型、西南型、江海型和高原型，代表豬種依次為民豬、金華豬、香豬、榮昌豬、太湖豬和藏豬[3]。與引進(jìn)豬種相比，地方豬種腸道微生物組成更為豐富，在抗病力和抗逆性等方面發(fā)揮一定的優(yōu)勢(shì)作用，這與其生長(zhǎng)環(huán)境和飼養(yǎng)方式有關(guān)[4]。近年來，大量研究表明通過將地方豬種糞菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)到商品豬種體內(nèi)可以使受試豬種表現(xiàn)出與供體豬種相似的腸道微生物區(qū)系及表型性狀[5-6]，表明腸道微生物具有攜帶“擬表型”的能力。因此，基于地方豬的優(yōu)良特性，本文綜述了中國地方豬種腸道微生物群的優(yōu)勢(shì)，并總結(jié)了地方豬種腸道中優(yōu)勢(shì)菌種與其表型性狀的潛在聯(lián)系，為地方豬腸道微生物資源的開發(fā)與利用奠定基礎(chǔ)。

1 地方豬種腸道微生物的組成和多樣性特征

豬腸道中微生物種類復(fù)雜多樣，可達(dá)500多種，其中，細(xì)菌含量約占微生物總數(shù)的99%，為發(fā)揮作用的主要微生物，古菌和真核微生物等占1%[7]。腸道內(nèi)菌群多達(dá)25個(gè)門，引進(jìn)豬種和地方豬種都以厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和螺旋菌門(Spirochaetes)為主[8]，不同的是，在對(duì)地方豬種及引進(jìn)豬種糞便中微生物群落多樣性進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)榮昌豬(地方豬種)腸道微生物群落中優(yōu)勢(shì)種/屬菌的數(shù)量高于長(zhǎng)白豬和杜洛克豬[9]，說明地方豬種的微生物組成更加豐富多樣。以藏豬和榮昌豬為代表的地方豬種比大白豬具有更高的Firmicutes和Spirochaetes及更低的Bacteroidetes豐度，屬水平上，F(xiàn)irmicutes主要以乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、梭菌屬(Clostridium)和芽孢桿菌屬(Bacillus)為主；Bacteroidetes主要以擬桿菌屬(Bacteroides)和普氏菌屬(Prevotella)為主。同時(shí)，地方豬種類型不同，腸道微生物菌群存在顯著差異，金華豬糞便微生物主要以Firmicutes和Bacteroidetes為主，其中Firmicutes豐度(70.42%)顯著高于杜洛克豬(39.63%)、約克夏豬(42.02%)和長(zhǎng)白豬(45.55%)，而Bacteroidetes豐度(14.36%)遠(yuǎn)低于3個(gè)外來引進(jìn)品種(杜洛克豬57.01%、長(zhǎng)白豬47.64%、約克夏豬51.38%)[10]；藏豬、榮昌豬主要腸道菌群除Bacteroidetes、Firmicutes外，Spirochaetes和變形菌門(Proteobacteria)也占據(jù)主要地位[11]。盡管各地方豬種的優(yōu)勢(shì)菌群相差不大，但各菌屬相對(duì)豐度相同(表1)。

表1 不同類型地方豬種的微生物組成和優(yōu)勢(shì)菌屬Table 1 Microbial composition and dominant bacteria of different types of native pigs

2 地方豬種腸道微生物與優(yōu)良性狀關(guān)聯(lián)的特性

2.1 腸道微生物與抗病能力

抗病力高是地方豬種的優(yōu)良特性之一?？共⌒耘c地方豬種體內(nèi)的部分菌株豐度呈正相關(guān)。面對(duì)病原體入侵，地方豬種表現(xiàn)出更少的感染率和更輕的炎癥表現(xiàn)，在這個(gè)過程中，腸道中潛在的有益微生物會(huì)增加并通過不同的機(jī)制影響宿主腸道免疫。大量研究已表明，地方豬種腸道中具有較高豐度的Lactobacillus、Bacillus、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、密螺旋體屬(Treponema)、顫螺菌屬(Oscillospira)等有益菌。Zhao等[24]建立了民豬和約克夏豬結(jié)腸炎模型，發(fā)現(xiàn)Lactobacillus和Ruminococcus等有益菌在疾病組的民豬中得到富集。Lactobacillus能夠表達(dá)色氨酸酶，是代謝色氨酸的最重要共生菌，它可保護(hù)被致病菌破壞的腸上皮屏障的完整性，并減少潛在致病菌的數(shù)量。Ruminococcus可以促進(jìn)短鏈脂肪酸(SCFAs)濃度的增加，保護(hù)腸道屏障功能從而發(fā)揮抗炎作用。有研究表明，將從民豬腸道中篩選出來的枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)和貝萊斯芽孢桿菌(Bacillusvelezensis)分別灌服斷奶仔豬和SD大鼠，發(fā)現(xiàn)可以增強(qiáng)受體免疫、抑制炎癥因子的表達(dá)和有害菌繁殖，調(diào)節(jié)腸道菌群[25-26]。Xin等[27]利用反相液相色譜提取了藏豬源Bacillussubtilis的抑菌物質(zhì)——抗菌肽，該肽可以有效抑制癌細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育，可以很好地起到抗炎殺菌的作用。和菌表達(dá)抗菌肽一樣，很多地方豬種的優(yōu)勢(shì)菌都通過受體蛋白和通路影響機(jī)體免疫，在結(jié)腸炎癥條件的刺激下，Bacteroidetes抗原通過具有細(xì)菌硫酸酯酶活性的外膜囊泡定位于宿主免疫細(xì)胞，誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞的激活，抑制炎癥的進(jìn)一步發(fā)生[28]。Treponema和Oscillospira豐度與類固醇合成通路基因表達(dá)呈顯著正相關(guān)，與膀胱癌等合成通路基因表達(dá)呈顯著負(fù)相關(guān)[22]，促進(jìn)機(jī)體類固醇的合成，抵制敗血癥、癌癥等疾病的發(fā)生[29-30]。由此可見，地方豬種抗病力強(qiáng)與其體內(nèi)微生物有很大的關(guān)聯(lián)，其優(yōu)勢(shì)菌群能夠直接或間接地影響機(jī)體的免疫，從而影響抗病性表型的形成。

2.2 腸道微生物與耐粗飼

耐粗飼是地方豬種的種質(zhì)特性之一[31]，地方豬種消化粗纖維的能力高于引進(jìn)豬種，這可能與其優(yōu)勢(shì)菌屬Ruminococcus等有關(guān)[32]，Ruminococcus等能夠?qū)㈦y消化的多糖分解為SCFAs，從而促進(jìn)與腸黏膜腸上皮細(xì)胞G蛋白偶聯(lián)受體(GPR)的結(jié)合，通過腸-腦軸調(diào)控中樞神經(jīng)系統(tǒng)，分泌與食欲相關(guān)的激素，刺激機(jī)體的采食量，使機(jī)體更好地進(jìn)行能量攝入[33]。此外，地方豬腸道中富含降解纖維素類物質(zhì)的微生物，能夠降解機(jī)體攝入的難分解的物質(zhì)，進(jìn)而被機(jī)體吸收利用，為機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育提供營養(yǎng)來源。Prevotella、纖維桿菌屬(Fibrobacter)、Bacillus等優(yōu)勢(shì)菌屬也與粗纖維代謝有關(guān)。Prevotella可以分泌碳水化合物降解酶(GHs)，通過催化糖苷鍵水解或重排來降解多糖[34]，F(xiàn)ibrobacter能夠分泌纖維素酶來分解纖維素[35]。同時(shí)，盲腸微生物可以將羧甲基纖維素降解為還原糖[36]，這些方式直接促進(jìn)了營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而促使機(jī)體產(chǎn)生耐粗飼的特性。

2.3 腸道微生物與肉品質(zhì)

我國地方豬種的肉品質(zhì)相較于引進(jìn)品種有顯著優(yōu)勢(shì)，素有肉質(zhì)優(yōu)良的盛名[37]。具體表現(xiàn)為保水能力強(qiáng)、肉色鮮紅等特點(diǎn)[38]，這與其獨(dú)特的微生物有關(guān)。肉品質(zhì)與機(jī)體脂質(zhì)代謝有關(guān)，受微生物影響[39-40]。研究發(fā)現(xiàn)，Prevotellacopri可以通過激活Toll樣受體4(TLR4)和哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號(hào)通路激活宿主慢性炎癥反應(yīng)，并顯著上調(diào)了與脂肪生成和脂肪積累相關(guān)的基因的表達(dá)，從而增加宿主的脂肪沉積[41]。地方豬種體內(nèi)Firmicutes與Bacteroidetes比例更高，從而導(dǎo)致更高的體脂肪質(zhì)量、更高的慢收縮纖維比例、更小的纖維大小和快速Ⅱb纖維百分比，并增強(qiáng)腓腸肌的脂肪生成[42]。除此之外，F(xiàn)irmicutes中的優(yōu)勢(shì)菌屬能夠產(chǎn)生SCFAs，一方面通過調(diào)控脂質(zhì)代謝相關(guān)基因的表達(dá)，直接影響機(jī)體的脂質(zhì)代謝，另一方面作為信號(hào)分子激活短鏈脂肪酸受體(GPR)41和GPR43間接影響脂質(zhì)代謝[43-44]。金華豬腸道菌群中Epulopiscium和支原體屬(Mycoplasma)通過調(diào)控脂肪酸結(jié)合蛋白表達(dá)來調(diào)節(jié)豬的脂肪沉積[45]，回腸中的優(yōu)勢(shì)真菌屬卡扎斯坦酵母屬(Kazachstania)和擔(dān)子菌酵母屬(Naganishia)與脂肪沉積也存在相關(guān)性[13]。此外，約氏乳桿菌(Lactobacillusjohnsonii)也能夠增強(qiáng)豬在肌肉中沉積脂肪的能力[46]。由此可見，地方豬種微生物是導(dǎo)致其肌內(nèi)脂肪含量高、肉色鮮紅、口感鮮嫩多汁、肉味兒較濃的重要因素。

2.4 腸道微生物與抗逆性能

微生物可以激發(fā)機(jī)體的抗寒能力、抗應(yīng)激水平和抗氧化能力。近期有研究表明，腸道細(xì)菌是Nod2配基的重要來源，Nod2配基(如MDP)可以直接被下丘腦神經(jīng)元識(shí)別，影響動(dòng)物的食欲和體溫調(diào)控系統(tǒng)[47]。研究表明，金華豬腸道中Clostridium、擬桿菌屬(Bacteroides)、Oscillospira的含量比較高，F(xiàn)irmicutes/Bacteroidetes比例也高，這直接或間接地促進(jìn)其抗逆特性。Firmicutes/Bacteroidetes比例越高時(shí)，腸道中可吸收利用的SCFAs的含量越多，腸道微生物從飲食中提取的能量效率越高[48-49]。Bacteroides和Oscillospira豐度均與背膘厚呈正相關(guān)[43]；Bacteroides促進(jìn)與回腸脂類物質(zhì)吸收相關(guān)的酶類mRNA表達(dá)[50]；Oscillospira促進(jìn)宿主能量吸收從而導(dǎo)致脂肪沉積[51]。此外，富集的優(yōu)勢(shì)菌可能會(huì)直接或間接地導(dǎo)致白色脂肪發(fā)生棕色化以抵御寒冷[52]，促進(jìn)代謝產(chǎn)熱[53]。除對(duì)寒冷表現(xiàn)良好的抵抗效果，地方豬種對(duì)抗應(yīng)激及抗氧化的能力也與微生物密不可分。Clostridium中的丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)可以提高仔豬還原型輔酶Ⅰ和Ⅱ、過氧化物酶、超氧化物歧化酶(SOD)活性，清除應(yīng)激狀態(tài)下所產(chǎn)生的活性氧和自由基，從而發(fā)揮抗氧化作用[54]；同時(shí)通過誘導(dǎo)機(jī)體核轉(zhuǎn)錄因子紅系衍生的核因子2相關(guān)因子2(Nrf2)的表達(dá)來調(diào)節(jié)抗氧化酶的表達(dá)，進(jìn)而抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)[55]。Bacillussubtilis能夠提高谷胱甘肽過氧化氫酶(GSH-Px)活性和總抗氧化能力，增加回腸中Nrf2和血紅素氧合酶-1(HO-1)基因的表達(dá)水平，保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的損傷[25]。采用Lactobacillus發(fā)酵飼料可以顯著提高生長(zhǎng)豬血清中SOD和GSH-Px活性，顯著降低丙二醛含量[56-57]。由此可見，地方豬種優(yōu)勢(shì)菌群的富集對(duì)宿主抗逆表型具有顯著的促進(jìn)作用。

3 地方豬種腸道微生物在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 地方豬種腸道微生物的營養(yǎng)調(diào)控

腸道微生物可以利用宿主無法直接吸收的飼料成分分解得到SCFAs和葡萄糖等，給機(jī)體生長(zhǎng)繁殖提供營養(yǎng)，促進(jìn)宿主的生長(zhǎng)發(fā)育。營養(yǎng)素(碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì))、抗生素和微生態(tài)制劑等都是影響豬營養(yǎng)調(diào)控的原因。有研究表明，飼喂藏豬纖維含量比較多的飼糧可以使其腸道菌群更加豐富[22]，同時(shí)，飼喂高纖維水平飼糧的豬胃腸道微生物活性高于飼喂低纖維水平飼糧[58]，這說明了高纖維飲食能夠豐富腸道菌群的多樣性。地方豬種對(duì)于營養(yǎng)素的調(diào)控與引進(jìn)豬種類似。與飼喂高蛋白質(zhì)飼糧組(20%)相比，低蛋白質(zhì)飼糧組(15%)豬的糞便中，吲哚、SCFAs和支鏈脂肪酸的含量均減少，說明腸道微生物對(duì)蛋白質(zhì)的利用與飼糧中蛋白質(zhì)的添加量有很大的關(guān)聯(lián)[59]。同樣，飼糧中脂肪水平對(duì)豬的腸道微生物有一定的影響，研究發(fā)現(xiàn)，高脂肪水平飼糧增加了糞便中Bacteroides的數(shù)量，降低了益生菌的數(shù)量[60]。豬飼糧中添加Bacillusvelezensis能夠提高毛螺菌科和Lactobacillus的相對(duì)豐度，降低鏈球菌屬(Streptococcus)等條件致病菌的相對(duì)豐度[61]。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)該根據(jù)豬的品種和日齡等選擇最適合豬的飼糧搭配，從而使腸道菌群達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)。

3.2 地方豬種FMT

在實(shí)際生產(chǎn)中，仔豬由于自身抵抗力差或外界干擾很容易引起腸道疾病，尤其在斷奶前后，由于腸道微生物菌群發(fā)生改變，容易引起腹瀉等疾病。地方豬種由于其獨(dú)特的微生物組成及結(jié)構(gòu)，其斷奶應(yīng)激反應(yīng)較小。根據(jù)此特點(diǎn)，可以通過FMT解決仔豬斷奶時(shí)的腸道問題，將處理后的健康地方豬種糞便菌液移植到仔豬體內(nèi)達(dá)到改善腸道健康的目的。Teng等[5]研究將民豬哺乳母豬的糞便移植到新生約克夏仔豬的體內(nèi)，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Firmicutes相對(duì)豐度增加、Bacteroidetes相對(duì)豐度降低，免疫水平得到提高。Hu等[62]將成年金華豬糞便菌懸液灌服給杜×長(zhǎng)×大三元仔豬，飼喂一段時(shí)間后，受飼仔豬結(jié)腸中Firmicutes、Prevotella、Ruminococcus等相對(duì)豐度增加，小腸黏膜中β-防御素2蛋白的表達(dá)量增加，腹瀉發(fā)生率降低。Diao等[63]的研究表明，藏豬糞便生物群可以使仔豬腹瀉指數(shù)降低，提高吸收酶活性。Hu等[64]將健康從江香仔豬糞便微生物群移植到長(zhǎng)×大二元雜交商品(LY)仔豬體內(nèi)，可顯著提高LY仔豬糞便中GasseriLA39和Lactobacillusfrumenti的相對(duì)豐度，降低了早期斷奶仔豬腹瀉發(fā)生率和腹瀉指數(shù)，對(duì)治療腹瀉有一定效果。由此可見，地方豬種糞菌移植有利于引進(jìn)豬種優(yōu)良性狀的形成。盡管如此，F(xiàn)MT在單一腸段具有一定局限性，對(duì)微生物區(qū)系的影響主要集中在回腸[65]，因此在進(jìn)行FMT時(shí)，我們應(yīng)該使用基于空腸、回腸、盲腸、結(jié)腸等組合而成的全腸段微生物移植，同時(shí)通過靶向重塑受體生態(tài)位點(diǎn)(尤其小腸)的菌群移植，從而更好地改善機(jī)體健康和營養(yǎng)利用表型[66]。此外，F(xiàn)MT在動(dòng)物生產(chǎn)中也存在某些局限性，它可能攜帶生長(zhǎng)緩慢的特性，有研究表明將高飼料利用率的育肥豬糞便移植到母豬或后代，發(fā)現(xiàn)移植母豬的后代體重顯著低于對(duì)照母豬的后代，這可能是由于FMT導(dǎo)致了后代生長(zhǎng)受損，表明FMT存在一定的局限性[65]。因此，基于高通量測(cè)序手段分析腸道中能夠發(fā)揮特異性作用的核心菌群并在體外分離篩選，理論上具有更好的作用效果，可能在改善受體相應(yīng)性狀同時(shí)也不會(huì)影響到其他性能。

3.3 地方豬種腸源益生菌的篩選與應(yīng)用

地方豬種腸道微生物菌群豐富多樣，篩選潛在的有益菌直接或間接地飼喂給受體動(dòng)物能夠提高生產(chǎn)效益。我們通過多組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)地方豬種和引進(jìn)豬種相比，F(xiàn)irmicutes豐度較大，由此可以針對(duì)性地挖掘出Bacillus、Lactobacillus等優(yōu)勢(shì)菌株，研究它們對(duì)豬的影響。劉鎖珠等[67]從藏豬糞便分離出解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens) TL，由于它可高產(chǎn)纖維素酶，可促進(jìn)草食性狀。張友華等[68]從榮昌豬腸道中篩選出Lactobacillus，可用來研制微生態(tài)制劑，對(duì)抗逆性具有促進(jìn)作用。單明旭[69]篩選出1株民豬源貝萊斯芽孢桿菌MZ-78，具有很好的抑菌效果，可作為一種豬用抗腹瀉益生菌劑進(jìn)行開發(fā)利用。楊雪[70]從民豬糞便中篩選出了多株玉米赤霉烯酮降解菌，可以高效地降解玉米赤霉烯酮。王曉旭[71]從民豬糞便中分離出枯草芽孢桿菌MZ-01，它具有良好的抑制病原菌生長(zhǎng)的效果，可作為一種民豬源益生菌株進(jìn)行開發(fā)利用，將其灌服給斷奶仔豬，可以有效減輕仔豬的腹瀉，抑制炎癥因子的表達(dá)[25]。由此可見，地方豬腸源益生菌的篩選和應(yīng)用可以有效地改善由仔豬斷奶引發(fā)的腸道紊亂，調(diào)節(jié)腸道菌群平衡。

4 小 結(jié)

地方豬種腸道中豐富多樣的微生物菌群與其肉品質(zhì)、耐粗飼、抗逆性等優(yōu)良性狀密切相關(guān)。其腸道中Treponema、Prevotella、Ruminococcus等優(yōu)勢(shì)菌屬可以通過激活體內(nèi)特異性的通路引發(fā)宿主生理變化，從而影響肉品質(zhì)、耐粗飼、抗逆性等性狀的形成。轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和基因組等技術(shù)的發(fā)展，為精細(xì)化分析地方豬種特異性菌株對(duì)宿主表型的促進(jìn)作用提供了便利。通過微生物功能及宿主性狀的聯(lián)系，采用FMT和定量篩選益生菌等方法作用于商品豬，能夠使受試動(dòng)物特異性擁有和地方豬種相一致的優(yōu)良性狀，進(jìn)而提高生產(chǎn)效益，造福養(yǎng)殖業(yè)。