丁酸對(duì)母豬繁殖性能的影響及其機(jī)制

魯春靈 馮 斌 黃建奎

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究所，成都 611130；2.廣西商大科技股份有限公司，南寧 530105)

近年來(lái)隨著母豬品種的改良及管理水平的提高，國(guó)內(nèi)豬場(chǎng)母豬平均窩總產(chǎn)仔數(shù)已超過(guò)14頭，但平均有效活產(chǎn)仔數(shù)卻不到12頭(去除弱仔)，這導(dǎo)致我國(guó)每頭母豬年提供斷奶仔豬數(shù)不到24頭，遠(yuǎn)低于歐美水平(數(shù)據(jù)來(lái)源《2021年全國(guó)豬業(yè)數(shù)據(jù)報(bào)告》)，這也成為限制我國(guó)生豬養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)瓶頸。同時(shí)，低繁殖效率客觀上導(dǎo)致更多的母豬需求，這對(duì)飼料供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)造成巨大壓力。

隨著短鏈脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)的受體——G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor，GPCR)在胎膜和子宮血管中被發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)SCFA對(duì)母豬繁殖性能的影響研究受到了關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加SCFA可以提高母豬平均日采食量、仔豬窩增重和斷奶重等，縮短產(chǎn)程和發(fā)情間隔。但是關(guān)于丙酸和乙酸調(diào)控母豬繁殖性能的研究較少，且具體機(jī)制尚不清楚，而對(duì)丁酸鹽的研究相對(duì)較多。因此，本文重點(diǎn)闡述丁酸對(duì)母豬繁殖性能的影響及其可能機(jī)制。

1 丁酸概述

丁酸是含4個(gè)碳原子的羧酸，主要是由腸道微生物群中的厚壁菌門(mén)微生物利用不可溶纖維素、抗性淀粉類(lèi)等難以消化的碳水化合物發(fā)酵形成。丁酸占單胃動(dòng)物腸道產(chǎn)生SCFA的20%左右，其在盲腸和在近端結(jié)腸組織中的含量較高，并且在越往后段腸道中其含量會(huì)逐步減少。高含量的丁酸首先被腸道吸收并經(jīng)過(guò)肝門(mén)靜脈竇進(jìn)入全身血液循環(huán)，然后在肝臟組織以及外周組織器官中進(jìn)行代謝，從而轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和信號(hào)分子來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體正常的生理活動(dòng)。丁酸被腸上皮細(xì)胞吸收后，一部分可被結(jié)腸和肝臟代謝為乙酰輔酶A或丙酰輔酶A，然后通過(guò)三羧酸(tricarboxylic acid，TCA)循環(huán)為機(jī)體供能，其化學(xué)計(jì)量學(xué)遵循一般的方程：57.5C6H12O6+45H2O→65乙酸+20丙酸+15丁酸+140H2+95CO2+288ATP[1]。

丁酸可通過(guò)擴(kuò)散或跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的方式被腸上皮細(xì)胞吸收。其中，最重要的丁酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體是細(xì)胞膜囊泡內(nèi)的單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(monocarboxylate transporter，MCT)，如MCT1和鈉離子偶聯(lián)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(sodium coupled monocarboxylate transporter，SMCT)[2-3]。SMCT1在小鼠大腸中優(yōu)先轉(zhuǎn)運(yùn)丁酸鹽[4]，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MCT1和SMCT1從腸腔吸收丁酸，而基底外側(cè)MCT4和MCT5將丁酸轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞(圖1)[5]。

MCT：?jiǎn)昔人徂D(zhuǎn)運(yùn)載體 monocarboxylate transporter；SMCT：鈉離子偶聯(lián)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 sodium coupled monocarboxylate transporter。圖1 結(jié)腸吸收丁酸的示意圖Fig.1 Schematic diagram of butyrate absorption in colon

丁酸可以激活短鏈游離脂肪酸受體(free fatty acid receptor，F(xiàn)FAR)2(GPR43)和FFAR3(GPR41)[6]，GPCR在不同組織的免疫細(xì)胞以及對(duì)代謝調(diào)節(jié)至關(guān)重要的上皮細(xì)胞和內(nèi)分泌細(xì)胞中均有表達(dá)。在黏膜中，丁酸可以進(jìn)入毛細(xì)血管，并經(jīng)門(mén)靜脈到達(dá)肝臟。肝臟從門(mén)靜脈循環(huán)中吸收了大部分丁酸用于合成酮體[7]。

2 丁酸對(duì)母豬繁殖性能的影響

丁酸受體GPR41和GPR43在胎盤(pán)、羊膜、絨毛膜和子宮肌層組織中均被發(fā)現(xiàn)。在胎盤(pán)合體滋養(yǎng)層和胎兒血管中的免疫細(xì)胞中檢測(cè)到GPR43。在絨毛膜中，GPR43定位于羊膜上皮、絨毛膜滋養(yǎng)細(xì)胞和絨毛膜中胚層內(nèi)的巨噬細(xì)胞。研究表明，GPR41和GPR43的mRNA在產(chǎn)婦分娩后的子宮肌層和胎膜上皮中的免疫細(xì)胞和血管內(nèi)皮中高表達(dá)[8]。

2.1 丁酸對(duì)后備母豬繁殖性能的影響

母豬在受精后返情會(huì)給養(yǎng)殖業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。He等[9]在160～175日齡后備母豬配種前1個(gè)月開(kāi)始飼喂0.5 g/kg的丁酸鈉(sodium butyrate,SB)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)受精后的后備母豬復(fù)情率降低，表明SB在一定程度上可以調(diào)節(jié)母豬的受精過(guò)程，但其機(jī)制尚不清楚。體外研究表明，用SB處理豬卵母細(xì)胞2 h可提高卵母細(xì)胞成熟率，并促進(jìn)囊胚形成[10-11]。此外，丁酸鹽還可以促進(jìn)胚胎血紅蛋白的生成，增強(qiáng)臍血攜氧能力，提高胚胎著床能力[12]。

孕酮在妊娠的建立和維持以及分娩的開(kāi)始中起著至關(guān)重要的作用，可以提高胚胎植入率、降低流產(chǎn)和早產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)[13]。排卵前雌二醇濃度的增加可以增加妊娠成功率[14]。丁酸可通過(guò)環(huán)腺苷酸(cAMP)信號(hào)通路調(diào)控豬顆粒細(xì)胞中孕酮和雌二醇激素的合成[15]。對(duì)妊娠期母鼠注射1 g/kg SB，結(jié)果表明，SB可通過(guò)調(diào)節(jié)磷脂代謝和卵巢孕酮合成，降低妊娠損失，預(yù)防流產(chǎn)[16]。綜上可知，SB可能通過(guò)提高后備母豬的受精率，促進(jìn)卵泡發(fā)育和雌激素的分泌來(lái)提高后備母豬的繁殖性能。

2.2 丁酸對(duì)妊娠母豬繁殖性能的影響

妊娠母豬過(guò)肥會(huì)造成難產(chǎn)，為了確保其健康生產(chǎn)，防止孕酮分泌不足、體況過(guò)肥，生產(chǎn)上常常采用限飼管理方式。但是限飼不當(dāng)又會(huì)引起母豬便秘、產(chǎn)仔數(shù)少等弊端。研究表明，SB有助于維持腸道完整性和屏障功能，提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化率[17]。飼糧添加0.5 g/kg SB可提高母豬妊娠后期的平均日采食量，降低體重?fù)p失[18]。另有研究發(fā)現(xiàn)，飼喂微囊SB可縮短產(chǎn)程[19]，而添加1.5 g/kg丁酸鉀(丁酸鹽含量為80%)和1.5 g/kg微囊包膜SB(丁酸鹽含量為30%)對(duì)母豬繁殖性能未產(chǎn)生顯著影響[20]。方翠林[21]研究表明，飼糧添加0.5 g/kg包膜SB可顯著提高母豬機(jī)體抗應(yīng)激和免疫能力，使得乳汁的質(zhì)量得到改善，進(jìn)而提高后代的生長(zhǎng)性能。以上研究表明，相同形式的丁酸鹽作用于妊娠母豬和泌乳母豬會(huì)產(chǎn)生不同效果，這可能與母豬自身的生理變化有關(guān)。SB還可以通過(guò)影響胎盤(pán)來(lái)提高妊娠母豬的繁殖性能。有研究發(fā)現(xiàn)，SB可顯著降低大鼠血壓和炎癥因子[白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、白細(xì)胞介素-6(IL-6)和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)]表達(dá)水平，增加胎兒數(shù)和提高胎盤(pán)重量及腸屏障標(biāo)志物[閉鎖小帶蛋白-1(ZO-1)、封閉蛋白-5(claudin-5)和閉合蛋白(occludin)]的表達(dá)水平[22]。

2.3 丁酸對(duì)泌乳母豬繁殖性能的影響

母豬初乳中含有蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、乳糖和生物活性物質(zhì)等，初乳的質(zhì)量和產(chǎn)量直接影響后代仔豬生長(zhǎng)存活。研究表明，飼糧添加SB可提高母豬的泌乳量和乳脂含量[21]，這可能與SB能作用于乳腺細(xì)胞，促進(jìn)乳腺發(fā)育有關(guān)，但其具體機(jī)制尚不清楚。也有研究表明，飼糧添加包膜SB對(duì)哺乳期母豬的繁殖性能和仔豬的生產(chǎn)性能無(wú)顯著影響[23]，這可能與SB的添加量有關(guān)。從初產(chǎn)母豬妊娠第90天至泌乳，每日添加6 g微囊SB，可顯著降低初生弱仔數(shù)和木乃伊數(shù)，提高初生重和窩重，從而提高母豬繁殖性能[24]。飼糧添加0.5～1.0 g/kg微囊SB能夠提高母豬泌乳期采食量和斷奶仔豬窩重，減少分娩助產(chǎn)比例及縮短產(chǎn)程和斷奶后的發(fā)情間隔[25-26]。綜上可知，SB通過(guò)提高泌乳母豬的采食量改善泌乳母豬的繁殖性能，間接影響產(chǎn)程和發(fā)情間隔，并通過(guò)提高乳品質(zhì)來(lái)促進(jìn)后代仔豬的生長(zhǎng)性能。飼糧添加丁酸鹽對(duì)母豬繁殖性能的影響相關(guān)研究[9-11,15,18-19,21,24-28]見(jiàn)表1。

表1 飼糧添加丁酸鹽對(duì)母豬繁殖性能的影響Table 1 Effects of dietary butyrate on reproductive performance of sows

3 丁酸影響母豬繁殖性能的分子機(jī)制

3.1 抗氧化途徑

氧化應(yīng)激會(huì)導(dǎo)致蛋白硝基化，而酶、受體、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白硝化可能會(huì)影響生理和病理環(huán)境中的胎盤(pán)功能[29]。妊娠母豬在胚胎附植前7 d的過(guò)程中持續(xù)處在低氧環(huán)境中，而胚胎附植后，由于胎盤(pán)血液循環(huán)的建立，使得胎兒從低氧進(jìn)入高氧環(huán)境，胎盤(pán)離子穩(wěn)態(tài)失衡導(dǎo)致氧化應(yīng)激，嚴(yán)重的氧化應(yīng)激會(huì)引起母豬早產(chǎn)、流產(chǎn)、木乃伊、死胎和胎兒宮內(nèi)生長(zhǎng)受限等妊娠疾病[30-31]。

長(zhǎng)沙為湖南省省會(huì)，位于湖南的東部偏北，坐標(biāo)為 111°53′—114°5′E，27°51′—28°40′N(xiāo)，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，春、夏季冷暖氣流交匯頻繁，容易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣及雷暴活動(dòng)。長(zhǎng)沙地區(qū)年平均氣溫為17.4 ℃，年平均降水總量為 1 475.7 mm，平均降水日數(shù)為 154.7 d，年平均雷暴日為 47.7 d，屬多雷區(qū)。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2002—2017年長(zhǎng)沙地區(qū)共計(jì)發(fā)生雷電災(zāi)害事故1 807起，造成22人死亡，30人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失1 584.92萬(wàn)元。

丁酸與轉(zhuǎn)錄因子核因子-κB(NF-κB)和核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)相互作用，發(fā)揮抗氧化和抗炎作用[32]。氧化應(yīng)激可以破壞細(xì)胞內(nèi)的氧化還原水平，進(jìn)而抑制/激活幾種信號(hào)分子和信號(hào)通路，例如Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1(Keap1)-Nrf2-抗氧化反應(yīng)元件(ARE)信號(hào)通路、NF-κB信號(hào)通路等，進(jìn)而調(diào)控機(jī)體的生理功能[33]。NF-κB是一種誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄因子，是氧化的直接靶標(biāo)，可以保護(hù)機(jī)體免受氧化應(yīng)激，其也是丁酸的靶點(diǎn)。研究表明，SB可以上調(diào)結(jié)腸細(xì)胞中編碼NF-κB抑制因子(IκB)的基因表達(dá)，抑制NF-κB活化，能有效減少過(guò)氧化氫(H2O2)和氧化應(yīng)激對(duì)DNA的損傷[34]。

3.2 抗炎途徑

在妊娠期間，母豬的生理狀況和免疫功能都發(fā)生了巨大變化。母豬血液中的促炎因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和IL-6表達(dá)水平顯著升高，進(jìn)而參與許多疾病，包括流產(chǎn)和宮內(nèi)生長(zhǎng)遲緩(IUGR)。此外，妊娠期通過(guò)腸道屏障進(jìn)入體循環(huán)的細(xì)菌脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)增加，體循環(huán)中LPS含量的增加可導(dǎo)致代謝性?xún)?nèi)毒素血癥。因此，在妊娠中后期和哺乳期，減少炎癥反應(yīng)并確保母豬正常的代謝和免疫反應(yīng)，對(duì)母豬及其后代的生產(chǎn)性能至關(guān)重要。

丁酸通過(guò)結(jié)合GPCR和催化位點(diǎn)中的鋅離子(Zn2+)降低HDAC的活性，進(jìn)而下調(diào)炎癥相關(guān)因子，如磷脂酰肌醇(3,4,5)-三磷酸、磷脂酶C、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、磷脂酶A2、Nod樣受體蛋白3以及cAMP的水平[38]，提高轉(zhuǎn)錄因子叉頭蛋白3(Foxp3)的表達(dá)[39]，進(jìn)而減少炎癥和病原體浸潤(rùn)，維持腸道屏障完整性，提高Treg細(xì)胞的增殖和活性，增強(qiáng)先天免疫功能[39-41]。丁酸作用于腸上皮細(xì)胞的GPCR，能夠誘導(dǎo)T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的增殖分化，增強(qiáng)機(jī)體免疫能力。轉(zhuǎn)錄因子NF-κB與Toll樣受體(TLR)結(jié)合，在轉(zhuǎn)錄水平上控制多種炎癥基因的表達(dá)，包括TNF-α和IL-6等。丁酸通過(guò)抑制NF-κB活性來(lái)減少TNF-α的產(chǎn)生[42]。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加1 g/kg SB可以提高母豬血清中白細(xì)胞介素-10(IL-10) mRNA表達(dá)，降低TLR4 mRNA表達(dá)和仔豬腹瀉率[26]。此外，SB可通過(guò)降低初乳中TNF-α的水平和提高初乳中免疫球蛋白A的含量來(lái)提高新生仔豬的免疫功能[9]。以上研究結(jié)果表明，丁酸鹽通過(guò)提高抗炎因子水平，降低促炎因子水平，從而發(fā)揮抗炎功能。又有研究發(fā)現(xiàn)，1 mmol/L SB可以激活TLR4信號(hào)通路，緩解LPS誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[43]。炎性體NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NLRP3)能夠促進(jìn)炎性細(xì)胞因子分泌[44]，而H3K9ac有利于抗炎細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄[45]。用SB處理牛巨噬細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，0.25 mmol/L SB顯著降低了LPS誘導(dǎo)的NLRP3表達(dá)，而1.00 mmol/L SB顯著增加H3K9ac蛋白的表達(dá)[46]。綜上可知，SB主要通過(guò)抑制HDAC和NF-κB活性來(lái)提高免疫細(xì)胞活性，修復(fù)LPS等誘導(dǎo)的黏膜損傷，提高母豬的繁殖性能。

3.3 供能途徑

丁酸作為結(jié)腸上皮細(xì)胞主要的能量來(lái)源物質(zhì)，70%～90%被結(jié)腸細(xì)胞代謝，可為機(jī)體提供約6%的維持凈能[49]。而這與母豬分娩時(shí)產(chǎn)程縮短密切相關(guān)，從而提高母豬的繁殖性能。前文提到SB可提高妊娠和泌乳母豬平均日采食量，在目前母豬低能量、高蛋白質(zhì)的飼糧組成上，增加能量攝入可以增加泌乳期母豬營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)備[50]，減少能量不足對(duì)母豬體況的不利影響，從而提高母豬的繁殖性能。丁酸作為能量來(lái)源作用于炎癥性腸病患者，使結(jié)腸MCT1顯著下調(diào)，而使葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(GLUT1)上調(diào)，表明丁酸可轉(zhuǎn)換為葡萄糖并通過(guò)TCA循環(huán)為機(jī)體供能[38]。SCFA作為分娩前子宮的能量來(lái)源[51]，可以縮短分娩時(shí)間以減少死產(chǎn)[19]、改善初乳成分和產(chǎn)量[26]。丁酸調(diào)控母豬繁殖性能的可能分子機(jī)制見(jiàn)圖2。

3.4 激素調(diào)節(jié)途徑

瘦素由脂肪組織分泌[52]，不僅參與能量穩(wěn)態(tài)，還具有調(diào)節(jié)生殖、造血的作用[53]。在胎盤(pán)中，瘦素是炎癥和免疫反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[54-55]。胎盤(pán)瘦素表達(dá)過(guò)高，會(huì)增加妊娠期糖尿病和子癇前期的患病幾率；瘦素表達(dá)過(guò)低伴隨著胎盤(pán)抗炎功能下降[56]。瘦素還能促進(jìn)骨髓、紅細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的生成，并可能促進(jìn)胎兒免疫系統(tǒng)的成熟[57]。丁酸被證明可以減少炎癥，調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和分化，并誘導(dǎo)瘦素釋放[58]。丁酸通過(guò)激活FFAR2和FFAR3促進(jìn)脂肪細(xì)胞瘦素分泌[59-62]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，丁酸通過(guò)GPR41刺激脂肪細(xì)胞中瘦素的產(chǎn)生[63-64]，丁酸刺激胰高糖素樣肽-1的釋放，通過(guò)抑制誘食因子刺鼠色蛋白相關(guān)蛋白/神經(jīng)肽Y(AgRP/NPY)，促進(jìn)瘦素受體的表達(dá)，調(diào)節(jié)AMPKα和細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子3來(lái)抑制食欲[65]，而這有利于妊娠期對(duì)母豬的限飼。

LPS：脂多糖 lipopolysaccharide；TLR4：Toll樣受體4 Toll-like receptor 4；GPCR：G蛋白偶聯(lián)受體 G protein-coupled receptor；NF-κB：核因子-κB nuclear factor-kappa B；Nrf2：核因子E2相關(guān)因子2 nuclear factor E2 related factor 2；ARE：抗氧化反應(yīng)元件 antioxidant response element；HDAC：組蛋白去乙?；?histone deacetylase。圖2 丁酸調(diào)控母豬繁殖性能的可能分子機(jī)制Fig.2 Possible regulatory molecular mechanisms of butyric acid on reproductive performance of sows

皮質(zhì)醇屬于腎上腺皮質(zhì)激素，其受體幾乎存在于身體的所有細(xì)胞中，影響生殖和免疫[66]。下丘腦-垂體-腎上腺軸(hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA軸)調(diào)節(jié)皮質(zhì)醇的產(chǎn)生和分泌[67-68]。在氧化應(yīng)激刺激后，血漿皮質(zhì)醇濃度會(huì)在幾分鐘內(nèi)升高，進(jìn)而削弱免疫系統(tǒng)[69]。丁酸調(diào)控中性粒細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等的多樣化、動(dòng)員和激活[70]，修復(fù)腸道屏障，阻斷細(xì)菌和細(xì)菌產(chǎn)物的擴(kuò)散，還可以減少局部和全身炎癥[71]，影響HPA軸對(duì)皮質(zhì)醇的分泌[72-74]。

妊娠期胰島素敏感性降低與促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(CRH)和皮質(zhì)醇增加有關(guān)。胎盤(pán)CRH通過(guò)激活胎兒HPA軸可觸發(fā)分娩，胎盤(pán)CRH濃度升高、正?；蚪档头謩e與早產(chǎn)、足月和晚產(chǎn)有關(guān)[75]。在妊娠后期，胎兒HPA軸的活性增強(qiáng)，胎盤(pán)源性CRH在母體循環(huán)中進(jìn)行性增加，導(dǎo)致皮質(zhì)醇循環(huán)濃度相對(duì)增加進(jìn)而提高EPI濃度，造成不良妊娠結(jié)局[76]。研究發(fā)現(xiàn)，早產(chǎn)、IUGR和子癇前期的患者胎盤(pán)CRH和皮質(zhì)醇濃度較高[77]。丁酸可以減弱HPA軸的反應(yīng)，使CRH水平正常化[78]。

4 小 結(jié)

飼糧中添加0.5～3.0 g/kg丁酸可通過(guò)Keap1-Nrf2-ARE和NF-κB信號(hào)通路提高抗氧化能力，以及緩解炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)妊娠母體內(nèi)激素分泌和能量代謝等方式來(lái)提高母豬繁殖性能。但也有研究顯示，其并未對(duì)母豬繁殖性能有作用，造成這種差異的結(jié)果可能與豬的品種和生長(zhǎng)階段、養(yǎng)殖周期以及丁酸鹽添加形式有關(guān)，后續(xù)可以擴(kuò)大丁酸鹽添加水平梯度和時(shí)間維度來(lái)開(kāi)展進(jìn)一步研究。丁酸對(duì)母豬繁殖性能的影響的具體機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。