豬腸道微生物影響因素、作用機(jī)制及其對(duì)養(yǎng)殖效益影響的研究進(jìn)展

袁帥統(tǒng) 張 才，2

（1．河南科技大學(xué)河南省動(dòng)物福利與健康養(yǎng)殖國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471000；2．河南省肉羊繁育工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽(yáng) 471000）

微生物群是存在于宿主動(dòng)物體內(nèi)和表面所有微生物的總稱[1]。腸道包含的微生物數(shù)量、種類最多。腸道微生物群由細(xì)菌、病毒、寄生蟲(chóng)、真菌、古生菌和原生生物構(gòu)成[2]。據(jù)調(diào)查，哺乳動(dòng)物腸道可容納約1 014種微生物，包括500～1 000 個(gè)獨(dú)特物種，與宿主形成協(xié)同關(guān)系[3-4]。調(diào)控腸道微生物群可以改善宿主的營(yíng)養(yǎng)代謝水平和免疫力，可以提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能。但在生豬養(yǎng)殖中，腸道微生物群與腸道健康的關(guān)系尚未得到充分探索。

近年來(lái)，16S rRNA基因的擴(kuò)增與二代測(cè)序技術(shù)相結(jié)合，能夠深入探索豬腸道微生物組成[5]。16S rRNA 基因測(cè)序揭示了微生物群落的復(fù)雜分類學(xué)特征，有助于了解豬腸道微生物群的功能及其對(duì)豬胃腸道生理和代謝的潛在貢獻(xiàn)[6]。文章概述了豬腸道微生物群的影響因素以及腸道微生物及其代謝產(chǎn)物對(duì)腸道健康的作用機(jī)制，為提高生豬養(yǎng)殖效率提供參考。

1 豬腸道內(nèi)微生物

豬胃腸道內(nèi)共生了大量的細(xì)菌和其他微生物，其中擬桿菌門（Firmicutes）和厚壁菌門（Bacteroides）在豬的腸道中占有優(yōu)勢(shì)地位[7]。厚壁菌門的梭菌屬（ClostridiumPrazmowski）、 乳桿菌 （Lactobacillus beijerinck）和鏈球菌（Streptococcus）是豬小腸內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌種；厚壁菌門的乳桿菌屬和梭菌屬在十二指腸空腸段中占有著優(yōu)越地位；厚壁菌門的梭菌屬和變形菌門（Proteobacteria）的埃希氏菌（Escherichia）屬是回腸段的優(yōu)勢(shì)菌種； 在大腸段， 分布著雙歧桿菌（Bifidobacterium）、瘤胃球菌屬（Ruminococcus）、鏈球菌屬和乳桿菌屬；在盲腸-結(jié)腸段，主要分布著普氏菌屬（Prevotella）。此外，豬腸道中還分布小克里斯滕森氏（Christensenellaceae） 、 丁 酸 梭 菌 （Clostridium butyricum）、棒桿菌屬（Corynebacterium） 和顫桿菌（Oscillibacter）等菌群。

豬的生長(zhǎng)受腸道微生物的調(diào)控和影響，這些腸道微生物可以幫助機(jī)體合成必需氨基酸，調(diào)節(jié)脂肪代謝，提高腸道運(yùn)動(dòng)能力，促進(jìn)腸道毛細(xì)血管生成和激活免疫系統(tǒng)[8]。腸道微生物群還通過(guò)其代謝產(chǎn)物防止病原菌定植，保護(hù)腸道上皮屏障免受病原體的附著和侵害，抑制有害細(xì)菌的過(guò)度生長(zhǎng)，從而降低豬對(duì)腸道疾病的易感性[9]。

2 影響豬腸道微生物的因素

腸道微生物群在宿主中發(fā)揮各種作用，包括調(diào)控營(yíng)養(yǎng)代謝、調(diào)節(jié)免疫和抵御病原體。腸道微生物群在豬生命早期開(kāi)始定植，其組成和分布具有很強(qiáng)的時(shí)間及空間特異性。在豬的成年期，共生核心微生物群保持相對(duì)穩(wěn)定，但個(gè)體之間仍存在差異。目前，很難確定腸道微生物群的最佳組成，但對(duì)腸道微生物與宿主代謝穩(wěn)態(tài)以及豬腸道微生物影響因素的研究對(duì)提高豬的免疫功能、預(yù)防腸道疾病至關(guān)重要。

2.1 生理階段

據(jù)報(bào)道，對(duì)分娩后6 h內(nèi)收集的仔豬胎糞樣本進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，腸道微生物組的定植從子宮內(nèi)開(kāi)始，胎糞微生物組很可能從母豬垂直傳播而來(lái)[10]。研究發(fā)現(xiàn)，人類胎兒腸道微生物的定植是從子宮而來(lái)[11]。盡管這些研究提供了腸道微生物起源的觀點(diǎn)，但哺乳動(dòng)物在胎兒期是否無(wú)菌仍存爭(zhēng)議，子宮內(nèi)微生物定植對(duì)宿主發(fā)育的生物學(xué)影響仍有待研究。

與胎兒期情況不同，新生仔豬在接觸外界環(huán)境的多種微生物后，腸道微生物會(huì)有序地定植。腸桿菌屬（Enterobacter）、腸球菌屬（Enterococcus）和葡萄球菌屬（Staphylococcus）等需氧和兼性厭氧菌首先在腸道中定植[12]。隨著氧氣的消耗，腸道微環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)，這為特定厭氧菌的定植提供了得天獨(dú)厚的條件。在哺乳期，乳酸桿菌和鏈球菌在仔豬小腸中占優(yōu)勢(shì)，但斷奶后腸道環(huán)境突然發(fā)生變化，導(dǎo)致菌群重建。有研究表明，斷奶期間腸道菌群的α 多樣性存在明顯差異，植物性飲食后α多樣性進(jìn)一步增加[9]。

除了微生物多樣性的改變之外，仔豬斷奶期間糞便微生物群的組成也發(fā)生了顯著變化。在每個(gè)生理階段腸道微生物的組成也大不相同。生長(zhǎng)肥育豬，最豐富的門是厚壁菌門和擬桿菌門，其占群落的90%以上。在科水平上，斷奶仔豬中擬桿菌科和腸桿菌科的相對(duì)豐度逐漸下降，但韋榮菌科（Veillonaceae）、普雷沃菌科（Prevotaceae）、乳桿菌科（Lactobacillus）和瘤胃球菌科（Ruminococcus）的相對(duì)豐度增加。在屬水平上，斷奶會(huì)導(dǎo)致擬桿菌屬的減少以及乳酸桿菌和普氏菌屬的增加[13]，原因可能是擬桿菌屬利用母乳中的單糖和寡糖，而普氏菌降解植物日糧中的植物多糖。因此，新生仔豬的腸道從基本無(wú)菌狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槊芗奈⑸锓N群，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)穩(wěn)定、成熟的微生物群落。

2.2 腸道環(huán)境

腸道環(huán)境是微生物定植的因素之一[14-15]。腸道不同區(qū)段也影響微生物的定植。由于局部環(huán)境變化[16-17]，豬腸道中不同生態(tài)位的微生物群落具有空間異質(zhì)性，由于管腔內(nèi)容物的快速轉(zhuǎn)化和消化酶的存在，近端小腸不適合細(xì)菌定植[18]，細(xì)菌數(shù)量相對(duì)較少，十二指腸和空腸中最豐富的屬是乳酸桿菌和梭菌屬。由于中性pH值、氧氣含量降低以及適合微生物生長(zhǎng)的化合物含量降低，回腸末端的細(xì)菌發(fā)生了改變，鏈球菌（17.73%）和未指明的梭菌科屬（17.10%）是回腸中最豐富的屬；在結(jié)腸中，最主要的屬是普氏菌屬，在近端和遠(yuǎn)端分別占40.90%、34.99%[16]。

微生物分布的差異體現(xiàn)在消化道的縱向和軸向結(jié)構(gòu)上[16]，這是由于微生物種群對(duì)不同物理化學(xué)條件的反應(yīng)。由于氧氣從上皮毛細(xì)血管擴(kuò)散到腸黏膜，在黏膜中形成了富氧微環(huán)境，富集了微需氧螺桿菌科（Helicobacteraceae）和彎曲桿菌科（Campylobacteriaceae），而專性厭氧菌來(lái)自普雷沃菌科、毛螺菌科（Lachnospira）、瘤胃球菌科和韋榮氏菌科，在盲腸腔內(nèi)含量豐富[16,19]。

2.3 飲食因素

除了宿主基因型、免疫狀態(tài)和腸道環(huán)境，飲食也會(huì)影響腸道微生物群[1]。食物中碳水化合物和蛋白質(zhì)含量的改變，會(huì)導(dǎo)致腸道微生物譜發(fā)生快速變化。蛋白質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)腸道菌群具有直接影響[20-21]。含有高水平蛋白質(zhì)的飲食會(huì)使腸道轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間更長(zhǎng)和微生物群多樣性更高，低蛋白日糧可以通過(guò)增加毛螺菌科、普雷沃菌科和韋榮菌科等菌群[22]。膳食纖維雖然不能被動(dòng)物內(nèi)源性消化酶消化，但也可調(diào)節(jié)微生物群落的豐度[23]，維持腸道環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[24-25]。在飼糧中使用纖維優(yōu)化豬的腸道健康越來(lái)越受到關(guān)注，但不同來(lái)源、類型和水平的膳食纖維效果不同。

3 腸道微生物代謝產(chǎn)物對(duì)豬腸道健康的作用機(jī)制

影響豬腸道微生物的因素多種多樣，腸道環(huán)境、生理階段以及飲食的差異均可以對(duì)腸道微生物的定植起決定性作用。腸道微生物是調(diào)控腸道健康的重要參與者。腸道微生物及代謝產(chǎn)物可以通過(guò)不同通路改善腸道健康，直接或者間接參與腸道穩(wěn)態(tài)的調(diào)控和機(jī)體健康的保障。

3.1 短鏈脂肪酸對(duì)豬腸道健康的作用機(jī)制

短鏈脂肪酸也叫揮發(fā)性脂肪酸（SCFA），結(jié)腸中SCFA 的90%～95%為乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，腸道微生物群發(fā)酵形成了大量的SCFA[26]，同時(shí)SCFA 可以抑制消化道中的有害菌的繁殖，調(diào)整胃腸酸堿度，保護(hù)腸道黏膜。SCFA 可以通過(guò)各種途徑影響宿主的代謝[27]。SCFA 受體屬于G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）[28]，包含GPR43、GPR41 和GPR109。SCFA 通過(guò)調(diào)節(jié)腸道黏蛋白的分泌量調(diào)節(jié)和保護(hù)腸道黏膜屏障[29]。Chen 等[30]研究表明，SCFA 可以增強(qiáng)豬腸道中組蛋白去乙?；福℉DAC）的生物活性，抑制核轉(zhuǎn)錄因子κb（NFκB）的表達(dá)，抑制腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細(xì)胞介素-6（IL-6）、白細(xì)胞介素-18（IL-18）等的分泌。醋酸和丙酸可通過(guò)影響GPR43 上的調(diào)叉頭框轉(zhuǎn)錄因子P3（FOXP3）促使T淋巴細(xì)胞增殖，從而提高抗炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-10（IL-10）的分泌。而丁酸鹽則能夠激活GPR109A，通過(guò)抑制促炎因子白細(xì)胞介素-6（IL-6）、白細(xì)胞介素-17（IL-17）的生成分泌，增強(qiáng)樹(shù)突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞抵抗炎癥的作用。

SCFA還通過(guò)氧化作用的方式為小腸黏膜上皮細(xì)胞供給能量[31]，維持胃腸屏障功能以改變腸黏膜形態(tài)，從而減少有害菌對(duì)胃腸的黏附和破壞，保持腸黏膜的完整性。研究表明，給斷奶仔豬飼喂SCFA更有利于仔豬腸道健康和發(fā)育[32]。

3.2 膽汁酸對(duì)豬腸道健康的作用機(jī)制

膽汁酸（BA） 包含膽酸（CA） 和鵝去氧膽酸（CADA）。CADA和CA為初級(jí)膽汁酸，均儲(chǔ)存在肝臟的膽囊中，主要的生物學(xué)作用為幫助脂質(zhì)及脂溶性維生素水解、消化和吸附。動(dòng)物在消化食物時(shí)，會(huì)增加膽囊素的分泌，作用于膽囊，使其縮小，促進(jìn)膽汁分泌在小腸中用于消化。次級(jí)膽汁酸由小腸中的初級(jí)膽汁酸在膽汁酸水解酶以及擬球菌（Bacteroides）、梭形芽孢球菌（Clostridium）、雙歧桿菌（Bifidobacterium）、乳酸菌和李斯特菌（Listeria）[7,33-34]的共同作用下產(chǎn)生，如脫氧膽汁酸（DCA）和石膽酸（LCA）[35]。

BA 可刺激母豬小腸G 蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體（GPBAR），促進(jìn)胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）和GLP-2的分泌。基礎(chǔ)飼糧中加入CDCA可以刺激GPBAR，促進(jìn)GLP-1和GLP-2產(chǎn)生，GLP-2可加快母豬胃腸黏膜的修復(fù)與生長(zhǎng)[36]。小腸黏膜損傷后，需要經(jīng)過(guò)腸黏膜屏障功能的恢復(fù)與重建、創(chuàng)傷通道的構(gòu)建及通路形成以及小腸隱窩的重建。前列腺素E2（PGE2）的分泌受DCA 的調(diào)控和影響，主要表現(xiàn)為抑制作用。在腸黏膜屏障功能恢復(fù)的過(guò)程中，PEG2下降可以幫助建立傷口通路，DCA可以通過(guò)法尼醇X 受體（FXR） 抑制漿型磷脂酶A2（Cpla2）的分泌（和PEG2 合成相關(guān)），從而促進(jìn)創(chuàng)傷通道的構(gòu)建及通路形成[37]。BA還能夠刺激FXR，防止由化學(xué)因素誘發(fā)的小腸炎癥從而緩解結(jié)腸炎癥，增強(qiáng)小腸上皮細(xì)胞通透性，降低杯狀巨噬細(xì)胞的損傷。

3.3 維生素對(duì)豬腸道健康的作用機(jī)制

維生素是生物體維持正常生理代謝必不可少的營(yíng)養(yǎng)成分，參與機(jī)體生命活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，與代謝、疾病、健康密切相關(guān)。腸道微生物參與多種維生素的合成，如維生素B3、維生素B12、維生素K等，同時(shí)腸道微生物也受維生素的影響和調(diào)控。

Lee等[38]研究表明，維生素A可以影響并調(diào)控腸道菌群，維持腸黏膜的完整性，提高動(dòng)物機(jī)體和腸道的免疫功能[18]。在動(dòng)物的肝臟與腎臟中，維生素D 被兩次羥基化，轉(zhuǎn)化為1,25-二羥基基維生素D[1,25(OH)2D3]具有生物活性，其活性由維生素D受體（VDR）調(diào)控。VDR在腸道中表達(dá)，具有參與小腸上皮跨細(xì)胞鈣轉(zhuǎn)運(yùn)的作用[39]。研究表明，當(dāng)VDR 不足時(shí)，小腸跨細(xì)胞電阻明顯降低，小腸上皮細(xì)胞連接的緊密性也受到損傷，小腸黏膜通透性提高，表明VDR 的降低可能與小腸屏障損傷相關(guān)[40]。此外，維生素D還通過(guò)VDR促進(jìn)非受體蛋白酪氨酸磷酸酶2（PTPN2）的表達(dá)降低腸黏膜的通透性，從而改善腸道健康[41]。

3.4 吲哚類化合物對(duì)豬腸道健康的作用機(jī)制

色氨酸（TRP）是豬的必需氨基酸之一，參與豬的生長(zhǎng)代謝。TRP 通過(guò)腸道微生物在豬腸道中產(chǎn)生吲哚及吲哚代謝產(chǎn)物，包括吲哚丙烯酸、吲哚乳酸、吲哚-3-乙醛和吲哚-3-乙酸。豬腸道中的大腸桿菌、擬桿菌、梭形芽孢球菌、乳酸菌桿菌均能夠把TRP 轉(zhuǎn)化為吲哚及其代謝產(chǎn)物，如大腸桿菌和擬球菌均能夠?qū)RP轉(zhuǎn)化為吲哚，TRP也可以被乳酸桿菌轉(zhuǎn)化為吲哚乳酸[42]。

在豬小腸中，芳香烴受體（AHR）與增強(qiáng)機(jī)體免疫力、降低炎癥水平息息相關(guān)，同時(shí)也參與機(jī)體適應(yīng)性免疫和小腸黏膜屏障作用。色氨酸能夠啟動(dòng)AHR 信息通道，釋放IL-22，從而抑制致病菌入侵消化道，減輕腸道炎癥和維持腸道健康。TRP 能夠啟動(dòng)豬腸蛋白質(zhì)中的雷帕霉素受體（mTOR）蛋白信息通道，提高防御素表達(dá)水平[43]。

4 益生菌調(diào)控腸道微生物對(duì)生豬養(yǎng)殖效益的影響

豬腸道微生物在宿主營(yíng)養(yǎng)代謝中起重要作用，包括碳水化合物、氨基酸和脂質(zhì)代謝。腸道不同部位的微生物群在各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的代謝中表現(xiàn)能力不同。關(guān)于在飼糧中添加益生菌調(diào)控腸道微生物群改善豬的營(yíng)養(yǎng)代謝水平和免疫力、提高生產(chǎn)力的研究較多。

4.1 提高豬的生產(chǎn)性能

在飼糧中添加益生菌可以有效改善腸道微生物，提高豬的生產(chǎn)性能。有研究表明，飼喂含有乳酸菌的飼糧，仔豬腸道中厭氧菌數(shù)量顯著提高，好氧細(xì)菌及產(chǎn)氣莢膜梭菌數(shù)量顯著降低，仔豬的料重比顯著降低，日增重顯著提高[10]。蔣加進(jìn)等[44]研究表明，在豬群熱應(yīng)激狀態(tài)下，基礎(chǔ)飼糧中添加益生菌（主要由酵母菌及乳酸菌構(gòu)成）后，豬的腹瀉情況明顯改善，腸道中大腸桿菌數(shù)量也顯著降低，飼料利用率得到提高。師麗剛[45]研究表明，給感染大腸桿菌病的豬飼喂雙歧桿菌和乳酸菌的飼料可以改善豬腸道健康，提高免疫力，改善生長(zhǎng)性能。

4.2 促進(jìn)瘦肉生成

腸道微生物也可以調(diào)節(jié)宿主脂質(zhì)代謝[46-48]。肥胖仔豬的脂肪生成、脂質(zhì)氧化、能量利用和分配、蛋白質(zhì)和氨基酸代謝以及胃腸道微生物發(fā)酵等代謝途徑與瘦豬不同[41]。低脂豬的擬桿菌門豐度較高，而厚壁菌門的豐度較低。張慧等[49]研究發(fā)現(xiàn)，在飼糧中添加益生菌可以有效增加育肥豬的眼肌面積，降低背膘厚度，為優(yōu)質(zhì)豬肉產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了參考。

4.3 緩解斷奶應(yīng)激

仔豬斷奶后的自主采食量顯著減少、生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、腹瀉和疾病風(fēng)險(xiǎn)增加，尤其是大腸桿菌和沙門菌感染增加。研究表明，在飼糧中添加干酪乳桿菌亞種后，斷奶仔豬的日增重顯著增加，且在哺乳期開(kāi)始飼喂比在斷奶期給予更能夠有效地促進(jìn)斷奶仔豬體重增長(zhǎng)，飼料轉(zhuǎn)化率更高[50-51]。研究發(fā)現(xiàn)，生豬腸道中較高的乳酸桿菌屬和較低的大腸桿菌數(shù)量更有利于維持仔豬腸道健康，緩解斷奶應(yīng)激，提高生長(zhǎng)效率[25]。

5 結(jié)論

豬腸道中的微生物種類和數(shù)量受生理階段、飲食和腸道環(huán)境的影響。腸道微生物及其代謝產(chǎn)物通過(guò)相互作用調(diào)節(jié)豬腸道健康，提高了生豬養(yǎng)殖效率。目前，關(guān)于腸道微生物和宿主相互作用的研究越來(lái)越多，但對(duì)有利的腸道微生物群以及腸道菌群平衡的定義并沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。腸道微生物及其代謝產(chǎn)物在動(dòng)物機(jī)體復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用，但與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝相關(guān)的特定微生物、宿主腸道的作用機(jī)制以及對(duì)宿主免疫功能的調(diào)控機(jī)制還需進(jìn)一步研究，為生豬腸道穩(wěn)態(tài)、預(yù)防疾病、提高生產(chǎn)效率提供參考。