影響宿主脂肪沉積的腸道微生物類別及其作用機(jī)理研究

楊竹青 宋萬明 陳從英 余明進(jìn)

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,南昌 330045)

脂肪是動(dòng)物和人類的必需營(yíng)養(yǎng)成分,也是機(jī)體的重要組成部分。豬是產(chǎn)肉動(dòng)物中最易沉積脂肪的動(dòng)物。豬體內(nèi)脂肪沉積過多不僅影響豬肉的品質(zhì),而且降低飼料利用率,并且人攝入過量的脂肪會(huì)引起肥胖和心血管疾病等。因此,成肌與沉脂是生豬高效生產(chǎn)中的2個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題,包括背膘、腹脂在內(nèi)的脂肪沉積性狀一直是生豬生產(chǎn)和豬遺傳改良最關(guān)注的重要經(jīng)濟(jì)性狀之一。解析豬脂肪沉積性狀形成的機(jī)理,是提高飼料利用率、實(shí)現(xiàn)商品豬高瘦肉率的前提和關(guān)鍵。遺傳基礎(chǔ)決定了豬脂肪沉積的潛力,但到目前為止,雖然多達(dá)3 819個(gè)影響豬脂肪沉積的數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)被定位[1],但還未有影響豬脂肪沉積的主效基因和因果突變位點(diǎn)被分離和鑒別的報(bào)道。這一方面是由于脂肪沉積屬于復(fù)雜的數(shù)量性狀,受微效多基因、群體異質(zhì)性等影響[2];另一方面,豬脂肪沉積還受飼養(yǎng)方式、飼糧和營(yíng)養(yǎng)水平以及環(huán)境等多種因素影響。近年來越來越多的研究發(fā)現(xiàn),腸道微生物對(duì)豬脂肪沉積也具有重要調(diào)節(jié)作用。豬腸道中生活著500～1 000種且數(shù)以萬億計(jì)的微生物,包括細(xì)菌、真菌和病毒,它們對(duì)于整個(gè)機(jī)體的正常功能非常重要,被認(rèn)為是機(jī)體內(nèi)的一個(gè)重要器官。腸道微生物參與宿主免疫和對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收,影響豬的生長(zhǎng)[3]、飼料利用[4]和抗病力[5]等。在人和小鼠中已有許多研究表明,腸道菌群與宿主脂肪沉積、肌肉生長(zhǎng)等密切相關(guān)。因此,本文首先將綜述已鑒別的影響豬脂肪沉積的腸道微生物類別及其影響豬脂肪沉積的可能機(jī)理,然后歸納通過調(diào)控腸道微生物組成改善宿主脂肪沉積的方法,并提出應(yīng)用前景和展望。

1 影響豬脂肪沉積的腸道微生物類別

1.1 豬腸道微生物組成概述

豬等哺乳動(dòng)物腸道內(nèi)棲息著數(shù)以萬億計(jì)的微生物,主要包括細(xì)菌、真菌、古菌和病毒,它們?cè)谀c道內(nèi)構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)[6]。豬腸道微生物組成受飼養(yǎng)方式、飼糧、腸道部位和不同生長(zhǎng)階段等多種因素影響。Pajarillo等[7]研究發(fā)現(xiàn),斷奶前后仔豬腸道中厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)是2個(gè)最具優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌門,兩者相對(duì)豐度之和超過90.0%,但在斷奶前后豐度會(huì)發(fā)生顯著變化。斷奶前,厚壁菌門和擬桿菌門的相對(duì)豐度分別為54.0%和38.7%;而斷奶后,厚壁菌門和擬桿菌門的相對(duì)豐度分別為35.8%和59.6%。Yang等[8]利用10個(gè)脂肪沉積能力差異極端的萊蕪豬個(gè)體胃、回腸、空腸和盲腸等4個(gè)胃腸道部位的16S rRNA基因測(cè)序數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)等是豬腸道中最豐富的微生物種類,梭菌屬(Clostridium)和SMB53菌屬顯著富集于小腸,而普雷沃氏菌屬(Prevotella)、密螺旋體屬(Treponema)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)及柔嫩梭菌屬(Clostridiumleptum)等則在盲腸中具有更高豐度。Chen等[9]在500個(gè)來自不同豬群體、不同腸道部位和不同日齡樣品中系統(tǒng)分析了豬腸道核心菌群組成,將在90.0%以上的樣本中存在的細(xì)菌類群定義為豬腸道微生物的核心類群,結(jié)果有19個(gè)門、234個(gè)屬和254個(gè)種被鑒定為核心細(xì)菌類群;在這些核心細(xì)菌類群中,有15個(gè)門、135個(gè)屬和97個(gè)種在所有500個(gè)樣本中都被檢測(cè)到,其中這97個(gè)菌種的豐度占據(jù)了1 280個(gè)所鑒別到的菌種總豐度的92.29%,表明它們可能在豬的腸道微生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用;該項(xiàng)研究還分析了糞便、回腸內(nèi)容物、盲腸內(nèi)容物中豐度最高的20個(gè)菌種,結(jié)果發(fā)現(xiàn),包括羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)、約氏乳桿菌(Lactobacillusjohnsonii)、嗜淀粉乳桿菌(Lactobacillusamylovorus)、Ruminococcaceae bacterium、大腸桿菌(Escherichiacoli)、Prevotellacopri、脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis)、豬鏈球菌(Streptococcussuis)、Phascolarctobacteriumsuccinatutens和腸道沙門氏菌(Salmonellaenterica)在內(nèi)的10個(gè)菌種在3個(gè)腸道部位中的豐度都位列前20,但在不同腸道部位中的豐度存在顯著差異;另有16個(gè)菌種只在其中1個(gè)腸道部位中的豐度位列前20;這一結(jié)果表明,同一種細(xì)菌在不同腸道部位的相對(duì)豐度存在顯著差異;在回腸和盲腸內(nèi)容物中分別檢測(cè)到3和5個(gè)腸道部位特異的菌種,例如,梭菌屬[丁酸梭菌(Clostridiumbutyricum)和產(chǎn)氣莢膜梭菌(Clostridiumperfringens)]和艱難擬梭菌(Clostridioidesdifficile)只在回腸內(nèi)大量存在。

1.2 腸道微生物影響宿主脂肪沉積的主要證據(jù)

近年來,大量的證據(jù)表明腸道微生物在調(diào)控宿主脂肪沉積方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,這些最初的證據(jù)主要來源于實(shí)驗(yàn)小鼠和人。第1個(gè)證明腸道微生物對(duì)脂肪沉積起調(diào)節(jié)作用的證據(jù)是通過小鼠模型獲得的。出生和生長(zhǎng)在無菌環(huán)境中的無菌小鼠比生長(zhǎng)在常規(guī)環(huán)境中的小鼠瘦;接種了常規(guī)動(dòng)物盲腸微生物的無菌小鼠盡管減少了食物的攝入,但體脂仍增長(zhǎng)了60.0%[10]。使用遺傳性肥胖模型(ob/ob)小鼠試驗(yàn)也證實(shí),體重的增加與腸道細(xì)菌組成的改變有關(guān)。Ley等[11]研究發(fā)現(xiàn),肥胖小鼠與同窩出生的瘦小鼠相比,盲腸內(nèi)容物中的擬桿菌門減少了50.0%,厚壁菌門成比例的增加,盲腸菌群組成的改變與細(xì)菌的數(shù)目、ob/ob鼠的性別及種群無關(guān)。Turnbaugh等[12]比較了肥胖和體重正常全同胞小鼠間的腸道微生物組成,指出腸道中厚壁菌門與擬桿菌門豐度比例的改變是導(dǎo)致2組小鼠之間能量吸收與存儲(chǔ)以及脂肪沉積能力差異的主要因素。在人類中也發(fā)現(xiàn),肥胖病人的糞便中有較多的厚壁菌和較少的擬桿菌,肥胖人群減肥1年后腸道中厚壁菌門的比例變得與體重輕的人群相近[6]。Turnbaugh等[13]在肥胖與體重正常雙胞胎小鼠個(gè)體間的腸道微生物組比較研究中,再次指出了厚壁菌門與擬桿菌門的比例上升和α多樣性下降可以引起能量穩(wěn)態(tài)的失衡并導(dǎo)致體脂含量的增加。Greenblum等[14]利用腸道菌群宏基因組測(cè)序鑒別了與人肥胖相關(guān)的宏基因組功能標(biāo)記及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。Zhang等[15]利用多組學(xué)手段發(fā)現(xiàn),通過飲食調(diào)控腸道菌群可以緩解兒童遺傳性及單純性肥胖。

在腸道菌群對(duì)豬脂肪沉積影響方面,Yang等[8]通過比較脂肪型豬種萊蕪豬空腸、回腸和盲腸的微生物組成和功能差異,首次揭示了不同腸道部位細(xì)菌和宏基因組功能通路對(duì)豬脂肪沉積的影響不同。He等[16]在二花臉豬盲腸和巴馬香豬糞便中鑒別到毛螺菌科(Lachnospiraceae)、瘤胃球菌科(Rumenococcaceae)、密螺旋體屬、普雷沃氏菌屬和擬桿菌屬(Bacteroides)與背膘厚相關(guān),并發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌是通過發(fā)酵非消化性多糖產(chǎn)生的短鏈脂肪酸來調(diào)控宿主的能量代謝和脂肪沉積。

1.3 影響豬脂肪沉積的腸道微生物類別

在影響豬脂肪沉積的腸道微生物類別鑒定方面,目前大部分研究?jī)H僅鑒別到一系列可能影響豬脂肪沉積的腸道細(xì)菌分類。Yang等[8]使用萊蕪豬作為研究材料,分析了不同腸道部位菌群組成與萊蕪豬脂肪沉積的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在高脂肪沉積萊蕪豬的空腸中顯著富集了Clostridiumphytofermentans、約氏乳桿菌和弗格森埃希菌(Escherichiafergusonii),而在低脂肪沉積萊蕪豬的空腸中顯著富集了產(chǎn)琥珀酸菌——產(chǎn)琥珀酸放線桿菌(Actinobacillussuccinogenes)、產(chǎn)琥珀酸曼氏桿菌(Mannheimiasucciniciproducens)和丁酸產(chǎn)生菌Cellulosilyticumlentocellum;在高脂肪沉積萊蕪豬回腸中顯著富集了條件致病菌大腸桿菌、艱難梭菌(Clostridiumdifficile)和索氏梭菌(Clostridiumsordellii),而在低脂肪沉積豬的回腸中則顯著富集了包含多種普雷沃氏菌屬和擬桿菌屬在內(nèi)的菌種以及產(chǎn)琥珀酸放線桿菌、Cellulosilyticumlentocellum等;其中大腸桿菌在高脂肪沉積萊蕪豬的空腸、回腸和盲腸3個(gè)腸道部位都顯著富集。Tang等[17]在恩施黑豬中研究發(fā)現(xiàn),空腸和盲腸微生物群可以解釋13%～31%背膘厚的表型變異,其中盲腸中的普雷沃氏菌科UCG-001(Prevotellaceae UCG-001)和另枝菌屬(Alistipes),以及空腸中的狹義梭菌屬1(Clostridiumsensustricto1)提高背膘厚。Li等[18]在雜交豬中發(fā)現(xiàn),糞便中顫螺菌屬(Oscillospira)、消化球菌屬(Peptococcus)和布雷德菌屬(Bulleidia)的豐度與背膘厚度呈顯著正相關(guān),而薩特氏菌屬(Sutterella)和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)的豐度與背膘厚呈顯著負(fù)相關(guān)。Chen等[19]鑒別到Prevotellacopri增加豬脂肪沉積、降低瘦肉率,將從試驗(yàn)豬中分離培養(yǎng)的Prevotellacopri進(jìn)行無菌小鼠灌胃試驗(yàn),證實(shí)Prevotellacopri是增加脂肪沉積降低瘦肉率的因果菌種,并闡明其作用機(jī)理。但到目前為止,除Prevotellacopri外,鑒別到的影響豬脂肪沉積并初步解析其作用機(jī)理的因果菌種還非常少。表1列舉了部分已報(bào)道的影響豬脂肪沉積的腸道微生物類別[8,17-20]。

表1 部分已報(bào)道的影響豬脂肪沉積的微生物類別Table 1 Partial list of gut microbial taxa that have been reported to affect pig fat deposition

1.4 Prevotella copri——增加豬脂肪沉積的菌種

普雷沃氏菌屬為擬桿菌目(Bacteroidales)、普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)的一個(gè)屬,屬于厭氧革蘭氏陰性菌,為多形態(tài)桿菌,不產(chǎn)芽孢[21],是腸道中的核心優(yōu)勢(shì)菌。Prevotellacopri是普雷沃氏菌屬中的重要菌種,在對(duì)人的研究中,Tett等[22]對(duì)從公開數(shù)據(jù)庫(kù)獲得的來自世界不同大洲的宏基因組數(shù)據(jù)(超過6 800個(gè))進(jìn)行大規(guī)模Meta分析,同時(shí)結(jié)合分離培養(yǎng)的人腸道Prevotellacopri菌株測(cè)序數(shù)據(jù),共鑒別到>1 000個(gè)Prevotellacopri基因組,這些菌株形成的Prevotellacopri復(fù)合體可以分成4個(gè)在基因組成上顯著不同的分化枝(clades,亞種),不同亞種在腸道中的頻率和豐度與飲食相關(guān)。Prevotellacopri各菌株對(duì)宿主健康的影響還與飲食方式有關(guān),西式飲食使具有較高leuB基因頻率的Prevotellacopri菌株增加,而leuB基因與支鏈氨基酸生物合成有關(guān),導(dǎo)致宿主葡萄糖耐受不良、肥胖和2型糖尿病[23]。

普雷沃氏菌屬也是豬腸道中的核心菌屬,具有很高的豐度[24]。相對(duì)于人腸道菌群研究中的Prevotellacopri熱點(diǎn),對(duì)豬腸道中的普雷沃氏菌屬,特別是對(duì)Prevotellacopri的研究還較少。Ren等[25]發(fā)現(xiàn),飼喂高直鏈淀粉/支鏈淀粉比例飼糧的育肥豬,普雷沃氏菌屬富集腸型有益于腸道健康。Ramayo-Caldas等[3]在518頭60日齡豬糞便樣品中分析了豬的腸型和微生態(tài)共豐度網(wǎng)絡(luò)對(duì)豬生長(zhǎng)速度的影響,發(fā)現(xiàn)普雷沃氏菌屬處于微生態(tài)共豐度網(wǎng)絡(luò)的核心位置,并且與瘤胃球菌屬和密螺旋體屬密切相關(guān),腸型會(huì)影響60日齡體重和平均日增重,普雷沃氏菌屬腸型有更高的體重和平均日增重。Yang等[4]在杜洛克豬群體中發(fā)現(xiàn),普雷沃氏菌屬腸型顯著提高平均日采食量,但降低飼料利用率,對(duì)采食時(shí)間和采食次數(shù)沒有顯著影響。Chen等[19]在698頭使用配合飼料飼喂的商品杜洛克豬中分析了腸道微生物組與豬瘦肉率的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)Prevotellacopri是影響豬脂肪沉積和瘦肉率的關(guān)鍵菌種,肥豬腸道內(nèi)Prevotellacopri豐度顯著更高;宏基因組測(cè)序和血清代謝組分析發(fā)現(xiàn),高豐度的Prevotellacopri增加了宏基因組中與脂多糖合成、支鏈氨基酸合成、芳香族氨基酸和花生四烯酸代謝相關(guān)基因豐度,血清代謝組中肥胖相關(guān)代謝產(chǎn)物,如脂多糖、支鏈氨基酸、芳香族氨基酸和花生四烯酸的代謝物等的含量也確實(shí)顯著增加;高Prevotellacopri豐度產(chǎn)生的代謝物導(dǎo)致腸道屏障通透性和慢性炎癥反應(yīng)增加;使用無菌小鼠進(jìn)行灌胃試驗(yàn)并配合使用高纖維飼糧、普通飼糧和高脂飼糧的研究,證實(shí)了從試驗(yàn)豬中分離出的Prevotellacopri是一個(gè)增加宿主脂肪沉積因果菌株,并與使用的飼糧相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn),Prevotellacopri定植通過Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)和哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信號(hào)通路激活宿主慢性炎癥反應(yīng),并顯著上調(diào)與脂肪生成和脂肪積累相關(guān)的基因表達(dá),但減弱與脂肪分解、脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和肌肉生長(zhǎng)相關(guān)的基因表達(dá)[19]。

2 腸道菌群影響宿主脂肪沉積的機(jī)理

到目前為止,鑒別得到的影響豬脂肪沉積的關(guān)鍵菌種(株)還比較少,因此相對(duì)于人和小鼠,對(duì)豬腸道菌群影響宿主脂肪沉積的機(jī)理研究也比較少?？偨Y(jié)現(xiàn)有的在人、豬和鼠中的研究報(bào)道,腸道菌群可能主要通過以下途徑(機(jī)理)影響宿主的脂肪沉積。

其一,腸道菌群通過發(fā)酵食物中宿主自身不能消化、分解的物質(zhì),將其轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸等小分子物質(zhì),從而為宿主提供能量,促進(jìn)豬的脂肪合成和存儲(chǔ)[10]。通過比較“胖”“瘦”小鼠腸道菌群的宏基因組發(fā)現(xiàn),來源于肥胖小鼠的腸道菌群包含編碼特異性分解難消化多糖的酶基因,如α-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶、丙酮酸甲酸裂解酶和KO0656。相對(duì)于瘦鼠,胖鼠的結(jié)腸內(nèi)容物中含有更多的短鏈脂肪酸,糞便中的卡路里更少,提示肥胖的動(dòng)物從食物中攝取更多的能量[12]。Zhao等[26]研究發(fā)現(xiàn),17個(gè)碳水化合物代謝酶基因家族在肥豬中富集。

其二,腸道菌群通過調(diào)節(jié)宿主基因表達(dá)從而影響豬脂肪沉積。例如,腸上皮細(xì)胞可產(chǎn)生一種脂蛋白脂酶(lipoprotein lipase,LPL)的抑制因子——禁食誘導(dǎo)脂肪因子(fasting induced adipose factor,Fiaf);腸道菌群可通過抑制Fiaf基因表達(dá),促進(jìn)LPL表達(dá),從而促進(jìn)脂肪細(xì)胞中甘油三酯貯存[27]。腸道菌群還可通過促進(jìn)脂肪合成基因和固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1基因的表達(dá),從而促進(jìn)甘油三酯在肝臟脂肪細(xì)胞中積聚[28]。另外,腸道菌群通過降低肝臟和肌肉的單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase,AMPK),從而抑制依賴AMPK的脂肪酸氧化作用[28]。但腸道菌群通過何種成分/代謝物或通過何種途徑調(diào)節(jié)宿主不同組織基因表達(dá)還有待深入研究。

其三,腸道細(xì)菌內(nèi)毒素或代謝物通過激活宿主的慢性炎癥反應(yīng),增加脂肪沉積。如豬腸道中Prevotellacopri產(chǎn)生的內(nèi)毒素脂多糖和代謝物支鏈氨基酸、芳香族氨基酸和花生四烯酸等通過血液循環(huán)作用于脂肪及肌肉組織,通過TLR4和mTOR信號(hào)通路激活宿主的慢性炎癥反應(yīng),顯著上調(diào)與脂肪生成及脂肪積累相關(guān)基因的表達(dá),同時(shí)抑制與脂肪分解、脂質(zhì)運(yùn)輸和肌肉生長(zhǎng)相關(guān)基因的表達(dá),導(dǎo)致脂肪積累[19](圖1)。在腸道菌群影響人肥胖的機(jī)理研究中也發(fā)現(xiàn),在肥胖和胰島素抵抗的人腸道中,具有支鏈氨基酸生物合成能力的腸道微生物類別[如Prevotellacopri和普通擬桿菌(Bacteroidesvulgatus)]沒有編碼向細(xì)菌內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)這些支鏈氨基酸的蛋白的基因,導(dǎo)致宿主血清中支鏈氨基酸含量升高和慢性炎癥反應(yīng),脂肪沉積增加[23]。把肥胖人腸道中分離的產(chǎn)脂多糖內(nèi)毒素的腸桿菌移植到無菌小鼠后能增加小鼠血清內(nèi)毒素含量,誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)和脂肪沉積[29]。而與之相反的是,由腸道微生物產(chǎn)生的具有抗炎活性的代謝物如丁酸,則能抑制炎癥反應(yīng),減少脂肪沉積。例如,Zhao等[26]發(fā)現(xiàn),碳水化合物代謝酶基因家族在肥豬中富集,而低脂肪沉積豬腸道中具有較高的產(chǎn)丁酸菌豐度,促進(jìn)了丁酸鹽的形成,從而減少了脂肪沉積。

BCAA:支鏈氨基酸 branched chain amino acid;LPS:脂多糖 lipopolysaccharide;mTOR:哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白 mammalian target of rapamycin;TLR4:Toll樣受體4 Toll-like receptor 4;FABP2:脂肪酸結(jié)合蛋白 fatty acid-binding protein;Zonulin:連蛋白。圖1 Prevotella copri增加豬脂肪沉積降低瘦肉率的機(jī)理Fig.1 Mechanism of Prevotella copri increasing pig fat deposition and decreasing lean meat percentage[19]

3 通過調(diào)控腸道微生物組成改善宿主脂肪沉積的方法

3.1 糞菌移植

糞菌移植也叫糞便微生物移植、糞便細(xì)菌療法等,是人腸道疾病的一種療法,其通過移植健康捐贈(zèng)者的糞便細(xì)菌到病人消化道來達(dá)到治病的目的。糞菌移植有助于恢復(fù)患者腸道微生物群的平衡[30]。在腸道微生物對(duì)宿主脂肪沉積的影響研究中,糞菌移植最早是用來證實(shí)腸道菌群對(duì)宿主肥胖的影響和因果關(guān)系的。例如,Ridaura等[31]將成年女性雙胞胎中肥胖個(gè)體的糞便移植給無菌小鼠后導(dǎo)致小鼠代謝改變,體脂量增加和出現(xiàn)肥胖相關(guān)的代謝表型。

Yan等[32]分別將榮昌豬(更易脂肪沉積)和約克夏豬(瘦肉型)的糞便移植給無菌小鼠,發(fā)現(xiàn)糞菌移植小鼠的腸道微生物群組成與其供體豬具有高度相似性,與約克夏豬及其受體小鼠相比,榮昌豬及其受體小鼠表現(xiàn)出更高的體脂量和更強(qiáng)的脂肪生成能力。Yang等[33]將長(zhǎng)白豬和金華豬的糞便移植給抗生素處理后的小鼠,與接受了長(zhǎng)白豬糞便的小鼠相比,接受了更易脂肪沉積金華豬的糞便的小鼠肝臟中脂質(zhì)和甘油三酯含量以及LPL活性均有所提高。Qi等[34]研究比較了肥豬糞便微生物移植和結(jié)腸內(nèi)容物微生物移植對(duì)新生仔豬的不同影響,發(fā)現(xiàn)結(jié)腸內(nèi)容物菌群移植和糞便菌群移植均能促進(jìn)斷奶仔豬生長(zhǎng)和改善腸道功能,糞便菌群移植更有利于仔豬增重和體脂沉積。上述研究均提示,通過糞菌移植可以通過改變受體的腸道菌群組成從而改善豬或小鼠的脂肪生成和沉積能力。

不過,雖然糞菌移植改變受體脂肪沉積在研究上取得一定進(jìn)展,但在生豬生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用還存在不少障礙,包括糞菌供體選擇、移植糞便的制備技術(shù)、糞菌移植相關(guān)技術(shù)優(yōu)化、受體遺傳、飼養(yǎng)方式、微生物群組成和潛在病原微生物等問題。受體腸道微生物多樣性和特定物種的存在都會(huì)影響糞菌移植后菌群的定植[35]。

3.2 使用益生菌

益生菌作為一種微生物制劑,常常作為添加劑添加到豬飼料中,其主要目的是促進(jìn)豬的生長(zhǎng),改善機(jī)體的免疫功能,提高飼料轉(zhuǎn)化率,同時(shí)還能避免對(duì)環(huán)境造成污染,因此在生豬養(yǎng)殖業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。益生菌最主要的作用也是最常見的作用就是調(diào)節(jié)動(dòng)物消化道的菌群組成,維持胃腸道的菌群平衡。益生菌在宿主的腸道內(nèi)除了可以發(fā)揮拮抗作用,阻斷病原菌的黏附和繁殖外,還可以產(chǎn)生多種有益的代謝物質(zhì),如氨基酸、B族維生素和促生長(zhǎng)因子等。在益生菌調(diào)控豬脂肪沉積方面,Cui等[36]發(fā)現(xiàn),飼糧中添加枯草芽孢桿菌能通過調(diào)節(jié)腸道中擬桿菌門與厚壁菌門的比例來影響脂質(zhì)代謝,提高育肥豬的生長(zhǎng)性能,上調(diào)皮下脂肪的脂質(zhì)代謝。在沙子嶺豬腸道中顯著富集的約氏乳桿菌,在杜長(zhǎng)大豬腸道中定植后促進(jìn)了杜長(zhǎng)大豬的脂質(zhì)代謝和肥胖[37]。但到目前為止,專門用于調(diào)控豬脂肪沉積的益生菌還非常少,需要進(jìn)一步開發(fā)和鑒別相關(guān)益生菌,并闡明其作用機(jī)理。

3.3 使用特定的飼料和飼料添加劑

當(dāng)前,畜牧生產(chǎn)中通常通過添加特定飼料成分或添加劑來調(diào)控動(dòng)物生產(chǎn)性能,如生長(zhǎng)、脂肪沉積等。例如,在低蛋白質(zhì)飼糧中添加構(gòu)樹全株發(fā)酵飼料可抑制育肥豬背部脂肪合成,降低體脂重量,改善腸道微生物組成,提高結(jié)腸中乙酸和丙酸含量[38]。飼糧中添加粗纖維對(duì)豬盲腸和空腸細(xì)菌結(jié)構(gòu)和組成具有顯著影響,盲腸代謝物可進(jìn)一步影響宿主的健康、生長(zhǎng)和屠宰性能[39]。Maj等[40]使用53日齡的利比亞豬作為試驗(yàn)動(dòng)物,比較了飼喂蔗糖和高果糖玉米糖漿對(duì)豬脂肪沉積和甘油三酯血癥的影響,發(fā)現(xiàn)與富含蔗糖的飼料相比,高果糖玉米糖漿飼喂導(dǎo)致的果糖攝入增加了幼齡伊比利亞豬的結(jié)腸丁酸鹽、血漿甘油三酯和皮下脂質(zhì)含量;腸道微生物組分析發(fā)現(xiàn),高果糖玉米糖漿組和蔗糖組之間微生物組成的平均差異為24.8%,主要與產(chǎn)生短鏈脂肪酸的細(xì)菌變化有關(guān)。Nguyen Cong等[41]以24頭雜交育肥豬作為試驗(yàn)材料,評(píng)價(jià)含酒糟副產(chǎn)物飼糧對(duì)育肥豬生長(zhǎng)性能、胴體特性和腸道菌群的影響,發(fā)現(xiàn)在育肥豬飼糧中添加30%的酒糟副產(chǎn)物可調(diào)節(jié)結(jié)腸微生物群組成,促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)和脂肪沉積。

在特定飼料添加劑通過調(diào)控豬腸道菌群組成從而影響脂肪沉積等重要經(jīng)濟(jì)性狀方面,飼糧中添加維生素E、富硒酵母和大豆異黃酮復(fù)合抗氧化劑可通過調(diào)節(jié)腸道菌群,提高豬飼料利用率和抗氧化能力,改變背膘厚度和肉品質(zhì)[42]。飼糧中添加丁酸鈉和煙酸可提高斷奶仔豬生產(chǎn)性能,改善糞便微生物群[43]。高煙酸攝入量通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝和腸道菌群提高寧鄉(xiāng)豬瘦肉率,減少脂肪沉積[44]?？傮w來講,使用特定的飼料和飼料添加劑來調(diào)控腸道菌群組成從而較少豬脂肪沉積還缺乏系統(tǒng)研究,其具體的作用機(jī)理也還有待深入研究。

4 小 結(jié)

豬的重要經(jīng)濟(jì)性狀,如脂肪沉積性狀等同時(shí)受遺傳、腸道微生物組成及飼養(yǎng)管理等多種因素的影響。腸道菌群與宿主之間存在廣泛互作,一方面,宿主的基因表達(dá)、免疫反應(yīng)、營(yíng)養(yǎng)與代謝產(chǎn)物等會(huì)影響腸道菌群組成。因此,定位和鑒別影響豬腸道微生物組成的主效基因和因果突變,并闡明其作用機(jī)理,對(duì)影響豬脂肪沉積的相關(guān)腸道微生物定植和豐度精準(zhǔn)調(diào)控具有重要作用。同時(shí),需要結(jié)合宿主的消化代謝特征,研究能夠調(diào)控特定腸道菌群組成的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和飼料添加劑等,從而研發(fā)通過添加特定的飼料添加劑來調(diào)控豬脂肪沉積的技術(shù)。另一方面,腸道菌群與宿主消化、代謝和免疫等密切相關(guān)。腸道菌群能消化宿主不能消化的膳食纖維等,其代謝產(chǎn)物可以通過表觀遺傳等途徑改變宿主基因表達(dá)來影響宿主脂肪沉積等表型形成[43]。因此,結(jié)合宏基因組測(cè)序、菌株分離培養(yǎng)、代謝組、表觀組和宿主不同組織基因表達(dá)數(shù)據(jù)等采用多組學(xué)手段解析腸道菌群影響豬脂肪沉積的機(jī)理,開發(fā)能減少脂肪沉積的益生菌來調(diào)控豬脂肪沉積具有重要的研究和應(yīng)用前景。

綜上所述,腸道微生物組成對(duì)豬脂肪沉積具有重要作用,鑒別影響豬脂肪沉積的腸道關(guān)鍵菌株并解析其作用機(jī)理,同時(shí)結(jié)合宿主遺傳對(duì)豬腸道菌群組成的影響,從而從宿主遺傳和腸道菌群互作入手系統(tǒng)解析腸道菌群對(duì)豬脂肪沉積性狀的影響。在此基礎(chǔ)上,采用菌群移植以及使用益生菌、益生元和各種飼料添加劑等手段建立降低豬脂肪沉積、提高瘦肉率的腸道微生物調(diào)控技術(shù),為生豬生產(chǎn)提供創(chuàng)新性技術(shù)。