家禽胚胎發(fā)育中腸道微生物早期定植的研究進(jìn)展

河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 陳功義 郝振芳 張丁華

禽類胚胎發(fā)育是一個(gè)極其復(fù)雜并在內(nèi)外環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控下完成的生物過程，而掌握家禽早期胚胎發(fā)育的規(guī)律和特點(diǎn)是做好孵化工作的前提和基礎(chǔ)，進(jìn)而有效提高孵化成績(jī)，有助于家禽生產(chǎn)性能的提高。在家禽胚胎發(fā)育中腸道微生物不斷定植并建立，促進(jìn)了腸道的早期發(fā)育及腸道黏膜屏障功能的完善，進(jìn)而促進(jìn)機(jī)體免疫系統(tǒng)發(fā)育及成熟。

一、家禽胚胎發(fā)育的一般過程

（一）母體內(nèi)胚胎發(fā)育

母體內(nèi)胚胎發(fā)育主要指受精卵發(fā)育至種蛋產(chǎn)出體外，即成熟的卵子在母禽的輸卵管喇叭部受精后不久就開始胚胎發(fā)育，直到蛋產(chǎn)出后，其胚胎發(fā)育暫停。受精卵在母禽的輸卵管內(nèi)停留24-26h，經(jīng)過連續(xù)的細(xì)胞分裂，進(jìn)而形成多細(xì)胞的胚盤，而胚盤是胚胎發(fā)育的基礎(chǔ)。胚胎在胚盤的透明區(qū)域開始胚胎發(fā)育歷程，胚盤發(fā)生一系列的形態(tài)學(xué)變化，包括細(xì)胞分裂（減數(shù)分裂和有絲分裂）、細(xì)胞分化，分別形成兩層不同的細(xì)胞層，其外層稱為外胚層，內(nèi)層稱為內(nèi)胚層，其內(nèi)、外胚層形成之后蛋即產(chǎn)出，遇冷（低于23.9℃）時(shí)胚胎發(fā)育暫時(shí)停止。

（二）母體外的胚胎發(fā)育

母體外的胚胎發(fā)育，一般指種蛋入孵開始至孵化出殼。受精蛋入孵后，胚胎進(jìn)入第二階段的發(fā)育過程，其家禽胚胎發(fā)育可分為三個(gè)階段，即胚胎發(fā)育的早期、中期和后期。其中，胚胎發(fā)育的早期胚胎外膜血管形成，并運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；胚胎發(fā)育中期則機(jī)體形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)育形成，尿囊供養(yǎng)能力達(dá)到極限；胚胎發(fā)育的后期則是胚胎組織器官的生長(zhǎng)和系統(tǒng)的成熟階段。

1、胎膜形成及其功能。在家禽胚胎發(fā)育的早期，胎膜逐步形成，而胎膜是胚胎攝取營(yíng)養(yǎng)和代謝的重要媒介和場(chǎng)所，對(duì)胚胎發(fā)育和存活至關(guān)重要。它包括羊膜、絨毛膜、卵黃囊和尿囊。卵黃囊、羊膜、絨毛膜和尿囊分別負(fù)責(zé)對(duì)胚胎代謝產(chǎn)生的代謝物進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)、保護(hù)、呼吸和儲(chǔ)存[1]。

卵黃囊含有少量的蛋白和蛋黃，并含有胚胎發(fā)育所需的所有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、碳水化合物和礦物質(zhì)。此外，卵黃囊是血細(xì)胞合成的重要部位。高度血管化的卵黃囊在孵化早期從胚胎的腸區(qū)發(fā)育，其大約在胚胎孵化的第10d完全封閉，并被一層內(nèi)皮細(xì)胞覆蓋，而內(nèi)皮細(xì)胞負(fù)責(zé)向胚胎輸送營(yíng)養(yǎng)。卵黃內(nèi)容物通過內(nèi)吞作用或者營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)移到胚胎循環(huán)。在孵化階段，卵黃囊向胚胎輸送的糖原比肝臟多10 倍，其可能在葡萄糖的合成和儲(chǔ)存以及向雛禽胚胎孵化提供能量方面起著重要作用。卵黃囊在胚胎孵化的第19d左右內(nèi)化進(jìn)入腹腔，約占幼雛體重的15%-20%。在雛禽獲得外源營(yíng)養(yǎng)之前，卵黃囊是雛禽出殼后唯一的營(yíng)養(yǎng)來源，對(duì)雛禽的生存至關(guān)重要。它還通過將母體抗體轉(zhuǎn)移到胚胎中，有助于防御病原體機(jī)制的建立。胚胎發(fā)育過程中，羊膜包裹著胚胎，其內(nèi)細(xì)胞層分泌羊水，保護(hù)胚胎免受機(jī)械和熱沖擊，防止脫水。在孵化后第17d左右，胚胎吞食蛋白羊水作為水和營(yíng)養(yǎng)的來源。在孵化階段，雞的消化和吸收營(yíng)養(yǎng)的能力還沒有發(fā)育好，故蛋白羊水的吞食對(duì)腸黏膜的發(fā)育和維持胚胎發(fā)育至關(guān)重要。絨毛膜包圍著所有其他結(jié)構(gòu)，保護(hù)胚胎和胚胎外膜。尿囊包裹在羊膜囊、卵黃囊和蛋白周圍，在孵化后第13d達(dá)到最大體積。隨著尿囊膜細(xì)胞對(duì)水、鈉和氯化物的再吸收而減小。隨后，尿囊與絨毛膜融合形成絨毛膜尿囊膜。絨毛膜作為呼吸器官，通過從尿囊液中重新吸收水分和電解質(zhì)，在酸堿平衡中起關(guān)鍵作用。

2、胚胎發(fā)育過程中的物質(zhì)代謝。卵泡形成（卵泡發(fā)育）是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的沉積、運(yùn)輸及儲(chǔ)備的重要生理過程，其在卵泡發(fā)育過程中沉積了大量氨基酸、有機(jī)酸、核苷酸及其代謝物，為胚胎發(fā)育提供了物質(zhì)支持。同時(shí)，在卵泡發(fā)育過程中攝入一些維生素和碳水化合物，以維持正常的胚胎發(fā)育過程[2]。

家禽胚胎和幼雛依賴于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉積，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要包括水、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)。在孵化過程中，胚胎所需的營(yíng)養(yǎng)全部來自蛋白和蛋黃。蛋白約占種蛋總含量的65%-75%，由約88%的水和12%的蛋白質(zhì)組成，也是礦物質(zhì)鈉和鉀的主要來源，其在孵化過程中全部消耗。蛋黃由大約50%的水，15%的蛋白質(zhì)，33%的脂肪和不到1%的碳水化合物組成。除了蛋白質(zhì)和脂質(zhì)外，蛋黃還含有豐富的維生素和小分子代謝產(chǎn)物，如葉黃素、視黃醇等。這些維生素和分子代謝物是禽胚發(fā)育所必需的，也是人類飲食所需的重要營(yíng)養(yǎng)素[3]。

禽類卵黃囊是一種血管良好的膜，包裹著胚胎卵黃，功能類似胎盤。在孵化過程中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過卵黃囊膜及其周圍的血管系統(tǒng)從卵黃內(nèi)容物傳遞到胚胎。這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被用于胚胎組織生長(zhǎng)、胚胎外組織發(fā)育，并作為能量來源。從卵黃囊吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有兩條途徑，第一種是通過卵黃囊膜的內(nèi)吞作用直接進(jìn)入血液。卵黃囊膜和腸道的結(jié)構(gòu)相似，比如絨毛，它們?cè)黾恿斯δ芗?xì)胞的數(shù)量，增加了消化和吸收的表面積，增加了向胚胎輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的血管數(shù)量。第二種途徑是直接從蛋黃進(jìn)入小腸。在禽胚孵化后，更大一部分蛋黃通過蛋黃柄進(jìn)入小腸。在孵化期間，胚蛋中低水平的葡萄糖為胚胎發(fā)育初期提供了所需的能量。隨后由于胚胎外膜的形成及脂質(zhì)作為主要的能量底物，確保了正常的胚胎發(fā)育。此后，直至孵化中后期，蛋白質(zhì)被胚胎大量吸收利用，并作為胚胎發(fā)育的能量來源。在孵化后期，因胚胎內(nèi)部環(huán)境發(fā)生很大變化，導(dǎo)致胚胎代謝發(fā)生重大變化，而脂肪酸的β-氧化為胚胎發(fā)育提供了主要的能量來源。在孵化的最后三天，由于孵化過程中的高能量需求和相對(duì)較低的氧氣利用率，脂肪酸不能為胚胎提供必要的能量。因此，代謝轉(zhuǎn)向葡萄糖的厭氧分解，而這取決于肝臟、腎臟和肌肉中糖原儲(chǔ)備中葡萄糖的量，以及氨基酸、甘油和乳酸的糖異生產(chǎn)生的葡萄糖的程度。在孵化期間，蛋黃是胚胎的主要礦物來源，為胚胎提供了大部分的磷、鋅、銅、錳和鐵。在孵化早期，胚胎主要利用蛋白和蛋黃中的鈣，孵化中期，胚胎大量吸收利用鈣、磷、鐵、鋅、銅和錳等礦物質(zhì)元素。到孵化中后期，這些礦物質(zhì)大部分被消耗。在孵化的最后幾天，胚胎中的磷、鐵、鋅、銅和錳儲(chǔ)量很低。而在孵化過程中，蛋黃在任何時(shí)候都不缺乏鈣，可能是因?yàn)殁}從蛋殼流入胚胎，這說明了蛋殼對(duì)胚胎期鈣代謝的重要性[4]。

二、家禽胚胎發(fā)育過程中腸道微生物早期定植研究

（一）家禽腸道微生物的生理功能

家禽腸道中定植著數(shù)量龐大的微生物，可參與宿主營(yíng)養(yǎng)代謝，促進(jìn)腸道發(fā)育，增強(qiáng)腸道完整性，競(jìng)爭(zhēng)性排斥病原體，調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)，其不僅在飼料消化率、飼料攝取、蛋白質(zhì)發(fā)酵等生長(zhǎng)相關(guān)性狀中發(fā)揮關(guān)鍵作用，而且在免疫能力和免疫耐受等相關(guān)性狀中也發(fā)揮關(guān)鍵作用[5]。正常生理狀態(tài)下，腸道正常菌群對(duì)致病菌的定植和增殖具有生物拮抗作用，其可通過占位性保護(hù)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)和產(chǎn)生抑菌物質(zhì)（細(xì)菌素、過氧化氫、乳酸等）等抵御或殺死病原菌，發(fā)揮其生物化學(xué)屏障保護(hù)作用，維護(hù)腸道健康。除了腸道菌群的直接調(diào)節(jié)外，腸道菌群的代謝產(chǎn)物（乳酸、短鏈脂肪酸、醋酸等）可降低腸道微環(huán)境pH 值，抑制病原菌生長(zhǎng)繁殖。其次，腸道菌群在腸黏膜機(jī)械屏障中也發(fā)揮著重要的保護(hù)作用。腸道菌群不僅可以刺激腸黏膜上皮細(xì)胞分化、增殖，維護(hù)腸道上皮組織的完整性，而且腸道微生物可通過調(diào)控黏蛋白的產(chǎn)生，促進(jìn)黏液分泌，增強(qiáng)黏液層[6]。再者，腸道菌群對(duì)增強(qiáng)腸黏膜免疫功能也起到了重要作用。腸道微生物及其代謝產(chǎn)物能夠刺激腸道相關(guān)淋巴組織發(fā)育和調(diào)控各種免疫細(xì)胞的增殖、分化以及通過控制腸道炎癥反應(yīng)，維護(hù)腸道健康。短鏈脂肪酸作為腸道細(xì)菌的主要代謝產(chǎn)物，其包括乙酸、丙酸和丁酸，可促進(jìn)腸道免疫細(xì)胞的分化、成熟。由此可見，腸道菌群可通過多種途徑維護(hù)腸黏膜屏障功能，保障腸道健康[7]。

（二）家禽早期腸道微生物的定植及生理功能

家禽腸道微生物群在孵化后立即定植，其微生物主要來自于蛋殼和環(huán)境中的微生物群。胚胎期早期定植的最初微生物菌群可影響宿主腸道微生物群的建立，同時(shí)也影響腸道的早期發(fā)育及腸組織在屏障功能和免疫程序方面的功能發(fā)育，進(jìn)而影響機(jī)體的新陳代謝和健康。腸道微生物群落的定植在胃腸道的發(fā)育和功能中起著關(guān)鍵作用，并被認(rèn)為在早期生命規(guī)劃中起著關(guān)鍵作用。腸道菌群通過不同的代謝途徑降解底物產(chǎn)生短鏈脂肪酸，短鏈脂肪酸可直接為腸上皮細(xì)胞提供能量，還可刺激腸上皮細(xì)胞增殖分化，利于腸道上皮細(xì)胞的更新，進(jìn)而促進(jìn)腸道上皮的發(fā)育。最近的研究表明，短鏈脂肪酸可以增加腸道發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)，包括胰島素樣生長(zhǎng)因子1（IGF-1）、胰島素樣生長(zhǎng)因子-1受體、胰高血糖素樣肽2（GLP-2）和胰高血糖素樣肽2 受體，縮短腸細(xì)胞分裂期，降低促凋亡基因的豐度，進(jìn)而促進(jìn)家禽早期的腸道發(fā)育[8-9]。

眾所周知，在孵化時(shí)，家禽的先天免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)尚不成熟，其功能成熟主要發(fā)生在出雛后的前兩周，而胃腸道中早期定植的微生物在免疫系統(tǒng)的形成和腸道屏障功能的發(fā)育中起著重要作用。先天性免疫系統(tǒng)是防止病原體入侵的第一道防線，其包括屏障功能（上皮層）、補(bǔ)體和凝血級(jí)聯(lián)、吞噬細(xì)胞（如巨噬細(xì)胞）、自然殺傷細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞。粘蛋白覆蓋于腸道單層柱狀細(xì)胞表面，可有效阻礙致病菌在腸上皮細(xì)胞的黏附和定植，捕捉并清除入侵的致病菌，是構(gòu)成屏障功能（上皮層）的關(guān)鍵成分。研究表明，在生命早期限制微生物定植將抑制其對(duì)粘蛋白的產(chǎn)生，表明腸道菌群的早期定植與腸道（免疫）穩(wěn)態(tài)和屏障功能密切相關(guān)[10-11]。此外，對(duì)不同飼養(yǎng)環(huán)境影響的研究表明，早期生活中更“干凈衛(wèi)生”的環(huán)境對(duì)免疫發(fā)育有負(fù)面影響。在生命早期使用抗生素將干擾腸道菌群的定植并影響機(jī)體的免疫發(fā)育。

三、結(jié)論

綜上所述，禽類胚胎發(fā)育是一個(gè)極其復(fù)雜并在內(nèi)外環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控下完成的生物過程，其涉及復(fù)雜的生理學(xué)、生物化學(xué)和形態(tài)學(xué)變化，并具有高度協(xié)調(diào)性。在禽胚發(fā)育過程中各組織器官和系統(tǒng)發(fā)育，并逐步完善各類功能。與此同時(shí)，在禽胚發(fā)育過程中，腸道微生物定植并建立，促進(jìn)了腸道的早期發(fā)育及腸道黏膜屏障功能的完善，并促進(jìn)機(jī)體免疫系統(tǒng)發(fā)育及成熟，進(jìn)而提高了出雛后家禽的健康水平。