腸型的研究進(jìn)展及在反芻動(dòng)物上的研究前景

郭 成， 李勝利，2 ， 徐曉鋒 ， 戴東文

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市生鮮乳質(zhì)量安全工程技術(shù)研究中心，北京 100193）

定植于腸道中的微生物數(shù)量龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 群落結(jié)構(gòu)在隨同宿主協(xié)同進(jìn)化的過(guò)程中表現(xiàn)出與宿主互利共生的關(guān)系（Buchon，2020）。 腸道微生物組在宿主體內(nèi)起到至關(guān)重要的作用，它們可以分解機(jī)體攝入的多糖， 合成必需氨基酸和維生素 （Ba..ckhed，2005）。 腸道微生物區(qū)系的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致腸道免疫功能失調(diào)， 微生物組在腸道發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸能調(diào)節(jié)機(jī)體免疫細(xì)胞的功能， 會(huì)對(duì)腸道免疫功能產(chǎn)生顯著影響（Takeuchi，2021；Manichanh，2012）。 隨著人類對(duì)腸道菌群認(rèn)識(shí)的加深以及高通量測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，Arumugam 等 （2011） 提出微生物腸型（Enterotype）的概念，即在群落組成的多維空間中樣品的密集集群這一群體分型概念。 基于高通量測(cè)序技術(shù)，將33 個(gè)來(lái)自于不同群體的人類腸道樣本進(jìn)行聚類分析， 發(fā)現(xiàn)該樣本對(duì)三個(gè)不同的菌群聚類，分別對(duì)應(yīng)擬桿菌（Bacteroides），普雷沃氏菌（Prevotella），瘤胃球菌（Ruminococcus），隨后將這三種菌群稱為三種不同的微生物腸型（Arumugam，2011）。 現(xiàn)如今，確定腸型主要基于兩種途徑， 分別是基于已有參考數(shù)據(jù)庫(kù)分析或者從頭判定。 一個(gè)是基于高通量測(cè)序結(jié)果在屬水平上， 首先是將菌群測(cè)序數(shù)據(jù)在HMP1 和MetaHIT6 數(shù)據(jù)庫(kù)中與已知腸型進(jìn)行比對(duì)，另一個(gè)是使用腸型在線分類器（http://enterotypes.org/）完成腸型判別（Costea，2018；Arumugam，2011）。腸型的定義現(xiàn)已明確， 然而目前腸型在單胃動(dòng)物上的研究較多，少有人在反芻動(dòng)物上研究。 本文綜述了腸型的意義及研究進(jìn)展， 為腸型在反芻動(dòng)物上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 腸型的意義

不同的腸型對(duì)應(yīng)著不同的菌群結(jié)構(gòu)， 而每種菌群結(jié)構(gòu)的功能及代謝產(chǎn)物也不同。 以常見(jiàn)的擬桿菌型和普雷沃氏菌型為例， 普雷沃氏菌型可以發(fā)酵碳水化合物獲得能量， 能有效的降解植物纖維， 而降解蛋白和脂肪的能力低（Shen，2020；Schofield，2018；Christensen，2018）；擬桿菌型具有降解動(dòng)物碳水化合物的酶， 且糖和蛋白質(zhì)分解能力強(qiáng)，但更容易受到外來(lái)因素的干擾（Mills，2022；Vieira-Silva，2016；Martens，2009）。

1.1 腸型與營(yíng)養(yǎng) 由于每種腸型的功能不同，因此腸型可以作為生物標(biāo)志物， 能預(yù)測(cè)個(gè)體代謝紊亂以及疾病風(fēng)險(xiǎn)（Christensen，2018；Vandeputte，2015）。 Korem 等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，僅根據(jù)微生物組數(shù)據(jù)就可以預(yù)測(cè)誘導(dǎo)每個(gè)人低血糖的面包類型， 該研究表明可以根據(jù)腸道微生物組預(yù)測(cè)飲食的血糖反應(yīng)。 Wu 等（2021）對(duì)韓國(guó)成年人進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查試驗(yàn)，成功鑒定出瘤胃球菌型、擬桿菌型和普雷沃氏菌型， 三種腸型與韓國(guó)人的三種不同的飲食習(xí)慣相關(guān)， 且與代謝綜合征之間存在潛在影響。Hjorth 等（2018）的一項(xiàng)調(diào)查表明，在相同的飲食條件下，普雷沃氏菌型的人體脂損失更大，而擬桿菌型的體重沒(méi)有顯著差異， 普雷沃氏菌型更容易通過(guò)高纖維和全麥飲食來(lái)減肥。 每種腸型具有不同的消化功能，偏愛(ài)特定的飲食底物，從而影響短鏈脂肪酸的產(chǎn)生， 進(jìn)而影響宿主的能量平衡（Fu，2021；Christensen，2018；Chen，2017）。 可見(jiàn)，腸型可以有效揭示生物體日常飲食習(xí)慣， 營(yíng)養(yǎng)水平。

1.2 腸型與健康 對(duì)腸道菌群分型，將腸型作為生物標(biāo)志物， 有助于進(jìn)一步了解腸道微生物區(qū)系與疾病的相關(guān)性，以及宿主的健康狀況，為基于腸道微生物區(qū)系的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供便利。 Couch 等（2021）通過(guò)采集非洲野牛直腸糞便，鑒定出了兩種腸型， 并且研究發(fā)現(xiàn)野牛種群中存在的病原體與腸型之間具有相互作用， 腸道共生微生物與疾病存在潛在聯(lián)系。 Li 等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，患有高血壓的人群和健康的人群腸型不同， 同時(shí)將患有高血壓人的糞便移植到無(wú)菌小鼠中， 依然可以引起血壓升高， 腸道微生物菌群可以對(duì)宿主血壓有直接影響。Claesson 等（2012）研究表明，健康老年人的腸型和不健康的老年人腸型有顯著差異。Ren 等（2022）研究認(rèn)為，低豐度擬桿菌代謝紊亂可作為仔豬斷奶后腹瀉的生物標(biāo)志物。 研究表明腸型與多種疾病相關(guān)，如糖尿病、帕金森、部分癌癥等（Wang，2020；Heinzel，2020；Yang ，2019）。 根據(jù)腸型的不同，對(duì)生物體的腸型重塑，可以成為生物體個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)調(diào)控的重要手段。

2 影響腸型的因素

自腸型的概念提出，近年來(lái)對(duì)其研究較多，已經(jīng)在很多單胃動(dòng)物上成功鑒定。 影響腸型的因素有很多，包括飲食、物種、年齡、抗生素的使用等。

2.1 物種 不同物種的動(dòng)物腸道存在不同腸型。如雞和豬以及小鼠的腸型就有顯著的不同（Xu，2021；Yuan，2020；Wang，2014）。有趣的是，Moeller等（2012）研究表明，黑猩猩的腸型在組成上與人類相似， 這可能是人和黑猩猩親緣關(guān)系相近的緣故。

2.2 年齡 年齡的不同腸型也會(huì)不同。 Zhong 等（2019） 調(diào)查了6 ~ 9 歲兒童的腸道微生物菌群，確定了普雷沃氏菌型、擬桿菌型、雙歧桿菌型（Bifidobacterium） 三種腸型， 與成年人的腸型不同。Vaiserman 等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物區(qū)系的組成在不同年齡組之間存在顯著差異， 厚壁菌門（Firmicutes）/擬桿菌門的比例隨著年齡的增加而顯著增加。隨著年齡的變化，生活方式也有顯著不同，如飲食的品種，飲食習(xí)慣等（Cheng，2019），因此年齡對(duì)腸型的影響是復(fù)雜的因素。

2.3 飲食 由于微生物腸型基于微生物區(qū)系定義， 因此微生物腸型可以隨著微生物區(qū)系的變化而改變，不過(guò)現(xiàn)有研究表明腸型具有相對(duì)穩(wěn)定性，對(duì)短期的變動(dòng)具有彈性， 不會(huì)輕易改變（Wu，2011）。 雖然腸型對(duì)短期的干擾具有彈性，但是腸型也有可塑性， 長(zhǎng)期飲食的改變可以改變腸型。Rodríguez-Daza 等（2020）在高糖高脂肪日糧誘導(dǎo)的小鼠日糧中添加蔓越莓果粉和藍(lán)莓果粉， 連續(xù)添加8 周后可以發(fā)現(xiàn)小鼠的腸型由擬桿菌型/瘤胃球菌型轉(zhuǎn)變?yōu)槔谛∈蠼】档钠绽孜质暇?阿克曼氏菌型（Akkermansiaceae）。 Wu 等（2011）研究了98 個(gè)志愿者的腸道菌群，將腸型分為“高脂高蛋白飲食”型以及“高纖維飲食”型，而擬桿菌型和普雷沃氏菌型分別為對(duì)應(yīng)以上兩種腸型。 可見(jiàn)，長(zhǎng)期的飲食習(xí)慣可以決定腸型。

2.4 其他 抗生素、部分藥物對(duì)腸道微生物有調(diào)節(jié)或者重塑作用， 抗生素或者部分藥物的使用可以影響腸型（Ramirez，2020；Raymond，2016；Maurice，2013）。有趣的是益生素的使用雖然可以影響腸道組成，但其對(duì)腸型的影響有限。 Lee 等（2021）研究發(fā)現(xiàn)， 益生菌酸奶粉的使用只能短時(shí)間影響微生物腸型，當(dāng)停止使用時(shí)，腸道微生物菌群仍然可以恢復(fù)到原始狀態(tài)。Haddad 等（2020）研究了益生菌的添加對(duì)腸型的影響， 結(jié)果表明補(bǔ)充添加雙歧桿菌以及乳酸桿菌對(duì)微生物腸型沒(méi)有顯著影響。 此外， 影響腸型的因素還有很多。 Lee 等（2020）研究認(rèn)為，腸型與情緒之間存在聯(lián)系。 Lim等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，超過(guò)72%的來(lái)自同卵雙胞胎人的腸型相同。 可見(jiàn)宿主的遺傳因素也可以影響腸型。 因此，腸型不受單一因素的影響，而是受多種因素的動(dòng)態(tài)影響。

3 腸型的局限

隨著越來(lái)越多在更大的空間范圍內(nèi)進(jìn)行更多的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和改進(jìn)腸型概念， 使用統(tǒng)一的腸型方法實(shí)現(xiàn)生物體腸道微生物區(qū)系的分型是可行的。 但是，腸型的分析結(jié)果受一些技術(shù)方法影響，包括樣品處理方式、DNA 提取方法和測(cè)序技術(shù)等（Cheng，2019）。由于腸道微生物的復(fù)雜性，自腸型的概念提出，就存在爭(zhēng)議，但現(xiàn)有研究不能否定腸型這一概念，不過(guò)腸型存在一定的局限性。近年來(lái)的一些研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腸型并不完全是離散的，還有存在連續(xù)性， 腸型的樣本不能清楚地分成不同的類型 （Costea，2018；Knights，2014）。 Huse 等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，Arumugam 等（2011）最初定義的三種離散的腸型不能明確判定出來(lái)， 但判定出了兩種腸型 （擬桿菌-瘤胃球菌型和普雷沃特氏菌型）在一個(gè)連續(xù)體中，而不是作為不同的類型。此外，腸型存在不穩(wěn)定性，研究認(rèn)為腸型的穩(wěn)定性受時(shí)間以及環(huán)境變化的影響， 盡管影響有限（Cheng，2019；Knights，2014）。

腸型在幼齡動(dòng)物上可能并不適用。 盡管有研究表明， 胎兒的腸道微生物在母體子宮就已經(jīng)開(kāi)始存在，但是幼齡的腸道菌群并不穩(wěn)定（Bi，2021；Chin，2021）。 Dias 等（2018）在犢牛的研究中評(píng)估了斷奶前犢牛的瘤胃、空腸、盲腸和結(jié)腸中的細(xì)菌菌群， 發(fā)現(xiàn)在生命早期犢牛胃腸道菌群具有高度變異性，然后才趨于穩(wěn)定。 Bergstro..m 等（2014）對(duì)出生后9、18 月齡和36 月齡的嬰兒進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)腸道微生物區(qū)系發(fā)生了顯著的變化， 腸型的建立發(fā)生在9 ~ 36 個(gè)月， 但是30%的個(gè)體在18 ~36 個(gè)月改變了腸型。 可見(jiàn)，幼齡的動(dòng)物體腸道環(huán)境不穩(wěn)定，腸道菌群正處于定植期，因此使用腸型評(píng)定幼齡動(dòng)物可能是不合適的。

盡管腸型存在局限性， 但是對(duì)成年穩(wěn)定個(gè)體的腸道菌群分型是必要的。 腸道微生物結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，如果能類似于血型一樣，明確分組為多個(gè)確定的類型， 則可以簡(jiǎn)化對(duì)腸道微生物的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用。判定明確的腸型作為生物標(biāo)志物，可以根據(jù)腸型更容易的進(jìn)行個(gè)性化的微生物組的診斷和精準(zhǔn)治療。

4 反芻動(dòng)物與腸型

4.1 腸型可以在反芻動(dòng)物上應(yīng)用 微生物消化是反芻動(dòng)物的重要消化方式， 反芻動(dòng)物的胃腸道棲息著大量菌群， 研究表明反芻動(dòng)物胃腸道主要菌群為厚壁菌、 擬桿菌和普雷沃氏菌（Huang，2020；Zhu，2018）。 瘤胃是反芻動(dòng)物微生物消化發(fā)生過(guò)程的重要消化器官， 由于反芻動(dòng)物的特殊生理結(jié)構(gòu)以及與瘤胃微生物的協(xié)同作用， 飼草可以被發(fā)酵并降解為揮發(fā)性脂肪酸（VFA），這些脂肪酸被反芻動(dòng)物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收（Guo，2022；Cammack，2018）。 有研究表明日糧更換導(dǎo)致的奶牛瘤胃和后腸道菌群發(fā)生的改變存在時(shí)序性差異， 且后腸道的適應(yīng)過(guò)程要慢于瘤胃（Neumann，2008）。 因此，僅僅根據(jù)腸型評(píng)定反芻動(dòng)物的消化代謝狀態(tài)可能不準(zhǔn)確?？紤]到瘤胃菌群的復(fù)雜性，對(duì)應(yīng)腸型的概念， 如果能在反芻動(dòng)物上引入瘤胃菌群類型（即“瘤胃型”）這一群體分型概念，采用聚類或者以群體為單位進(jìn)行分析的方法， 可以提升對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃功能的認(rèn)知。 如果能使瘤胃型結(jié)合腸型， 可能會(huì)更加準(zhǔn)確的評(píng)估反芻動(dòng)物的健康狀況，預(yù)防疾病風(fēng)險(xiǎn)。 研究表明在單胃動(dòng)物上，90%以上的腸道細(xì)菌只屬于擬桿菌門和厚壁菌門這兩個(gè)門，優(yōu)勢(shì)菌門根據(jù)動(dòng)物個(gè)體或有不同，但健康個(gè)體的比例大都相似， 擬桿菌門和厚壁菌門比例的不同可以反映出機(jī)體的健康狀況（Zhang，2019；Qin，2010）。 和單胃動(dòng)物類似， 在反芻動(dòng)物上，擬桿菌門和厚壁菌門也是主要的菌門，反芻動(dòng)物的擬桿菌門和厚壁菌門比例的不同也可以在一定程度上反映消化道的代謝情況（Faniyi，2019）。此外， 研究表明反芻動(dòng)物的胃腸道菌群也存在一定的穩(wěn)定性，在不受外界影響下，胃腸道菌群組成和豐度相對(duì)穩(wěn)定（Huang，2020）。 因此，腸型概念可以在反芻動(dòng)物上應(yīng)用。

4.2 腸型在反芻動(dòng)物上的應(yīng)用前景 和腸型一樣，反芻動(dòng)物的日糧結(jié)構(gòu)、生理狀態(tài)和生存環(huán)境等均會(huì)對(duì)其消化道微生物群落結(jié)構(gòu)造成影響（Gruninger，2019）。在利用高精料日糧誘導(dǎo)奶牛瘤胃亞急性酸中毒（SARA）的研究中，發(fā)現(xiàn)奶牛瘤胃厚壁菌門/擬桿菌門（F/B）值升高，且SARA 越嚴(yán)重，F(xiàn)/B 值越高（Plaizier，2016；Mao，2013）。Plaizier等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，大幅度增加日糧精料不僅降低了瘤胃菌群多樣性， 同時(shí)也會(huì)改變后腸道菌群組成， 比如減少盲腸和糞便牛鏈球菌屬（Streptococcus bovis），增加大腸桿菌（Escherichia coli）數(shù)量。 可見(jiàn)反芻動(dòng)物胃腸道菌群會(huì)對(duì)日糧結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)行響應(yīng)。 因此， 研究反芻動(dòng)物的腸型很有必要。

瘤胃微生物群決定反芻動(dòng)物的纖維利用率（Chen，2022）。Couch 等（2021）研究了非洲野牛病原體與腸型之間的相互作用；Guo 等（2021）研究了高原放牧牦牛在不同季節(jié)腸型的動(dòng)態(tài)變化，目前還鮮見(jiàn)對(duì)反芻動(dòng)物瘤胃型進(jìn)行嘗試。 聯(lián)合瘤胃型和腸型對(duì)反芻動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)與健康進(jìn)行研究可能是更可靠的方式。 有研究表明瘤胃菌群移植可以改變胃腸道菌群， 該技術(shù)還可以治療瘤胃急性酸中毒，緩解急性酸中毒對(duì)瘤胃上皮細(xì)胞的損傷，促進(jìn)瘤胃發(fā)酵和細(xì)菌穩(wěn)態(tài)的恢復(fù)， 調(diào)節(jié)瘤胃上皮形態(tài)和功能（Yin，2021；Liu，2019）。 雖然目前瘤胃菌群移植中具體微生物調(diào)節(jié)機(jī)制仍不明確， 但可以明確瘤胃菌群的改變會(huì)對(duì)反芻動(dòng)物的胃腸道健康產(chǎn)生影響。因此，探究反芻動(dòng)物腸型能夠?yàn)檎{(diào)控反芻動(dòng)物瘤胃菌群平衡奠定基礎(chǔ)， 為反芻動(dòng)物疾病的精準(zhǔn)防治提供方向， 同時(shí)可以促進(jìn)反芻動(dòng)物個(gè)性化的健康養(yǎng)殖。

考慮到瘤胃內(nèi)不僅存在細(xì)菌， 還存在真菌及原蟲， 每種微生物都對(duì)反芻動(dòng)物的消化產(chǎn)生作用（郭成，2022）。 不論是舍飼或者放牧反芻動(dòng)物，還是野生反芻動(dòng)物， 粗飼料對(duì)反芻動(dòng)物的飲食健康起著重要作用（Guo，2022）。 研究表明瘤胃真菌對(duì)飼草纖維素的降解能力強(qiáng)， 但和瘤胃其他微生物存在拮抗關(guān)系（Swift，2021；Akin，1990）。 Song 等（2021）病毒型的研究表明，腸型不一定要以細(xì)菌型為主， 考慮到瘤胃菌群的結(jié)構(gòu)和功能的多樣性以及瘤胃型的離散情況（能否明確確定瘤胃型），瘤胃型的確定以細(xì)菌型為主還是真菌型為主有待進(jìn)一步研究。

5 小結(jié)

腸型的定義方便了對(duì)腸道菌群的認(rèn)識(shí)， 雖然腸型有部分局限性， 但對(duì)成年穩(wěn)定個(gè)體的腸道菌群分型是必要的， 腸型可以作為生物標(biāo)志物反映動(dòng)物體的營(yíng)養(yǎng)水平和健康狀況。 反芻動(dòng)物的微生物消化強(qiáng)于單胃動(dòng)物， 反芻動(dòng)物胃腸道菌群也會(huì)對(duì)類似于單胃動(dòng)物， 會(huì)對(duì)日糧的變化和機(jī)體健康作出響應(yīng)。 然而目前腸型在反芻動(dòng)物上的研究較少， 因此腸型的判定對(duì)反芻動(dòng)物疾病的精準(zhǔn)防治和個(gè)性化的健康養(yǎng)殖很有必要。今后，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)反芻動(dòng)物腸型的開(kāi)發(fā)和探索，最終應(yīng)用于實(shí)踐，服務(wù)于反芻動(dòng)物生產(chǎn)。