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反刍动物胃肠道微生物及其代谢物研究进展


来源: 华信共享智库   作者:    时间: 2024-05-11

摘要

反刍动物胃肠道的发育与胃肠道微生物的定植都有一定的规律,但是不同物种乃至个体之间又有其独特的菌群。动物品种、年龄、性别以及不同的饲养管理模式对动物胃肠道微生物区系的结构和数量有着不同的影响。微生物与宿主的相互作用主要通过其代谢产物与宿主机体的代谢交互实现。因此,对胃肠道微生物和微生物代谢产物以及动物生长表型之间的关系进行相关性分析探究尤为重要。文章主要阐述了近年来反刍动物胃肠道微生物的组成、影响因素、主要代谢产物及其对宿主调控作用等方面的研究进展,以期为反刍动物胃肠道微生物功能研究提供参考。 


一、反刍动物胃肠道微生物的组成

反刍动物对营养物质的消化吸收离不开健康的胃肠道,当饲粮经瘤胃和小肠分解后,一部分营养物质进入大肠进行发酵。但不同肠段中微生物的种类和丰度具有很大的差异,盲肠和直肠中微生物的菌群要多于小肠。研究人员对各个地区不同品种的羊进行了微生物测序分析,发现不同品种及地区的羊胃肠道微生物区系的结构和数量有所不同,但是,某些优势菌群却具有一定的相似性,在小尾寒羊的肠道中,厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidota)是盲肠和直肠中的优势门,而空肠中厚壁菌门和蓝细菌(Cyanobacteria)的相对丰度较高。总之,厚壁菌门和拟杆菌门占据胃肠道微生物的主导地位,对反刍动物胃肠道中蛋白质和碳水化合物的消化吸收起重要作用。


二、反刍动物胃肠道微生物的功能

胃肠道微生物菌群多样性与宿主营养物质的消化代谢有着密不可分的作用,微生物通过介导某些分子效应参与调节宿主的胃肠道免疫和神经生理等功能,胃肠道微生物胞外或者表面的蛋白质分子在其与宿主作用时发挥重要的功能(如表1)。

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人们发现微生物相关分子模式和模式识别受体的识别和结合可以触发不同的胞内信号通路,导致免疫细胞、白细胞介素等细胞因子的变化,激发体内的免疫反应。肠道菌群还可以通过调控骨髓依赖性淋巴细胞(B细胞)的应答促进肠道中免疫球蛋白A(Immunoglobulin A,IgA)的产生,IgA可以避免肠腔中有害物质直接损伤肠上皮黏膜;同时,IgA也调节着肠道内菌群的组成和平衡,可以增强肠道上皮细胞的物理屏障。研究发现,胃肠道微生物与宿主的表观遗传修饰有紧密的联系,胃肠道微生物组的某些结构和代谢物的改变会引起宿主过敏反应、自身免疫等疾病。益生菌和肠道微生物可以产生具有免疫调节的因子;例如,嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia muciniphila)的菌毛结构是免疫和肠道屏障功能的关键介质,普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)分泌的肽类属于一 种名为微生物抗炎分子的蛋白质。 另外,胃肠道菌群会影响中枢神经系统,使宿主发生一系列的疾病,同时肠道细菌与大脑发育和神经发生有关,通过迷走神经(Vagus nerve, VN)影响神经系统。VN能够感知微生物群,将肠道信息传递到相应的中枢神经系统,产生适当或不适当的反应。

三、影响胃肠道微生物的因素

1.遗传

宿主的基因影响胃肠道菌群的组成,研究发现一些科和属的细菌可以直接遗传到下一 代。早在2001年就有科学家发现同卵双胞胎的胃肠道微生物相似性高于其他没有遗传关系的个体。后来,人们确定了某些微生物类群如克里斯藤森菌(Christensenellaceae)科(Firmicutes属),它们的丰度受到宿主遗传的影响,并且在宿主中也发现了与这些微生物组成相关基因。因此,宿主含有某些基因会对肠道中微生物的结构和数量造成影响,对维持胃肠道细菌群落具有重要作用。 

2.发育阶段

幼龄反刍动物的胃肠道发育随日龄的增长呈现一定的变化规律,是胃肠道微生物及其代谢产物等多方因素共同作用的结果。在肉羊养殖过程中,羔羊到育肥羊胃肠道的微生物丰富度逐渐增加,最后趋于稳定的状态,整个过程微生物的代谢物对羊的健康养殖具有重要作用。不同发育阶段反刍动物胃肠道中细菌和古菌的菌群组成具有差异,但真菌和原虫 的菌群组成受不同发育阶段的影响不大。反刍动物在分娩时与出生后,环境和饲粮的改变为微生物在胃肠道定植提供有利的条件,其胃肠道微生物一直处于不断变化的状态,具有一定的演变规律。

3.饲粮以及饲养管理模式

胃肠道微生物的菌群和数量受到多种因素的影响,但是有研究发现饲养方式的影响更大。在羔羊胃肠道微生物发育阶段,初生羔羊的饲喂方式会影响微生物的定植和优势菌群的建立,母乳喂养和人工喂养的羔羊体内的微生物来源不同,由母乳喂养的羔羊体内的胃肠道微生物大多来自于母乳、母羊的皮肤和口腔等,而人工饲养的羔羊的胃肠道微生物主 要来自于母羊生殖道和圈舍环境。哺乳和奶瓶喂养的新生羔羊有各自独特的肠道微生物群,与母羊哺乳相比,奶瓶喂养显著增加了大肠杆菌属(Escherichia)、志贺氏菌属(Shigella)、丁酸菌属(Butyricicoccus)和梭状芽胞杆菌XlVa属(Clostridium XlVa)的丰度。

随着饲料营养研究的发展,关于新型饲料的研发与应用逐渐成熟,新型饲料在使用过程中会对动物的生长性能、胃肠道微生物指标产生较大的影响。固态发酵饲料可以导致胃肠道的酸化,并为有益菌的建立提供适当的条件,另外,还可以降低肠杆菌科细菌的水平。

随着新型饲料的开发,人们也将焦点聚集在其对动物胃肠道微生物的影响方面。在多浪羊的饲粮中添加不同剂量的葡萄籽油后显著改变了多浪羊的胃肠道菌群多样性,提高了毛螺菌属,放线菌门等微生物的丰度,同时也抑制拟杆菌门的丰度。饲料中添加2g/kg的包膜丁酸钠后对羔羊的胃肠道微生物具有较好的调节作用,可以丰富羔羊的胃肠道菌群组成。由此可见,饲粮种类和饲养模式可以改变胃肠道微生物的多样性,帮助宿主与微生物之间建立生理平衡。 

4.胃肠道微生物与代谢产物的种类 

胃肠道微生物代谢物与宿主各种复杂的生理过程相关,如,宿主的免疫功能,炎症等疾病的产生(见图1)。动物的先天性免疫系统和适应性免疫系统与微生物及其代谢产物之间具有相互作用。胃肠道微生物可以直接帮助宿主消化和发酵食物产生代谢物,也可以通过自身合成某些代谢物,这些代谢物主要包括短链脂肪酸,次级胆汁酸以及离子多糖A等物质。


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(1)短链脂肪酸(SCFAs)


短链脂肪酸是胃肠道细菌产生的最丰富的代谢物之一,也是目前研究最为透彻的微生物代谢产物,控制着宿主免疫和代谢的多个方面。人和动物无法消化吸收的纤维素可以通过胃肠道中的微生物发酵为短链脂肪酸,微生物也可以将未消化的蛋白质和肽作为短链脂肪酸合成的底物,从头合成短链脂肪酸,微生物通过水解,糖酵解以及磷酸戊糖途径产生短链脂肪酸。胃肠道中的拟杆菌门主要产生乙酸和丙酸盐,厚壁菌门则多产生丁酸盐,这些SCFAs可以作为宿主的能量来源。SCFAs会影响胃肠道微生物组成,减少大肠杆菌,沙门氏菌等细菌的数量。丁酸盐是结肠上皮细胞的能量来源,可以通过众多机制增强肠道屏障功能;例如,脂多糖诱导的核酸结合寡聚结构域(NOD)样受体热蛋白结构域相关蛋白3炎症小体活化和自噬会导致肠道屏障功能受损,而SCFAs作为组蛋白去乙酰化酶的抑制剂,可以抑制上述过程,防止肠道屏障破坏。 


(2)色氨酸代谢物 

微生物产生、调节和降解的代谢物与其真核宿主有密切联系,胃肠道微生物大肠杆菌具有产生色氨酸的能力,色氨酸代谢产生的吲哚及其衍生物是芳香烃受体(Aryl hydrocarbon receptor,AhR)的配体,AhR配体可以结合免疫细胞。上皮细胞等细胞中的AhR,激活诱导白细胞介素22(IL-22)的产生,保护宿主免受致病菌的侵害。除了食物来源和内源性来源以外,体内的AhR可以由胃肠道微生物合成,乳酸杆菌可以利用色氨 酸作为能源产生AhR的配体,这与机体炎症和免疫功能相关。罗伊氏乳杆菌代谢色氨酸产生的吲哚-3-乙醛可以激活AhR信号,保护肠道上皮屏障。 


(3)次级胆汁酸 

肝脏中胆固醇合成的初级胆汁酸和胃肠道细菌合成的次级胆汁酸共同构成循环胆汁酸池混合物,结肠微生物可以将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸,胃肠道细菌进行的胆汁酸相关的生物转化影响胃肠道微生物组的结构和宿主的生理功能。有研究表明胆汁酸可以导致细菌的细胞膜损伤,增加胆汁酸的浓度能溶解细胞膜并引起完整膜蛋白的分解,导致细胞内物质的泄漏,但是细菌细胞拥有针对胆汁酸所引起损伤的保护和修复机制。

结肠微生物可以通过解偶联、脱羟基化等过程将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸,人们在脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)、普通拟杆菌(Bacteroides vulgatus)等微生物中发现了与解偶联相关的胆盐水解酶;脱羟基化作用由厚壁菌门的细菌进行催化,包括:梭菌 (Clostridium)和真杆菌属(Eubacterium);另外,胆盐水解酶还广泛存在于小肠和大肠中的一些革兰氏阳性菌中;例如,双歧杆菌,乳杆菌等。 


(4)氨基酸 

氨基酸可以调节动物体内蛋白质和能量的稳态,胃肠道细菌产生的氨基酸衍生分子可以通过调节宿主微生物的组成和代谢来影响宿主健康,细菌对蛋白质的降解对反刍动物来说意义重大。

胃肠道微生物群参与几种来源于消化性和内源性蛋白质的氨基酸的利用和分解代谢,这些氨基酸可以作为微生物群产生的代谢终产物(包括:SCFAs)合成的前体。尽管微生物的种类和代谢途径不同,在色氨酸代谢过程会产生相似的代谢产物,如,D‐色氨酸、小肽和吲哚及其衍生物。胃肠道细菌产生的氨基酸衍生分子对宿主的健康有一定的作用;另外,细菌还会利用游离的氨基酸合成微生物菌体蛋白供宿主利用。

过去长达几十年的研究发现,普雷沃氏菌、牛链球菌(Streptococcus bovis)、多酸米氏球菌(Misuokella multiacidas)和丁酸纤维菌(Butyrivibrio fibrisolvens)等细菌含有与蛋白质消化和氨基酸吸收有关的酶,如,二肽基肽酶和二肽酶等。氨基酸还会通过氨基酸代谢细菌调节精子发生以及卵母细胞受精的过程,对哺乳动物的生殖过程产生影响。怀孕期间肠道中氨基酸代谢细菌的组成和丰度会发生改变并向子宫转移,这对胎儿发育和妊娠识别具有重要意义。

(来源:青海大学畜牧兽医科学院;青海省高原家畜遗传资源保护与创新利用重点实验室;农业农村部青藏高原畜禽遗传育种重点实验室)

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