鸡肠道微生物研究进展
2013-08-22王丽凤张家超孙志宏付维来张和平
王丽凤 张家超 马 晨 孙志宏 付维来 张和平*
(1.乳品生物技术与工程教育部重点实验室,内蒙古农业大学食品科学与工程学院,呼和浩特010018;2.饲用微生物工程国家重点实验室(筹),北京100192)
微生物及其复杂的微生物群落在其生存环境的大部分生化转化中承担着巨大责任。事实上,这些微生物定植于宿主每一个暴露于外界的身体表面,包括皮肤、口腔、呼吸道、泌尿生殖道和胃肠道。在这些身体部位中胃肠道是最密集的微生物定植器官[1]。这些存活于胃肠道的复杂微生物群落被认为是肠道微生物。胃肠道微生物在营养、代谢、生理和免疫过程中起重要作用,能从不可消化多糖类饲料,如抗性淀粉和纤维物质中摄取能量来发挥重要的作用。这些代谢活性也导致了重要营养物质的产生,诸如短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)、维生素和氨基酸[2]。此外,肠道微生物通过定植抵抗和抗菌化合物产生机制参与病原菌防御抵抗。肠道菌群还参与胃肠感觉和蠕动功能的发育、成熟和持续,肠道屏障和免疫系统[3]。
最近研究揭示,脊椎动物胃肠道寄居着复杂的微生物,这些微生物对脊椎动物健康和疾病的贡献引起了人们对肠道微生物菌群如何构建以及它们如何影响宿主健康方面的强烈兴趣[4]。虽然脊椎动物胃肠道寄居着大量微生物,但目前关于微生物菌群组成和功能方面的信息主要来源于哺乳动物。从解剖学角度发现,不同种类的哺乳动物肠道微生物菌群组成与宿主饲粮、亲缘关系间存在密切相关性[5]。然而哺乳动物种类数量少于脊椎动物的10%,并且这种相似的亲缘关系是否存在于更加多样和远古的脊椎动物谱系,诸如鸡,还不清楚。
由于许多因素影响鸡肠道菌群组成,诸如年龄、饲粮、抗生素饲喂以及病原微生物感染。本文旨在综述不同日龄鸡肠道微生物菌群组成和多样性、肠道菌群作用、饲粮与肠道菌群的关系,并总结饲喂抗生素对鸡肠道微生物的影响,讨论益生菌对鸡肠道菌群以及使用抗生素所造成的微生态失衡的调节潜能。
1 鸡肠道微生物发育
关于鸡肠道微生物的研究可以追溯到1901年,并在20世纪40年代得到延续,但是试图培养尽可能多的肠道微生物的综合性研究在20世纪70年代才开始进行。虽然鸡消化道其他部位可能也是病原体和宿主微生物相互作用的重要位点,但是由于盲肠微生物的多样性以及1g(净重)粪便含有1011个微生物,所以盲肠成为人们关注的焦点。
早期基于培养技术的研究发现宿主因素,如年龄影响盲肠微生物菌群组成。刚孵出的小鸡肠道几乎是无菌的,在孵出第1天小鸡胃肠道内也没有检测出微生物,直到第3天在胃肠道所有位点都检测出了粪链球菌和大肠杆菌类[6]。小肠微生物菌群大概是在2周内建立起来的,40d内其微生物主要是粪链球菌和大肠杆菌类,随后乳酸杆菌成为优势菌。盲肠微生物菌群的构建要滞后于小肠,大概在6~7周。大量的兼性及严格厌氧菌定植于盲肠,诸如粪链球菌、梭菌属、肠杆菌、片球菌属和偶尔出现的铜绿假单胞菌。1日龄鸡盲肠中乳酸菌数量变化非常大,到第3天时大量微生物出现在整个消化道,其中一些微生物的出现是短暂的,直到40d后菌群组成变得稳定,主要由粪链球菌、大肠杆菌、拟杆菌属亚种和乳杆菌属亚种构成。
近年来随着分子生物学的发展和各项新技术的广泛应用,许多研究发现随着鸡日龄的增加肠道菌群多样性变得更加复杂。Zhu等[6]对不同日龄鸡盲肠微生物进行了研究,结果表明孵化后1周内盲肠微生物菌群组成发生了很大变化,1日龄鸡盲肠内容物微生物种类是稀少的,但在数量上与大日龄鸡存在较少的差异,主要是屎肠球菌,而化糖梭状芽孢杆菌(Clostridium saccharolyticum)仅出现在大日龄鸡盲肠中;大肠杆菌和瘤胃球菌在不同日龄鸡盲肠都有发现;在2、4和6周龄鸡盲肠微生物中出现产丁酸菌。他们通过对6周龄鸡盲肠微生物进行16SrDNA测序,结果显示球形梭菌族占27.1%、鼠孢菌族占21.2%、柔嫩梭菌族占20.2%、肠杆菌占20.8%、奇异菌属族占3.6%、放线菌属占1.3%、假单胞菌占1.0%、拟杆菌属族占1.9%、芽孢杆菌属-乳杆菌属-链球菌属亚种占1.5%、其他占1.7%。与盲肠微生物菌群组成相比,回肠中乳杆菌属最多(70.0%),依次为梭菌科11.0%、链球菌属6.5%和肠球菌属6.5%,相反,盲肠微生物以梭菌科最多(65.0%),依次为梭杆菌属14.0%、乳杆菌属8.0%和拟杆菌属5.0%。此外,3日龄和7日龄、14~28日龄以及49日龄鸡盲肠微生物菌群组成相比较存在显著差异,该结果表明随着鸡肠道成熟化肠道菌群从短暂而单一的构成向复杂逐渐演化[6]。同时鸡回肠在7~21日龄和22~28日龄有稳定的微生物菌群组成,但在3日龄和49日龄存在非常唯一的微生物菌群组成结构。鸡3日龄时回肠和盲肠微生物菌群组成不存在显著差异,事实上在前14日龄盲肠微生物菌群组成是回肠的子集。随后回肠和盲肠具有明显不同的微生物菌群组成,表明随着鸡成熟每个肠道区域发育各自唯一的微生物菌群。
有害和有益肠道菌运输路径都要通过粪便,目前对肠道微生物的了解大部分来自对粪便的研究,因此了解粪便菌群组成也是非常重要的。鸡粪便中主要有埃希氏菌属、志贺菌属、布劳特氏菌属、粪球菌属、梭菌科、毛螺旋菌科、梭菌目和乳杆菌属[7]。
总之,孵化后的早期阶段是鸡肠道菌群建立的关键时期。
2 肠道共生菌的作用
2.1 对宿主免疫的作用
肠道菌群和宿主免疫系统相互作用开始于宿主出生,并诱导宿主免疫成熟。Sjogren[8]研究发现,婴儿早期粪便样本中双歧杆菌种属的数量与黏膜分泌型免疫球蛋白A(SIgA)分泌浓度呈显著相关,提示双歧杆菌的多样性能促进黏膜SIgA系统成熟。Cukrowska等[9]给新生无菌小猪接种非致病性大肠埃希菌,结果显示肠道非致病菌定植初期能刺激肠道黏膜和全身体液免疫,但随即肠道特异性应答受到抑制而出现耐受。肠道菌群也可通过酵解作用产生的SCFAs间接促进肠黏膜的修复和生长。SCFAs通过对肠黏膜提供能量,改善组织的局部供血,促进肠上皮细胞的修复和增加胰液中胰酶的分泌量来促进肠道的生长。Dogi等[10]研究发现,一些菌株能显著增加免疫球蛋白A+B(IgA+B)细胞的数量,其中革兰氏阳性菌能够显著增加白细胞介素-10(IL-10)分泌细胞的数量,革兰氏阴性菌则能够显著增加白细胞介素-12(IL-12)分泌细胞的数量。Hansen等[11]在检测IL-10分泌量不足的小鼠肠道时发现,其肠道菌群的多样性显著降低;在检测患有结肠炎导致肠黏膜免疫受到损伤的小鼠肠道时发现,其肠道放线菌、变形菌、大肠杆菌等的数量增加,而产气芽孢梭菌等的数量显著减少。由此可见,肠道菌群通过激活肠黏膜免疫细胞因子与免疫应答这一机制对肠黏膜免疫发挥着重要的调控作用。
2.2 对宿主代谢的作用
研究显示,定植于鸡整个消化道的微生物直接参与了宿主的各种代谢过程,发挥着其重要而独特的作用,其活性发酵产物主要是乳酸和短链脂肪酸,为宿主提供能量底物[12]。饲料中的碳水化合物被消化后,肠道微生物将其发酵产生短链脂肪酸,如n-丁酸、乙酸和丙酸,并通过肠道分泌细胞被G偶联蛋白受体41(GPR41)和G偶联蛋白受体43(GPR43)感受。除了成为结肠细胞和肠道中脱硫肠状菌属亚种的营养源外,在细胞培养模式和小鼠试验中n-丁酸能通过刺激脂肪细胞中瘦素的产生和诱导由肠道L细胞分泌胰岛高血糖样肽1(GLP-1)调节能量代谢[12]。主要产丁酸菌为梭菌纲、氏菌属和真细菌[13]。乙酸和丙酸经血液运输到各个器官,作为氧化、脂质合成和能量代谢的底物,再经过肝脏中的肝细胞利用,丙酸进入糖异生途径[12](表1)。
表1 肠道微生物代谢功能Table 1 Metabolic functions of gut microbiota
2.3 对宿主生产性能的作用
生产性能最常见的衡量指标就是体重增加和饲料转化率。肉鸡生产性能与遗传、饲粮、日龄和饲养环境紧密相关。与体重增加和饲料转化率相关的遗传变化也会导致肠道生理、肠道微生物菌群组成的变化[14]。已有报道,饲粮、日龄和环境因素均可影响肠道菌群[6,15]。因此鸡生产性能和肠道菌群组成间存在明确的相关性。为了确定肠道菌群和鸡生产性能间存在的关系,Torok[25]进行的肉鸡饲养试验结果表明与生产性能相关的微生物在门水平有厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和疣微菌门,纲水平有梭菌纲和杆菌目,目水平有梭菌目和乳杆菌目,科水平有肠杆菌科、毛螺旋菌科和未分类的瘤胃球菌科,属水平有阿克曼氏菌属、别样杆菌属、厌氧盒菌属、拟杆菌属、弯曲杆菌属、罕见小球菌属、志贺菌属、乳杆菌属、未定位的消化链球菌属、毛螺菌科。肠道内部分梭菌微生物能产生短链脂肪酸,如梭菌簇Ⅸ主要产丙酸,柔嫩梭菌族和球形梭菌族主要产丁酸,在定植抵抗中球形梭菌可能是重要的,起到抵抗病原微生物入侵的屏障作用[26]。回肠中与降低生产性能相关的乳酸杆菌亚种分别是唾液乳杆菌、鸟乳杆菌和卷曲乳杆菌。某些乳酸杆菌,包括唾液乳杆菌具有胆汁解离活性,该菌可降低胆酸在脂肪乳化过程中的清除特性而导致鸡生长抑制[27]。盲肠中与生产性能提高相关的微生物主要有6大种系,其中2个种系可能与扭链瘤胃球菌有关。C.lactatifermentans是革兰氏阳性乳酸发酵转性厌氧菌,属于梭菌簇ⅩⅣb,其可利用多种有机化合物转化成乙酸、丙酸、微量丁酸和异戊酸。扭链瘤胃球菌属于球形梭菌簇ⅩⅣa[Clostridium coccoides (ⅩⅣa)group],可以降低胃肠道黏蛋白。这种溶解黏液的潜能广泛存在于肠道微生物中[28]。肠道营养素的滞留导致肠道共生菌和有害菌利用黏蛋白为底物,因此削弱了由肠道黏膜层提供的保护[29]。与肉鸡生产性能提高相关的另2个种系是Gallibacterium anatis(G.anatis)和大肠杆菌,令人惊讶的是G.anatis和大肠杆菌都是潜在的致病菌。G.anatis能引起严重的全身感染,尽管发病机制还不清楚。Gallibacterium亚种被发现存在于鸡上呼吸道和下生殖道[30]。在家畜和人体内大肠杆菌也被认为是致病菌,在老鼠体内可引起大肠炎,但并不是所有的大肠杆菌菌株都会引起大肠炎,如大肠杆菌Nissle(E.coli Nissle)。事实上E.coli Nissle作为益生菌被广泛的应用于人及家畜[31]。因此同一菌种的不同菌株代谢活性变化很大,益生潜能也存在巨大的差异,通常表现出宿主专一性。
3 影响宿主肠道菌群组成的因素
3.1 饲粮
肠道菌群组成最大决定因素是饲粮,肠道微生物菌群组成受到饲料原料,饲粮脂肪、蛋白质、碳水化合物营养水平,饲粮物理结构(颗粒大小和加工技术),外源饲用酶类以及饲用抗生素(抗生素和抗球虫药)使用的影响[32]。利用微生物学培养技术和非培养分子技术以及微生物代谢产物(如短链脂肪酸)的间接测定,多项研究进行了饲粮变化对肠道微生物菌群组成影响的调查[33]。De Filippo[34]对欧洲城市儿童(具有高动物蛋白质、糖、淀粉、脂肪和低纤维的典型西方饮食习惯)和非洲农村儿童(饮食以低脂肪、动物蛋白质和富含淀粉、纤维、植物多糖和蔬菜为主)粪便微生物菌群组成进行比较研究。结果表明2组儿童粪便共有的放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门4个门中,非洲农村儿童粪便中放线菌门和拟杆菌门含量要显著高于欧洲城市儿童(分别为10.1%和6.7%;57.7%和22.4%),而欧洲城市儿童粪便中厚壁菌门和变形菌门含量要高于非洲农村儿童(分别为63.7%和27.3%;6.7%和0.8%),因此饮食在微生物菌群构筑过程中起到重要的作用。在这种模式下,宿主微生物通过影响代谢过程保持能量平衡。在体型肥胖和较瘦的人群中,厚壁菌门和拟杆菌门的比率是不同的,该比率随着饮食低卡路里食物的人体重下降而降低[35]。在无菌小鼠试验中也得出了同样的结论,与高脂肪和高糖饮食相关的菌种可促进肥胖[36]。因此可以合理地推测在欧洲城市儿童粪便中厚壁菌门/硬壁菌门(Firmicutes/Bacteroidetes)比率升高(可能由于高热量饮食)可能会促使他们在将来更容易变胖。
一直以来,人们将能够被肠道微生物发酵的碳水化合物量确定为存在于食物中膳食纤维的量。然而食物中某些“可利用碳水化合物”也能够以可检测量逃过小肠消化吸收而被肠道微生物发酵[37]。其他研究也表明许多淀粉类饲料/食物的可利用碳水化合物在小肠中是不能完全被吸收的,此外碳水化合物吸收障碍和饲料/食物中纤维含量之间存在正相关关系,这一现象表明饲料/食物中纤维含量一定程度上决定了作为肠道微生物发酵底物可利用碳水化合物的量[37]。菊粉型果聚糖,如菊粉和果糖的添加可以促进特定微生物的生长,尤其是双歧杆菌和乳酸杆菌[37]。这些碳水化合物几乎能够完全逃过小肠的消化吸收,但在粪便中没有被发现到,表明菊粉和果糖在回肠中完全被发酵了。Roberfroid[38]提出每天摄入15g果糖或菊粉15d可显著提高双歧杆菌数量。这些结果表明每天摄入20g菊粉或果糖足以诱导结肠微生物显著增殖。抗性淀粉是可发酵碳水化合物另一主要来源。5%~20%饲粮淀粉未被宿主小肠消化,膳食纤维、未吸收的糖、棉子糖以及聚葡萄糖、改性纤维素是结肠发酵底物的重要来源。抵抗结肠微生物发酵的不溶性纤维(即木质素、纤维素和部分半纤维素)在粪便膨胀中起到重要的作用,并携带包括淀粉和糖的可发酵碳水化合物底物。可溶性纤维(如果胶、树胶、胶液和一些半纤维素)可更彻底地被结肠微生物发酵,而对提高粪便容量效果甚微。因此高纤维和可发酵底物饲粮具有调节肠道微生物和影响宿主健康的潜能[39]。
Bedford等[40]将外源饲用酶类对肠道微生物的作用划分为2个阶段:回肠阶段和盲肠阶段。在回肠中,酶通过提高营养物质的消化率、减少肠道微生物可利用的底物数量,从而减少细菌的数量;在盲肠中,酶降解底物产生可溶但难以吸收的糖类供有益菌利用。对家禽而言,肠道有益菌发酵产生的挥发性脂肪酸可能不仅有益于控制沙门氏菌和弯曲杆菌的数量,同时还可提供能量[40]。
综合以上研究可知,饲粮可显著影响胃肠道菌群的组成和代谢活性,饲料成分可促进肠道有益菌的生长以及直接诱导有益动物健康和营养肠道微生物菌群组成,可以用来调控肠道微生物菌群组成。
3.2 抗生素
数10年来,抗生素广泛应用于畜禽饲粮,以促进动物健康和提高生产效率。但是抗生素的大量使用以及动物和人类病原菌对多种抗生素抵抗迅速而广泛的出现,导致目前人们对抗生素使用的谨慎与质疑。环境和肠道微生物的研究揭示出大量使用抗生素导致巨大的抗生素抗性基因多样性[41]。此外,饲料中添加抗生素可能会导致家畜共生菌的持久改变。抗生素抗性基因的储备库已经表明即使无抗生素情况下,微生物结构也是稳定的[42]。Looft[43]进行了不同抗生素(金霉素、磺胺二甲嘧啶和盘尼西林)对猪肠道微生物菌群影响的比较试验,广泛评估了饲料抗生素对猪整个肠道微生物菌群的影响。结果表明,14d后与未饲喂抗生素的猪相比较,饲喂抗生素的猪肠道变形菌门提高了1%~11%;而且,通过宏基因组分析表明饲粮中添加抗生素能够提高与能量产生和转化有关的微生物功能基因。当肉鸡饲喂添加杆菌肽饲粮34d时可显著降低盲肠大肠杆菌数量,而当饲喂添加维吉霉素饲粮时可显著降低盲肠弯曲杆菌数量[44]。Torok[45]报道了抗生素(阿维霉素、杆菌锌肽)对不同日龄鸡回肠盲肠微生物菌群组成的影响。结果表明,毛螺菌科、约氏乳杆菌、未分类的瘤胃球菌科、梭菌目、草酸杆菌科在饲喂抗生素饲粮鸡肠道中数量较少,而卷曲乳杆菌、罗伊乳杆菌、罕见小球菌属亚种(Subdoligranulum spp.)、肠杆菌科在饲喂无抗生素饲粮鸡肠道中数量较少,此外,饲喂含有抗生素饲粮的小鸡在出生3~7d时回肠微生物菌群组成变异减少。Knarreborg[46]运用培养及聚合酶链反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)方法也曾做过抗生素(阿维霉素和沙利霉素)对不同日龄鸡回肠微生物菌群组成的影响,研究中发现产气荚膜梭菌数量显著下降,存在于35日龄鸡肠道的唾液乳杆菌在饲喂添加抗生素饲粮的鸡肠道中没有检测到。La-Ongkhum[47]也运用PCR-DGGE技术进行了饲喂抗生素(阿维菌素)和无抗生素饲粮对不同日龄鸡空肠微生物菌群组成影响的比较研究。结果表明,魏斯氏菌属、粪链球菌和嗜酸片球菌仅出现在对照组,表明阿维菌素影响了以上菌群的生长而导致微生物多样性下降。
这些结果表明不同的抗生素对肠道微生物存在着不同的影响和致病菌耐药性的产生,所以自1986年瑞典率先提出禁用抗生素以来,抗生素正逐步从家禽和猪的饲粮中消失。而且Bedford等[40]指出,抗生素对无菌动物的生长性能没有任何益处,所以饲粮中抗生素的促生长作用与动物肠道微生物区系紧密相关。
3.3 益生菌
肠道菌群的调节是益生菌潜在的有益健康的效应之一。新孵出的小鸡不仅肠道是无菌的,免疫也是相对不完全的。二者共同导致致病菌易于在小鸡胃肠道定植。为了降低肠道传染病发病率,益生菌常被用于家禽生产[48]。多项研究已经证明,乳酸杆菌和芽孢杆菌能够降低肠道致病菌而提高有益菌的水平(表2)。益生菌调节肠道菌群的机制包括降低肠腔pH、竞争营养物质、分泌抗菌化合物(细菌素)、阻止细菌黏着和上皮细胞脱落以及诱导抗菌化合物产生[49]。通过这些机制,益生菌不仅可以潜在调节肠道菌群的组成,也可以防止致病菌过度生长。为了了解微生物接种对刚孵出小鸡肠道微生物发育的影响,Yin[50]采用不同细菌接种剂(接种剂1:拟杆菌属、毛螺菌科和未分类的瘤胃球菌科;接种剂2:普氏菌属、氨基酸球菌属和多尔氏菌属)对孵出后4h的小鸡进行口腔灌喂。15d后分析回肠、盲肠内容物,结果显示接种剂1定植率较高,定植位点主要在盲肠,接种剂2定植效果不大。此外,不同接种剂的微生物菌群组成的不同会对刚孵出小鸡肠道微生物的发育产生不同的影响,动物肠道微生物建立受到接种微生物菌群组成和肠道生理环境的影响。肉鸡采食添加有粪肠球菌的饲粮会影响回肠和盲肠的微生物菌群组成,显著减少大肠杆菌数量[51]。Salarmoini等[52]在饲粮中添加2×108CFU/g嗜酸乳杆菌也得出了相同的结论,即鸡回肠和盲肠中乳酸菌数量显著上升而大肠杆菌数量显著下降。随着饲粮中枯草芽孢杆菌添加量(0.15%、0.30%、0.45%)增加,利用培养的方法得出肉鸡盲肠梭菌属和大肠杆菌数量显著下降。饲粮中添加乳杆菌株能够显著降低4日龄肉鸡盲肠产气荚膜梭菌数量,而大肠杆菌和乳酸菌数量并没有受到显著的影响。此外,在乳杆菌株组,4日龄肉鸡肠道乳杆菌属-肠球菌属族略有增加,但在19日龄该2种菌属不再增加[54]。1日龄鸡采食添加植物乳杆菌代谢产物的以玉米和大豆为主的标准饲粮42d后,粪便中乳酸菌和肠杆菌科数量显著上升[55]。在体外试验中,用敏捷乳杆菌和唾液乳杆菌水杨苷亚种刺激鸡盲肠,24h孵化后乳酸杆菌、双歧杆菌和普拉氏梭杆菌数量显著上升,而大肠杆菌和丁酸梭菌数量没有变化,沙门氏菌显著降低[56]。断奶仔猪饲粮添加植物乳杆菌1个月后,运用DGGE方法发现结肠乙二醇梭菌样谱系丰度下降,嗜酸乳杆菌样谱系丰度升高[57]。小猪采食含有粪链球菌饲粮后,运用体外培养技术发现其回肠、盲肠和粪便中的乳酸杆菌数量显著上升而回肠中大肠杆菌类数量显著减少[58]。此外,益生菌可以恢复由于使用抗生素所造成的肠道生态失衡,稳定原有微生态,抑制耐药性肠杆菌过度增殖并刺激拟杆菌属增长[59],减少抗生素的副作用[60]。
表2 益生菌对鸡肠道微生物的影响Table 2 Effects of probiotics on gut microbiota in chickens
4 小 结
最近几年,关于肠道菌群研究的文章出版量急剧增加。这些研究提供了大量证据来证实肠道菌群和宿主健康之间的紧密关系。但是关于健康宿主肠道微生物菌群组成和多样性以及导致疾病或与疾病相关的微生物如何变化的了解还远远不足。随着分子生物学的发展和科学技术的不断进步,从传统的纯培养技术以及目前常用的非培养微生物研究技术DGGE和荧光定量PCR技术(RT-PCR),到第2代测序仪 Recho 454——焦磷酸测序平台的出现,尤其是宏基因组理论的提出,需要更多的研究来探讨胃肠道微生物种类多样性、胃肠道微生物基因多样性以及胃肠道微生物基因mRNA和蛋白质水平。
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