猪肠道微生物及其营养调控

■罗玉衡 余 冰 何 军 毛湘冰 车炼强 陈代文

（四川农业大学动物营养研究所动物抗病营养教育部重点实验室农业农村部动物抗病营养与饲料重点实验室动物抗病营养四川省重点实验室，四川成都611130）

消化道微生物被看作动物体内的另一个“器官”，在营养物质的消化和吸收过程中起着关键作用。本团队系统研究发现猪肠道微生物与宿主表型的关系密不可分。多种日粮组分（如纤维、淀粉、寡糖、蛋白质、脂肪等），以及一些添加物（如抗生素、益生菌、有机酸和酚类等）都可能影响猪的肠道菌群组成，改变其代谢产物浓度和组成，从而通过不同途径影响猪的营养物质代谢和肠道健康。本文主要基于本团队现有研究结果，系统综述日粮-肠道微生物-宿主的潜在互作关系。

1 猪肠道微生物与宿主表型

1.1 不同品种猪肠道微生物组成有明显差异

大白猪、荣昌猪和藏猪具有不同的肠道微生物组成。三种猪粪便中可检测到的细菌共有15个门类。藏猪和荣昌猪比大白猪具有更高比例的Firmicutes和Spirochaetes及更低比例的Bacteroidetes，且藏猪Spirochaetes比例明显高于荣昌猪；而大白猪和荣昌猪则比藏猪含有更高比例的Tenericutes及更低比例的Fibrobacteres和Elusimicrobia；藏猪粪便中Lactobacillus、Fibrobacter和Akkermansia属的比例明显高于其余两种猪[1]，暗示猪肠道微生物的组成很可能与宿主代谢类型、采食特性、免疫功能等有关。

1.2 猪肠道微生物组成与宿主肠道发育、免疫特性、糖脂代谢和肉品质等的关系

无菌小鼠接种上述3个品种猪的粪便悬液后能复制供体猪的肠道菌群，且微生物可携带宿主部分特征传递给无菌小鼠。哺乳仔猪早期移植大白猪和荣昌猪粪便打破肠道微生物平衡，不利于肠道正常发育，但移植藏猪粪便不损害哺乳仔猪肠道健康，与其提高仔猪肠道丙酸和丁酸含量，以及IgA+B细胞、MAC387+巨噬细胞和CD4+T/CD8+T比值有关[1-2]。荣昌猪的粪菌移植可增加无菌小鼠肌肉脂肪沉积，改变肌纤维特性，呈现与供体类似的代谢类型。猪的骨骼肌表型与优势菌门（如Bacteroidetes、Firmicutes、Spirochaetes等）和属（Ruminococcus、Treponema、Prevotella等）的丰度有关[3]。

1.3 猪肠道微生物型与宿主骨骼肌表型和代谢的关系

猪肠道中的Prevotella/Bacteroides（P/B）与宿主的骨骼肌表型之间存在联系。高P/B猪骨骼肌肌内脂肪显著低于低P/B猪，与脂肪酸从头合成和脂肪酸摄取相关基因表达下调有关。P/B比和饲粮淀粉类型互作改变骨骼肌表型及代谢，高直链淀粉饲粮能提高低P/B猪骨骼肌肌内脂肪含量，改变肌纤维类型，其机制与肠粘膜PPARG-ANGPTL4的表达调节和后肠乙酸的累积有关[3]。

综上所述，肠道微生物与宿主表型之间存在密切的互作。宿主摄入的营养物质也是肠道微生物赖以生存的底物，因而在很大程度上调控微生物的组成及其代谢产物。

2 营养对猪肠道微生物的调控

2.1 日粮碳水化合物与猪肠道微生物的关系

2.1.1 日粮纤维来源和类型对猪肠道微生物及其代谢产物的影响

仔猪饲粮中短期（30 d）添加10%小麦麸和豌豆纤维在降低仔猪腹泻率的同时，提高回肠中乳酸菌和结肠中Bifidobacterium数量[4-6]。豌豆纤维的添加降低结肠[7]和盲肠[8]中Bacteroidetes相对丰度，提高结肠乙酸和盲肠总SCFAs浓度。豌豆纤维的长期（160 d）添加提高猪结肠Bacteroidetes丰度和多糖利用相关菌群数量，降低Firmicutes丰度和潜在致病菌群数量，改变猪结肠甲烷菌多样性，提高氢营养微生物活性[9]。

饲粮中添加15%的豌豆纤维、燕麦麸和混合纤维源（豌豆纤维与燕麦麸各占7.5%）提高猪CF和ADF消化率[10]。燕麦麸靶向促进猪肠道中Clostridiaceae生长，豌豆纤维则促使猪回肠和结肠中Lactobacillus增殖，同时降低回肠乙酸、丙酸及总SCFAs浓度，增加丙酸比例。混合纤维源的添加靶向促进猪结肠中Anaerovibrio增殖，降低回肠总SCFAs浓度，提高乙酸比例，说明菌群结构的变化可改变肠道发酵方式[11]。

饲粮纤维类型由IDF（含5%微晶纤维素）转换为SDF（含5%燕麦β-葡聚糖）后，猪CP、EE等消化率降低，ADF消化率提高。饲粮纤维类型由IDF转变为SDF引起Bacteroidetes丰度变化，由SDF转变为IDF则主要引起Actinobacteria和Firmicutes丰度变化，且使猪后肠SCFAs浓度升高，与细菌多样性增加有关[12]。

SDF（菊粉）和IDF（爱博素）的混合添加对断奶仔猪生长、肠道发育及屏障功能的促进作用优于单一类型的纤维。短期（28 d）添加IDF或混合纤维（各占0.5%）可提高仔猪结肠中Prevotella（重要SCFAs产生菌）丰度和乙酸、丙酸浓度。添加1%SDF可提高结肠内两种Proteobacteria和Actinobacteria丰度和丁酸产量[13]。

日粮添加5%β-葡聚糖或纤维素对仔猪肠道屏障功能的促进作用优于木聚糖，与改善仔猪肠道菌群结构，促进SCFAs的产生有关。纤维素降低Firmicutes丰度，增加Proteobacteria、回肠Lactobacillus丰度和乙酸产量；β-葡聚糖提高产丁酸菌Roseburia faecis丰度及盲肠丙酸和丁酸含量；木聚糖增加有害菌数量且降低盲肠丁酸浓度[14]。

综上所述，猪肠道中存在利用不同来源或类型纤维的特定菌群。微生物群落结构的变化引起肠道发酵方式改变，可能是纤维发挥不同生理作用的重要介导因素。

2.1.2 直链淀粉与支链淀粉比例影响猪肠道微生物群落结构和代谢产物

传统营养学对淀粉的研究多集中于猪的前肠，忽略了在前肠无法完全降解而进入后肠的淀粉对机体的影响。我们发现，较高淀粉直支比（0.52）的饲粮提高仔猪全肠段Bifidobacterium[15]和Bacillus[16]数量。与低淀粉直支比（0.14）饲粮相比，高直支比（0.43）饲粮可提高育肥猪回肠中Bacteroidetes丰度，降低Prevotella丰度。较低的淀粉直支比可提高猪回肠中Megasphaera elsdenii和Mitsuokella multacida丰度，及乙酸和丁酸浓度，但较高的淀粉直支比可降低γ-变形菌纲条件致病菌丰度，提高类Lactobacillus acetotolerans丰度[17]。说明肠道微生物与饲粮淀粉的互作可能直接影响营养物质利用率。

2.1.3 寡糖对猪肠道特定菌群的影响

添加100 mg/kg褐藻酸寡糖可提高断奶仔猪回肠Bifidobacterium和Lactobacillus数量，降低盲肠和结肠E.coli数量[18]。苹果果胶寡糖（200 mg/kg或400 mg/kg）不同程度改善育肥猪胴体及肉质性状，在提高结肠总细菌量的同时，提高食糜SCFAs浓度[19]。7～35日龄仔猪饲粮中添加甘露寡糖（800 mg/kg）可提高其生长性能和部分非特异性免疫应答能力，降低空肠和盲肠中E.coli数量，提高小肠中Lactobacillus数量[20]。在母猪和断奶仔猪饲粮中添加壳寡糖均可降低结肠食糜pH及盲肠和结肠总细菌和E.coli数量，增加回肠Bifidobacterium数量[21]。

综上所述，寡糖对猪的益生作用与其种类、添加水平和动物的生理阶段密切相关。但寡糖如何影响猪肠道微生物组成，及是否通过微生物代谢产物调控猪肠道免疫屏障功能仍需研究。

2.2 日粮蛋白质来源和水平对猪肠道菌群组成及代谢产物的影响

日粮添加12.04%固态发酵复合蛋白相比未发酵复合蛋白降低生长猪盲肠食糜SCFAs、挥发性盐基氮和氨等微生物代谢产物的含量，改善猪肠道消化功能[22]。平衡Lys、Met、Thr、Trp、Val和 Ile或平衡10种EAAs均增加结肠Firmicutes丰度（与能量代谢有关），并降低Bacteroidetes丰度，此时蛋白水平降低2%或4%不影响猪的生长和胴体品质，但降低氮排放和粪尿氨气产量，其中前者可降低生长猪结肠Firmicutes丰度，增加Bacteroidetes丰度[23]。

2.3 脂肪来源影响猪肠道特定菌群数量

对E.coli攻毒仔猪的研究发现，以椰子油为饲粮油脂来源可降低仔猪盲肠E.coli数量，增加Lactobacillus和Bifidobacterium数量，以及Lactobacillus/E.coli、Bifidobacterium/E.coli的比值，且效果优于鱼油和猪油[24]，说明无论在正常还是免疫应激状态下，脂肪均可通过调节肠道微生态环境来促进生长，或降低应激对仔猪的负面影响。

2.4 抗生素及其他添加剂对猪肠道菌群结构的影响

2.4.1 抗生素对猪肠道微生物区系的影响

饲粮中添加恩拉霉素（5～80 mg/kg）虽对生产性能稍有提升，但明显影响仔猪肠道菌群结构。仔猪直肠E.coli数量与抗生素剂量呈明显正相关，Lactobacillus和Lactobacillus/E.coli则随抗生素剂量增加而降低。停止添加抗生素后1周仔猪肠道菌群仍不能恢复正常。抗生素的添加还导致在LPS应激后，仔猪回肠和盲肠中Lactobacillus/E.coli下降，及盲肠中VBN、AN、乙酸和丁酸含量下降[25]。可见饲粮中添加抗生素对仔猪肠道微生物区系的影响很可能是不可逆的。过量添加抗生素极大危害仔猪肠道微生态平衡。

2.4.2 其他添加剂对猪肠道微生物区系的影响

饲粮中添加0.1%～0.2%植物源性益生素对猪生产性能的改善作用与抗生素相当，这与其影响猪盲肠菌群多样性和相似性，增加Lactobacillus数量，减少E.coli数量，提高SCFAs含量，减弱蛋白质腐败作用有关[26]。添加400 g/t凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）可降低仔猪盲肠E.coli数量；添加5 000 g/t酵母水解物则提高盲肠和结肠中Lactobacillus和Bacillus数量。二者均可增强仔猪肠道屏障功能并防止腹泻发生[27]。灌服屎肠球菌（Enterococcus faecium，3×109CFU）可有效降低攻毒后仔猪结肠中Escherichia-Shigella丰度，增加Lactobacillus丰度，从而缓解由致病性大肠杆菌攻毒导致的新生仔猪腹泻和肠道免疫功屏障功能受损[28]。

断奶仔猪饲粮中添加苯甲酸(1 000～5 000 mg/kg)和百里香酚（100～200 mg/kg）对仔猪肠道健康的改善作用与降低肠道食糜pH值、增加Bifidobacterium、Lactobacillus和Bacillus数量，抑制E.coli及Enterococ-cus增殖，以及提高盲肠SCFAs及丁酸浓度有关[29]，说明苯甲酸和百里香酚可作为仔猪抗生素的潜在替代品。

重组菌丝霉素（本研究室前期构建，60 mg/kg）可降低仔猪料重比和腹泻率，改善肠道形态。与益生菌（Bacillus subtilis，≥109CFU/g）和抗生素相比，菌丝霉素的添加可明显提高仔猪回肠Bifidobacterium数量，促进小肠黏膜紧密连接蛋白的表达及木糖的吸收，表现出较好的抗生素替代效果[30]。

在不同木聚糖水平（＜7.54%）的断奶仔猪饲粮中添加木聚糖酶（1 000 U/kg）可提高仔猪回肠SCFAs和乙酸含量，降低盲肠氨含量，增加Bifidobacterium数量，且作用效果与添加水平呈正相关[31]。小麦-豆粕型饲粮中添加不同水平重组木聚糖酶（本实验室构建，500～2 000 U/kg）可提高猪生长性能和养分消化率，且与木聚糖水平正相关。随木聚糖酶水平增加，猪粪便微生物DGGE条带组成与玉米-豆粕型饲粮组的相似度逐渐增加[32]，说明重组木聚糖酶可维持猪肠道微生态平衡。但另一研究发现添加木聚糖酶（30 g/t和60 g/t）对断奶仔猪盲肠中上述菌群数量和SCFAs浓度无影响[33]。因此，木聚糖酶对猪肠道菌群结构的影响存在争议，其作用的靶菌群有待探明。

3 猪肠道微生物与宿主对话的可能机制

3.1 SCFAs与猪肠道发育和屏障功能的关系

通过回肠末端灌注SCFAs（与两种含甜菜渣饲粮在猪盲肠中产生的SCFA比例一致，两种饲粮CF含量分别为5.74%和1.50%）发现，与抗生素相比，回肠末端灌注SCFAs可提高猪回肠和盲肠各SCFA含量及其受体（GPR43和GPR41）基因的表达量，降低肠道pH值，增加回肠、盲肠和结肠中Lactobacillus、Bifidobacterium、Bacillus的数量，并降低E.coli数量，抑制肠道上皮细胞凋亡，改善肠道黏膜屏障功能[34]。

3.2 SCFAs对宿主免疫应答的调节机制

对野生型和GPR43基因敲除小鼠的比较研究表明，SCFAs可明显提升野生型小鼠粪便和血清中抗原（卵清蛋白/霍乱毒素，OVA/CT）特异性IgA和IgG（γ）水平，在OVA/CT免疫条件下SCFAs可促进CD4+T细胞的增殖，且该增殖速率在GPR43-/-小鼠中低于野生型小鼠。同时SCFAs在T细胞和非T细胞依赖条件下均能诱导B细胞产生IgA，并可在非T细胞依赖条件下诱导B细胞产生IgG。说明SCFAs具有诱导抗原特异性免疫球蛋白和非特异性免疫球蛋白合成、促进T细胞增殖的功效，其机制与GPR43的介导有关[35]。

3.3 IL-33可能是肠道微生物介导宿主肠道免疫功能的重要调节因子

野生型小鼠与IL-33-/-小鼠肠道微生物结构存在显著差异，主要体现在Lachnospiraceae和Desulfovibrio的丰度差异。IL-33-/-小鼠具有更高的总菌丰度，对柠檬酸杆菌（Citrobacter rodentium）的清除能力降低。说明由肠上皮细胞分泌的IL-33可调节动物自身肠道菌群结构。进一步分析表明，IL-33可通过“mTOR-STAT3”以及“MEK-ERK-STAT3”信号途径调控肠上皮细胞分泌REG3γ，后者对部分革兰氏阳性和阴性病原菌具有抑制作用。由于TGF-β的存在，内源性IL-33在炎症和健康状态下均对肠道中Treg细胞具有抑制作用，IL-33-/-小鼠呈现出更强抗炎特质的原因可能是由于CD4+Foxp3+Treg比例的增加[36]。

4 小结与展望

我们的研究结果强调了肠道微生物-宿主-营养代谢和健康的潜在联系。被传统营养学忽视的肠道微生物对营养物质的利用及其对宿主表型的影响应该被重视。微生物不仅影响饲粮消化和营养物质吸收，还直接或间接调控宿主的多项生理功能，参与疾病的发生和发展。结合我们的研究结果，在营养水平一致的情况下，不同结构、来源和组成的营养物质对肠道微生物结构的影响可能存在极大的差异，而微生物水平的变化反映在动物机体上的生理效应被放大，最终影响动物的生长和健康。因此在优化不同阶段猪的饲粮配方时，不应只考虑满足其营养需要，日粮的营养结构（如碳水化合物平衡模式）也应被重点考虑。

未来相关研究应集中于评估肠道微生物的代谢在动物整体代谢中所占的比重。鉴于微生物与宿主免疫功能的密切联系，寻找特定菌群作为营养调控和免疫调节的新靶标也是有潜力的研究方向。将传统动物营养学相关技术与较为先进的组学技术相结合，通过无菌动物模型、菌群移植、肠道瘘管等方法的联用可实现上述研究目标。在探明微生物作用于宿主的精确位点的基础上，未来将可能通过对肠道菌群的靶向调控实现对营养物质的高效利用，以达到不同的生产目的。