鲑科鱼类肠道微生物研究进展

2019-03-01徐绍刚张黎杨华莲徐晓玲

中国水产 2019年1期

文/徐绍刚张黎杨华莲徐晓玲

作者单位：1.北京市水产科学研究所2.北京市水产技术推广站

北京市鲟鱼、鲑鳟鱼创新团队专栏

虽然与人类和哺乳动物肠道微生物的研究有一定的差距，但随着鲑鱼养殖产业的壮大和微生物学的发展，鲑鱼肠道微生物的研究具有较高的商业价值和重要的研究意义。肠道微生物参与鲑鱼的营养调控和免疫调节，并发挥了重要的作用，本文对鲑鱼肠道微生物的营养和免疫方面功能及影响肠道微生物变化的因素进行了论述，以期为鲑鱼肠道微生物相关研究提供参考。

鲑科鱼类（文中简称：鲑鱼）和其他水生动物与周围环境有着紧密的互动关系，有的微生物与鲑鱼形成共生关系，有的则使鲑鱼致病。与人类和哺乳动物一样，鲑鱼共生关系的肠道微生物在营养供应、代谢平衡和免疫防御中发挥着重要作用。

鱼类起源于6亿年前，种类近3万种，约占现有脊椎动物的一半，鱼类为全世界近30亿人提供了20%的蛋白质（每年约20kg/人，FAO，2016），鲑鱼是重要的经济性鱼类，2016年产量425.6万吨，鲑鱼捕捞量呈现逐年下降趋势，而鲑鱼养殖量逐年增长，2016养殖产量331.9万吨，占鲑鱼总产量的78%（FAO，2016）。鲑鱼在水产养殖业中具有重要地位，同时其养殖过程也会对水环境的造成影响，因此涉及肠道微生物领域的研究。

鲑鱼肠道微生物种类繁多，包括原生动物，真菌、病毒和细菌等，其中细菌是鲑鱼肠道的优势微生物群，它们的来源、组成和功能等方面的研究随科技进步不断完善。对鲑鱼肠道微生物的研究经历了依赖培养技术（culture-dependent techniques）和非培养技术（culture-independent techniques）。传统的依赖培养方法灵敏度差，在现有实验培养技术条件下获得的微生物种类有限，只能检出部分类群，某些鱼类肠道可培养微生物数量约占微生物总量的0.1%，因此较多采用非培养技术。其方法主要包括：实时定量PCR（quantitative realtime，PCR）方法、指纹印记法（温度梯度凝胶电泳TTGE和变性梯度凝胶电泳DGGE）和下一代测序技术（Nextgeneration sequencing），应用这些方法对肠道微生物类群进行定量和丰度分析。近年来，下一代测序技术在鲑鱼肠道微生物的研究中得到了应用和普及，较其他方法下一代测序技术具有许多优点，包括一次获得数据多、快速、成本低，数据彻底而准确，可以同时检测优势和低丰度微生物种类等。

大量的研究结果证明多种鱼类肠道中存在着丰富的微生物类群，随着DNA测序技术和生物信息学分析方法的不断发展，发现鲑鱼肠道微生物有助于消化，并能影响其营养吸收、生长速度、繁殖效果、种群稳定和抗病力等，鲑鱼肠道微生物与水产养殖实践具有高度的相关性，因此，本文对鲑鱼肠道微生物的功能和影响因素进行了探究。

一、鲑鱼肠道微生物的功能

鲑鱼肠道微生物逐渐成为宿主的一部分，由于其维持着正常的肠道功能，包括营养吸收和免疫等生理功能，因此肠道微生物又被称为“额外的器官”，执行许多宿主不能进行的生理和生化功能。

（一）营养功能

肠道微生物影响鲑鱼能量摄入，帮助鲑鱼获得营养物质，分解食物产生宿主不能合成的维生素和氨基酸，产生消化酶等，虹鳟肠道微生物具有合成不同的维生素和氨基酸的能力，并可分泌一系列酶，参与宿主对营养物质的消化过程。在对虹鳟末端肠道微生物类群的研究发现，其具有代谢相关的功能，主要是参与糖、蛋白质和氨基酸代谢，在虹鳟对日粮代谢中起着重要作用。营养物质是鲑鱼生长的物质基础，微生物在肠道内可合成维生素，产生消化酶，具有促进鲑鱼消化和生长的作用。

（二）生物屏障和免疫作用

鲑鱼肠道微生物的屏障作用，在于其能够产生抗菌物质，占据肠道粘膜上的位点，形成保护膜并分泌天然的免疫物质，对病原菌形成物理和化学屏障作用，抵御外来的病原菌入侵和定植，部分肠道微生物还可以刺激体液免疫应答反应，帮助宿主抵御病原菌的感染。大西洋鲑鱼肠道中的肉食杆菌属部分类群，可有效抑制嗜水气单胞菌和杀鲑气单胞菌，部分肉毒杆菌还可产生抗菌的抑制因子，抵抗病原菌的入侵。研究发现在饲料中添加益生菌，有益于大西洋鲑仔鱼和幼鱼肠道粘膜发育，并促进其先天免疫应答反应，同样在虹鳟的饲料添加益生菌可提高其抗鳗弧菌能力，肠道微生物也会影响免疫相关基因的表达，包括氧化物酶、C3补体和谷胱甘肽过氧化物等。

二、鲑鱼肠道微生物的影响因素

鲑鱼肠道中微生物多样性和组成，受到鱼体自身因素和外部环境因素的共同影响。鱼体自身因素包括基因型、发育阶段和肠道结构等，外部环境因素包括季节、盐度、饲料类型和养殖模式等。

（一）鱼体自身因素

许多研究表明，鲑鱼肠道微生物的组成与水环境中的微生物组成差异显著，说明鱼体自身因素影响着肠道对微生物的选择。基因型可以影响鲑鱼肠道微生物组成，研究发现在不同环境和饲料条件下培育的虹鳟，肠道菌群相似性较高，且菌群的种类和组成与水环境和饲料中的菌群差异显著，在相同环境和饲料条件下培育的不同家系的虹鳟，肠道都拥有各自的优势菌群；发育阶段会影响鱼类肠道菌群的组成，虹鳟受精卵孵化后，仔鱼吸收绒毛膜上的细菌，发育成肠道微生物，以气单胞菌科为主，当鱼仔鱼开始饮水来调节渗透压，获得后续的定植细菌，并逐渐转换为肠杆菌科；肠道结构影响肠道微生物组成，人工养殖的大西洋鲑，前肠、中肠和后肠优势种不同，前肠主要是变形菌门的珍珠菌属、假单胞菌属、不动杆菌和弧菌属，中肠由变形菌门发光菌属和假单胞菌属组成，而后肠中弧菌属和发光杆菌属数量更多。

（二）外部环境因素

鱼类生存在水环境中，从受精卵开始发育到进食，肠道微生物持续受到外部环境的影响，建立相应的微生物类群，微生物类群来源包括水环境和食物等，因此外部环境因素会对鲑鱼肠道微生物产生影响。

1.季节变化

有研究指出季节和温度的变化会影响鱼类肠道微生物组成，优势微生物类群的总丰度随着季节发生变化，并在夏季和秋季达到峰值，温度达到21℃会导致成年大西洋鲑肠道乳酸菌和不动杆菌属消失，同时伴随着弧菌属的增加，但也发现，在6月～8月水温5.5℃～18.8℃时，成年大西洋鲑的肠道微生物类群总体变化不显著。

2.盐度

鲑鱼是广盐性鱼类，一些种类具有降海和洄游特性，大西洋鲑幼鱼降海前，肠道微生物类群比海水生活时多，有研究认为丰富的肠道微生物类群可有效参与氧化磷酸化和柠檬酸循环，为幼鱼节约自由能，用于银化过程中适应渗透压转换，银化前后较稳定的微生物类群包括消化链球菌属和漫游球菌属，在降海过程中，肠道中变形菌门和放线菌门种类下降，同时硬壁菌门和杆菌种类增加。

3.饲料类型

饲料中脂肪和蛋白的含量会影响鲑鱼肠道微生物类群的变化，如人工养殖的大西洋鲑幼鱼，以低脂饲料培育肠道优势菌群是厚壁菌门，而高脂饲料使厚壁菌门菌群转化为变形菌门，北极红点鲑的饲料中添加大豆油和海生动物油替代鱼油可提高鱼体对病原菌的抵抗能力，某些植物蛋白会影响大西洋鲑肠道微生物组成，进而引起肠道疾病，大西洋鲑摄食豆粕或摄食大豆浓缩蛋白会引起肠道疾病，并伴有肠道微生物数量和多样性的增加。

4.养殖模式

鲑鱼的人工养殖模式下，较高的饲养密度会加速水环境恶化，导致疾病传播，因此使用抗生素清除细菌感染，但这会引起病原体的抗药性和鲑鱼肠道微生物多样性减少，研究发现野生大西洋鲑的肠道微生物多样性更高，目前抗生素在水产养殖中的使用越来越严格，亟需寻找控制疾病的替代方法，需要评估抗生素对鲑鱼人工养殖和野生鲑鱼的影响。

5.益生菌和益生元

随着法律法规的出台，水产养殖中限制了化学药品使用，而益生菌和益生元可能成为抗生素的替代品。益生菌是一类对鱼体有益的活性微生物，可改善肠道微生物组成并促进鱼体健康，实验室常用的益生菌包括芽孢杆菌属、乳球菌属、希瓦氏菌属和气单胞菌属等，益生菌可作用于肠道粘膜细胞，激活鱼体的先天免疫反应，饲料中添加益生菌可促进虹鳟的生长，提高抵抗病原菌能力，改善肠道微生物结构。虽然益生菌会促进鱼体健康，但也存在一些问题，在养殖过程中益生菌的使用较为困难，处理和储存过程中细菌的存活率低，饲料在水中浸溶损失，饲料处理和制备技术有限，都会影响益生菌的使用效率，因此，益生菌的使用方法还需进一步研究。与益生菌相反，益生元并不向肠道引入新的微生物类群，而是通过为微生物提供基质，促进微生物反应效率，可促进肠道吸收较难消化的食物成分，增强宿主免疫应答，提高吸收效率、增加生长和饲料转化率。但益生元的使用效果也存在较大差异，使用剂量要求较高，并受到使用时间、培养条件、种类和鱼龄的影响。