菊粉通过肠道菌群调控动物脂代谢及其在动物生产中的应用

黄 苇，黎力之，廖晓鹏，关玮琨，黄 晓，张海波*，郭冬生*

（1.宜春学院生命科学与资源环境学院，江西省高等学校硒农业工程技术研究中心，宜春市功能农业与生态环境重点实验室，江西宜春 336000；2.宜春学院继续教育学院，江西宜春 336000；3.青岛市畜牧兽医研究所，山东青岛 266000）

菊粉作为一种天然果聚糖类碳水化合物，存在于自然界内百合科、苋菜科、菊科及禾本科等大多数双子叶和单子叶植物块茎、块根中，主要由果糖基通过β-（2-1）糖苷键连接组合成线性果糖聚合物，不能被消化酶直接水解[1-2]。菊粉具有改善肠道环境[3]、增强免疫力[4]和调节脂肪代谢[5]等功能。菊粉在回肠和盲肠经微生物发酵产生短链脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFA）、胆汁酸（Bile Acid，BA）和脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）等代谢产物，而这些代谢产物作为信号分子分别作用于G 蛋白偶联受体（G Protein Coupled Receptors，GPCRs）、法尼醇受体（Farnesoid X Receptor，FXR）等信号通路调控动物脂肪代谢[6-8]。鉴于菊粉对肠道菌群及代谢产物生成有重要调节作用，其在调控动物脂代谢方面已成为极具应用潜力的绿色添加剂。现阶段菊粉通过肠道菌群及其代谢产物调控脂肪代谢相关信号通路的系统综述还较少。本文重点综述了菊粉通过肠道微生物调控动物脂代谢的作用机制及其在动物生产中的应用，为深入研究菊粉参与脂肪代谢通路的机制和畜牧生产提供参考。

1 菊粉通过肠道菌群对动物脂肪代谢的影响

菊粉参与宿主脂肪代谢的调控包括直接调控和间接影响。直接调控为菊粉通过影响肠道中微生物菌群参与宿主脂肪沉积，间接影响为菊粉通过影响肠道微生物菌群代谢物（如SCFAs、BA 和LPS 等）影响动物脂肪沉积。

1.1 菊粉通过肠道菌群对脂肪代谢的影响 菊粉因β-（2-1）糖苷键结构的特殊性，不易被动物消化酶直接分解，可被肠内微生物发酵利用[2]。动物摄入菊粉后，肠道内有益菌丰度增加，如双歧杆菌和嗜黏蛋白阿克曼氏菌[9]。Wu 等[3]利用菊粉饲喂仔猪后，发现盲肠厚壁菌门和拟杆菌门比例降低。其中嗜黏蛋白阿克曼氏菌数量增加可预防脂肪性肝炎、降低血清甘油三酯，减少脂肪沉积[10]。盲肠罗斯氏菌、双歧杆菌、乳酸菌等肠道益生菌能缓解胰岛素抵抗和降低血脂，改善机体脂肪代谢[11]。表明菊粉作为添加剂可有效改善肠道微生物结构，增加益生菌丰度，调节动物脂代谢。

1.2 菊粉通过菌群代谢产物对动物脂肪代谢的影响 菊粉摄入后被乳酸杆菌属、双歧杆菌属及粪杆菌属等吸收利用，SCFAs 分泌增加[12]。Igarashi 等[13]研究发现，高脂日粮添加菊粉饲喂小鼠12 周后，小鼠粪便中乙酸、丙酸和丁酸水平提高。SCFAs 作为信号分子，可激活GPCRs 通路中GPR43 和GPR41 特定细胞表面受体从而达到调节脂肪代谢的作用[6]。其中乙酸通过调节GPR43 控制脂肪代谢，抑制肾上腺素分泌，诱导脂肪分解[14]。当机体内乙酸达到一定浓度时，瘦素基因表达量上升[15]。瘦素主要存在于白色脂肪中，与能量代谢密切相关，瘦素分泌不足时机体会出现多种不良症状，如皮下脂肪堆积、免疫缺陷、食欲过盛等[16]。Song 等[17]研究发现，菊粉通过肠道菌群介导的瘦素腺苷酸活化蛋白激酶（Adenylate Activated Protein Kinase，AMPK）信号通路对肥胖小鼠的代谢紊乱有治疗作用。此外，Hiroko 等[18]研究发现，GPR43 能影响胰岛素信号转导，增加胰岛素分泌，促进糖脂代谢，降低血糖水平。丁酸激活GPR41 受体，诱导分泌肠道运动抑制激素-酪酪肽（Peptide YY，PYY）[19]。PYY 诱导丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen Activated Protein Kinase，MAPK）磷酸化激活MAPK 信号通路，促进肠道上皮细胞生长，调控机体能量代谢[20]。丙酸除经GPCRs 通路调节糖脂代谢外，还诱导脑-肠轴信号传递，激活交感神经系统，调控去甲肾上腺素、胰高血糖素和脂肪酸结合蛋白的分泌，参与三羧酸循环调节肝脏糖异生，进而影响糖脂代谢[21]。综上所述，菊粉介导下SCFAs 可调控脂肪代谢（图1），但SCFAs 如何从外周神经系统传递信号对脂肪代谢产生影响还有待研究。

图1 菊粉介导SCFAs 对脂肪代谢的信号网络

Wang 等[22]利用菊粉饲喂育肥猪发现，胆汁酸水平上升，肝脏甘油三酯含量降低，减少脂肪沉积。BA作为信号分子激活肠道、肝脏以及脂肪组织内受体，调节胆固醇、甘油三酯等脂肪代谢[7]。BA 通过FXR/G 蛋白偶联的胆汁酸受体（Takeda G-protein-coupled Receptor 5，TGR5）等通路对糖脂代谢进行调控。一方面激活FXR，诱导肝脏清道夫受体B 类1 型表达并降低循环总胆固醇和高密度脂蛋白胆固醇的浓度，增加逆向胆固醇转运，还能支配肝脏糖异生，使低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白摄取增加[23]。Xia 等[24]研究发现，日粮添加菊粉增加肉鸡低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白水平，进而减缓脂肪沉积。Huang 等[25]添加菊粉饲喂高脂饮食仓鼠8 周后，血清甘油三酯和总胆固醇水平降低，有效改善脂肪代谢。另一方面BA 通过上调载脂肪蛋白CII、载脂蛋白e和磷脂转运蛋白表达，提高血清胆固醇和甘油三酯含量[23]。菊粉降低肝脏和血清总胆固醇合成关键调节因子SET结合因子2和脂代谢酶基因表达，加快代谢物中BA 和中性甾醇的清除[26]。此外，BA 刺激骨骼肌和棕色脂肪组织中TGR5 信号通路，将II 型碘腺苷脱碘酶局部激活，活化甲状腺素调节细胞内能量代谢，而在肝巨噬细胞中，激活TGR5 会抑制LPS 所诱导的细胞因子产生[27]。菊粉促进肠道菌群代谢BA，进而激活FXR、TGR5 等信号通路，参与肝脏糖异生等能量代谢，但其是否影响肠道菌群其他分泌物，再控制机体本身胆汁合成分泌的机制还有待深入研究。

在JAK-STAT 途径中，LPS 激活非受体型酪氨酸蛋白激酶2 型（Janus Kinase 2，JAK 2）受体，使信号传导与活化转录因子3（Signal Transducer and Activator of Transcription 3，STAT 3）发生磷酸化，诱导前脂肪细胞中胞浆型磷脂酶A2（Cytosolic Phospholipase A2，cPLA 2）基因表达，进而促进前脂肪细胞增殖和脂肪合成[8]。研究发现，菊粉饲喂Ⅱ型糖尿病动物模型，试验鼠血浆中LPS 含量显著减少，炎性细胞因子IL-1和肿瘤坏死因子-α（Tumor Necrosis Factorα，TNF-α）表达降低，可有效抑制肠道炎症发生[28]。另外，在AMPK 通路中，LPS 激活AMPK，增加cPLA 2基因表达，使相对独立的前脂肪细胞和脂肪细胞产生通路及活性增加，导致脂肪细胞堆积[29]。王娟等[30]研究发现，菊粉通过上调AMPK表达量，降低大鼠体内血脂、血糖和胰岛素含量，证明菊粉可通过调控AMPK表达控制机体脂肪代谢。Grisouard 等[31]研究发现，LPS启动核因子κB 抑制剂激活酶β蛋白（IκB kinase beta protein，IKKβ）/核转录因子（Nuclear Factor-kappa B，NF-κB）通路后，激活IκBα 激酶并使其磷酸化，上调炎细胞因子IL-6和IL-8的mRNA 表达，引发炎症反应。菊粉还可以提高血清中胰高血糖素样肽-1 水平，减少IL-6 分泌，抑制肝脏糖异生，降低胰岛素耐受性，促进机体对葡萄糖摄取和利用[32]。综上所述，菊粉通过LPS 分别介导JAK-STAT、AMPK 和IKKβ/NF-κB 等信号通路对脂肪代谢进行调控，但是菊粉抑制内毒素分泌的机制相关文献较少，菊粉介导的机体内LPS 水平仍需要进一步的研究论证。

2 菊粉在动物生产中的应用

菊粉被肠道菌群分解产生SCFAs、BA、乳酸等分泌物，可增强机体免疫力，调控脂代谢，提高动物生产性能。在家畜方面，Wang 等[33]研究发现，育肥猪日粮中添加0.5%菊粉能降低猪血清中胆固醇和血糖含量，促进脂代谢，增大腰部眼肌面积，提高育肥期猪平均日增重和屠宰率。Robak 等[34]实验发现在日粮中添加2%菊粉能引起育肥猪体内肾皮质、髓质中20 和26 个蛋白点的表达变化，而添加4%菊粉导致肾皮质和髓质中44 和24 个蛋白点表达的变化，2 种菊粉添加量都能有效调控与能量代谢相关蛋白质表达，如菊粉通过调控葡萄糖磷酸化酶和糖酵解酶活性影响肾脏糖异生进而降低血糖浓度，对育肥猪肾脏健康有积极作用。对于断奶仔猪，日粮添加菊粉可增加肠道内乳酸菌数量，提高密封蛋白、紧密连接蛋白和黏蛋白等肠内屏障功能相关基因表达量，加强肠道屏障作用[12]。Barszcz 等[9]在日粮中添加菊粉饲喂仔猪50 d 后，试验组猪体内盲肠上皮内淋巴细胞数量增加，机体免疫功能增强。在反刍动物方面，采用添加菊粉的日粮饲喂肉牛42 d，瘤胃SCFAs浓度增加，可促进营养物质吸收改善能量代谢，肉牛采食量、饲料利用率和日增重等生长性能指标均有显著提高[35]。犊牛饲喂添加菊粉日粮56 d 后，试验组犊牛平均日增重高于对照组约0.7 kg，证明菊粉对牛生长性能有正向作用[36]。在家禽方面，菊粉多用于提高肉鸡、蛋鸡的生产性能，增加产蛋率及延长鸡蛋保质期。研究发现，相较于对照组，日粮中添加4%菊粉可改善肉鸡肠道菌群结构，增加乳酸菌和拟杆菌丰度，血清中甘油三酯含量降低31.3%，免疫球蛋白M 水平显著增加，肉鸡脂代谢和免疫系统功能得到改善，显著提高日增重[24]。Shang 等[37]研究发现，添加15 g/kg 菊粉后蛋鸡平均蛋重和产蛋率分别较对照组提高2.54%、3.09%。在蛋鸡日粮中添加15～20 g/kg 菊粉后，蛋黄对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼和2,2-联氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二铵盐自由基的清除活性提高，且蛋黄总酚含量和铁还原力增加，延长鸡蛋保质期[38]。Stefaniak 等[39]在孵化期间给鸡蛋注射菊粉和乳酸菌的混合物，发现可提高孵化后雏鸡血清中IgG，加强雏鸡抗原免疫防御。目前，菊粉在畜禽动物上的研究主要集中于增强机体免疫机能、调控脂代谢、改善动物生产性能等方面，但菊粉能否提高畜禽肉、乳产品质量等还有待深入研究。

3 结 语

菊粉通过改善肠道菌群环境及其代谢物调控机体脂肪代谢能力。在菌群方面，菊粉通过增大厚壁菌门、拟杆菌门比例，加快机体消化作用。在菌群代谢物方面，菊粉通过影响代谢物含量参与脂肪代谢相关通路：①提高SCFAs 水平，激活GPCRs 途径调控瘦素、胰岛素和肾上腺素等激素分泌以及肝脏糖异生，减少脂肪沉积；②促进次级BA 的合成，介导FXR/TGR5 通路降低机体总胆固醇和甘油三酯含量；③减少LSP 分泌，进而抑制JAK-STAT、AMPK 和IκBκ/NF-B 通路表达，降低炎性因子与脂肪细胞合成。目前，菊粉在维护肠道健康、减少脂肪沉积方面的研究逐渐增多，其在调控畜禽生长性能方面的潜力越来越明显，但菊粉是否能够改善棕色脂肪代谢、不同聚合度菊粉对脂肪代谢的调控机制研究尚浅。