环境温度对动物肠道微生物菌群影响的研究进展

郭新羽，沙玉柱，蒲小宁，吕卫兵，刘 秀，胡 江，罗玉柱，王继卿，李少斌，赵志东

(甘肃农业大学动物科学技术学院/甘肃省草食动物生物技术重点实验室，兰州 730070)

随着微生物组学和生物信息学等新兴学科的快速发展，人们对动物肠道菌群结构、功能及其与宿主的相互作用有了全新的认知。肠道微生物菌群由细菌、真菌、病毒和原生生物等组成，是以厌氧菌为主的复杂微生物群落。以人类肠道微生物组为例，经过数百万年的协同进化与宿主共生，人体肠道内的菌群含量数以亿计，密度高达10个·g，大约包含超过300万个基因。肠道微生物受母体因素和自身因素共同影响，母体健康状况、分娩方式、饮食、应激源、抗生素等都会影响肠道微生物群的状态。肠道微生物通过其代谢产物影响宿主的能量代谢、行为、免疫、中枢神经系统的稳态和衰老机制。

环境温度(ambient temperature)是一个重要的非生物环境变量，是构成动物群落的组分，能够影响动物对环境的适应情况。温度对微生物多样性有重要的影响，研究发现，环境温度的变化会影响宿主肠道微生物的丰度及代谢产物的浓度。微生物通过调节营养物质吸收代谢产生多种代谢产物，如胆汁酸(bile acid，BA)、短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)、氨、酚、内毒素等，作为微生物与宿主沟通的重要媒介，通过多种方式与宿主产生相互作用，包括调节糖脂代谢途径、影响免疫细胞分化进而维持宿主的生理平衡。温度通过诱导肠道微生物菌群发生变化且对宿主适应性产生影响，包括对肠道定植的抗性、宿主能量和营养同化以及宿主免疫的影响。肠道微生物菌群在冷暴露条件下产生显著变化，这些冷微生物菌群(冷暴露条件下宿主肠道微生物菌群)的发酵活性和能量利用与宿主代谢有着明显的关联。综上，在极端温度条件下生活的动物，其肠道微生物可能存在明显的特异性，这些受温度诱导的微生物菌群在维持宿主健康和生长发育过程中扮演着不可或缺的角色。因此，深入研究并揭示肠道菌群对宿主的调控机制，对维持动物肠道健康和疾病防控具有重要意义。

1 肠道微生物对宿主产热机制的影响

棕色脂肪组织(brown adipose tissue，BAT)和白色脂肪组织(white adipose tissue，WAT)不仅能促进机体产热，还能在寒冷暴露期间维持宿主核心体温。WAT以甘油三酯(triglyceride, TG)的形式储存能量，BAT分解脂类以产生热量，两类脂肪组织对调节宿主体温都有重要的影响。Chevalier等发现，将冷微生物菌群移植到无菌小鼠体内能增加宿主的胰岛素敏感性，也能通过促进WAT褐变和增加肠道吸收表面积来提高对冷刺激的耐受性，从而增加能量消耗和脂肪损失，进一步提高宿主的抗寒冷能力。肠道微生物菌群也能够参与体脂肪的形成，厚壁菌门与拟杆菌门的比例(Bacteroidetes/Firmicutes)被证明可以影响人类及小鼠的能量贮存和体脂含量，而Bacteroidetes/Firmicutes在不同环境温度下存在着差异。Turnbaugh等在小鼠肠道菌群中的研究发现，拟杆菌门(Firmicutes)数量的减少与血液和组织中脂肪的增加有关。在不同温度条件下，肠道微生物为适应不同的环境条件会启动一系列的产热机制，供自身能量及宿主能量的利用(图1)。然而，长时间处于寒冷环境的动物，在营养养分摄取及能量吸收利用过程中，温度与肠道的吸收能力并不呈稳定的正相关，小鼠体内阿克曼菌属(-)的重新定植，可以通过逆转细胞凋亡水平的持续下降，降低关键组织重塑、抗凋亡和葡萄糖摄取基因的表达，进而防止肠道吸收的无限增加，以便在寒冷时最大限度地吸收热量，最终使得温度与冷诱导的肠道吸收能力并不呈正相关。微生物也可以通过其他信号通路对宿主体温进行调节，微生物-肠-脑轴(microbial-gut-brain axis)是微生物与大脑交流互作的一种双向通信系统，在冷驯化过程中，微生物-肠道-大脑通过cAMP信号通路相互作用，介导宿主能量摄入和产热。冷暴露的微生物菌群增加了SCFAs及其游离脂肪酸受体2(FFAR2)的浓度，激活了cAMP-PKA-pCREB信号通路，增加了小肠和BAT中的去甲肾上腺素(noradrenaline，NE)浓度，进一步增加了血清胃饥饿素(ghrelin)水平，导致宿主的能量摄入和产热。而有关猪热应激的研究发现，热暴露能够增加猪的核心体温，包括直肠温度。Gabler等研究发现，热应激条件下胃肠道是最受影响的主要器官之一，环境温度过高使血液重新循环到四肢以支持热损失，从而使猪的肠道功能和完整性降低，进一步增加热暴露后2～6 h内急性内毒素血症的风险。因此，相关研究表明环境温度过高对动物的健康、生产和福利会产生不利影响。

图1 肠道微生物对宿主体温的调节机制Fig.1 The regulatory mechanism of intestinal microflora on the host temperature

2 环境温度对肠道微生物丰度及代谢产物的影响

2.1 对肠道微生物组成及丰度的影响

肠道微生物菌群具有较强的弹性，在应对环境变化时发挥调节功能，温度对肠道微生物的组成及代谢产物有着重要的影响。在不同温度条件下，肠道微生物及其代谢产物的变化对宿主产热机制、消化系统、免疫系统及适应性有着重要的调节作用(图2)。研究发现，低温冷应激条件会改变肠道微生物菌群的丰度。肠道微生物菌群在寒冷环境及温暖环境有着不同的变化趋势(表1)。在已鉴定的肠道菌群中，Bacteroidetes和Firmicutes是动物消化道微生物中的优势菌群，而Bacteroidetes和Firmicutes的数量占肠道菌群总量90%以上，其中专性厌氧菌数量约是需氧菌数量的1 000倍。Liu等在藏绵羊瘤胃菌群的研究中发现，寒冷季节Bacteroidetes丰度显著增加，而Firmicutes显著降低。Wang等发现，高原鼠兔在面临食物短缺和温度降低时，会降低肠道微生物多样性和对食物的发酵能力来应对冬季，这可能与Bacteroidetes在冬季的相对丰度较高有关。除这些优势菌群外，在反刍动物体内某些菌属如瘤胃菌科_NK4A214_group菌属(_4214_)、uncultured_bacterium_f_Muribaculaceae菌属、丁酸弧菌_2(_2)和琥珀酸菌属()等在冷季(低温)和暖季(高温)条件下也存在显著差异。Ramos-Romero等在大鼠体内发现低温增加了梭状芽孢杆菌亚群()和肠杆菌()的丰度，减少了乳酸杆菌()的丰度。

图2 不同温度条件下肠道微生物对宿主的调节机制Fig.2 The regulatory mechanism of intestinal microflora on the host under different temperatures

表1 不同环境温度条件下肠道微生物菌群丰度的变化Table 1 Under different ambient temperatures, the changes in the abundance of intestinal microflora

在肠道微生物菌群热应激的相关研究中，Xiong等研究发现，热应激分别降低了猪拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度并增加了变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度。Kohl和Yahn对处于热应激下的蝌蚪肠道菌群研究发现，温暖环境显著增加了肠道微生物菌群浮霉菌门(Planctomycetes)和分枝杆菌属()的相对丰度。Horváthová等在等足类动物体内发现，肠道共生菌放线菌属()的相对丰度随温度升高而降低。由此可以看出，受环境温度的影响，肠道微生物菌群会发生显著的变化，进一步对宿主的生理及代谢活动起到一定的调节作用。

2.2 对肠道微生物代谢产物的影响

肠道微生物能产生多种代谢产物，环境温度的诱导会改变肠道微生物代谢产物的浓度，对维持和调节宿主活动有重要的作用。微生物代谢产物大致可分为两类：1)经肠道微生物直接对饲料成分进行消化或发酵产生的代谢物；2)由肠道微生物群进行生化修饰的宿主代谢产物。第一类标志代谢产物，如SCFAs由小肠厌氧微生物通过发酵结构性碳水化合物生成，具有促进肠道黏液分泌、为结肠肌细胞提供能量等作用。低温有利于微生物代谢产物SCFAs的产生，在冷应激状态下藏绵羊和小鼠肠道内发现丙酸、丁酸及异戊酸有不同程度增加的现象。SCFAs在宿主体内有着重要的作用，SCFAs可以扩散到细胞质中，作为脂肪酸氧化(fatty acid oxidation，FAO)的底物，产生乙酰辅酶A(acetyl-CoA)并促进三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA)和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, OXPHOS)。丁酸在转化为丁酰辅酶A后，被动扩散到线粒体中，经过β氧化后，参与TCA和OXPHOS产生能量。第二类标志代谢产物，如次级胆汁酸(secondary bile acid)。能够产生次级胆汁酸的细菌有拟杆菌属()、乳酸菌属()、双歧杆菌属()、梭菌属()(XIVa和XI簇)和真杆菌属()。而在冷应激条件下，次级胆汁酸浓度受这些冷微生物菌群的影响显著升高。次级胆汁酸在宿主体内有着重要影响，作为G蛋白偶联胆汁酸受体1(GPBAR1)和核受体亚家族1、H组成员4(NR1H4；也称为FXR)的激动剂，可以调节树突状细胞(dendritic cell，DC)的功能，影响宿主免疫调节。

3 不同温度条件下肠道微生物对宿主的影响

3.1 肠道微生物对宿主消化系统的影响

瘤胃上皮作为宿主与微生物相互作用的一个独特场所，影响着整个机体对营养物质的净利用，而宿主与微生物群之间存在着显著的相关性。如图3所示，宿主的消化系统与肠道微生物的定植有关，肠道菌群可以通过多种途径促进宿主消化吸收以提高宿主消化率。在反刍动物的研究中发现黄牛瘤胃中Bacteroidetes的主要功能是降解碳水化合物和蛋白质，Firmicutes携带许多与能量代谢相关的酶编码基因，可以产生多种消化酶来分解各种物质，从而帮助宿主消化和吸收营养物质。北海道知床半岛的野鹿可以从高纤维性食物中提取营养，并能够在漫长的冬季生存下来与瘤胃微生物的定植有关，纤维素酶能分解高纤维性食物，但这种酶在反刍动物体内必须由定植细菌产生。同样地，小型食草动物主要依靠盲肠菌群消化纤维素和解毒植物毒素。在有关宿主消化系统的研究中，通过测定荷斯坦奶牛的干物质消化率发现，随着环境温度的升高，干物质消化率有增加的趋势，高环境温度会提高干物质消化率，可能是热应激抑制了瘤胃的流动性，延长了饲料在瘤胃中的停留时间，从而加速微生物对营养物质的消化吸收。

图3 不同温度条件下肠道微生物对宿主消化系统的调节机制Fig.3 The regulatory mechanism of intestinal microflora on the host digestive system under different temperatures

对单胃动物而言，宿主肠道内定植的微生物菌群在适应寒冷环境时会产生一系列的变化。研究发现处于冷应激条件下的田鼠，其肠道微生物及代谢物影响了寒冷诱导的能量摄入和体温调节，协调宿主的代谢和热稳态，这是由于冷应激条件下定植在田鼠肠道内的软壁菌门(Tenericutes)、RF39菌门、乳酸菌门(Lactobacillaceae)、消化球菌门(Peptococcaceae)、梭菌门(Clostridiaceae)的含量较低，而毛螺菌门(Lachnospiraceae)含量高于温暖条件下的田鼠。冷应激条件下，仔猪通过增加瘤胃球菌科(Ruminococcaceae), 普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)和Muribaculaceae的丰度破坏仔猪肠道菌群平衡，影响宿主代谢生理。肠道微生物通过多种途径提高宿主营养物质消化吸收和能量代谢，冷暴露期间宿主对于能量需求增加，这也使得冷微生物菌群通过诱导肠道绒毛和微绒毛长度增加、显著提高肠道吸收表面积等变化来提高宿主消化率。

3.2 肠道微生物对宿主免疫系统的影响

肠道微生物菌群通过作用于肠道屏障对宿主起到保护作用，不同温度条件下，肠道微生物对宿主免疫系统的调节机制如图4所示。环境温度通过诱导肠道微生物菌群对宿主免疫系统产生一定的影响，研究发现，低温可以降低大鼠体内乳酸杆菌()和双歧杆菌属()的丰度。双歧杆菌属()、粪杆菌属()和乳酸杆菌属()等细菌也广泛存在于新生反刍动物的空肠和回肠中，对提高机体营养物质的消化与吸收、增强机体免疫及相关疾病预防等方面发挥作用。肠道微生物菌群能够增强宿主肠道黏膜免疫系统维持机体健康，研究发现，嗜酸乳杆菌()通过黏附在肠上皮细胞上，在肠细胞表面形成一层生物屏障，可以减少大肠杆菌()对肠上皮细胞的黏附作用，增强屏障功能。益生菌(如乳酸菌或芽孢杆菌)作为一种非特异性免疫调节因子，通常作用于幼龄反刍动物小肠段，降低病原体对肠黏膜的黏附性，被认为是稳定肠道菌群平衡及抑制病原菌定植的有效手段。温度对动物免疫系统有重要的调控作用，寒冷环境条件下，肠道微生物影响宿主体液免疫，对光周期和温度处理的仓鼠研究发现，寒冷胁迫降低总脂肪量和白细胞数量，从而抑制仓鼠体液免疫。肠道菌群的定植还能诱导树突状细胞和组织细胞产生IL-1和IL-6，促进初始B细胞(naïve B细胞)分化为肠系膜中的淋巴结。肠道菌群还可直接通过微生物代谢产物影响宿主免疫，低温能够影响拟杆菌科(Bacteroidaceae)、普雷沃氏菌科(Para-prevotellaceae)等菌群的丰度，进而影响SCFAs 和BA的浓度，而SCFAs(丁酸和丙酸)和一些次级胆汁酸(微生物转化胆酸盐产生的脱氧胆酸盐)可以上调5-羟色胺产生的关键限速酶-色氨酸羟化酶(TPH1)的表达，对免疫细胞有重要影响。乙酸、丙酸和丁酸能够通过抑制叉头翼状螺旋转录因子P3 (FOXP3)启动子中的组蛋白去乙酰化酶(HDAC)的活性来调节性免疫T细胞的扩增和抑制巨噬细胞复制影响免疫。

图4 不同温度条件下肠道微生物对宿主免疫系统的调节机制Fig.4 The regulatory mechanism of intestinal microflora on the host immune system under different temperatures

4 肠道微生物群对宿主其它功能的影响

除了对宿主消化代谢和免疫的影响，肠道微生物群的变化还会对宿主冷耐受性、寿命和繁殖特性及适应性进化产生一系列的影响。有研究发现，宿主对冷耐受性的选择可能导致肠道菌群的变化，一项关于罗非鱼的研究发现，抗寒鱼类的微生物群落对温度变化具有较高的适应能力，表明抗寒鱼类的微生物群落是由宿主的选择决定的。因此，根据罗非鱼的耐寒性可以人工辅助选择宿主。温度驱动的肠道菌群变化也与宿主寿命有关，对普通蜥蜴的一项研究发现，温度每升高2 ℃会导致蜥蜴个体肠道微生物群内α-多样性的下降，而α-多样性与宿主死亡率呈负相关。产生这一结果的原因可能是温度升高引起蜥蜴的共生菌和有益菌多样性降低，进而导致死亡率增加。肠道微生物也可以影响宿主健康的关键方面，对无菌果蝇进行的菌种接种试验表明，宿主肠道细菌菌株间的不同组合决定了宿主的关键生活史性状，包括繁殖力、发育时间和死亡时间，繁殖能力越高的果蝇提早死亡的概率也越高。而以乳酸菌()为主导的阴道微生物群对宿主的生殖生理有着重要的影响。这些结果表明，热应激对肠道微生物群的破坏最终可能影响宿主的生长和繁殖特性。同样地，肠道微生物群也驱动了家鼠的适应性进化，研究发现肠道细菌谱系在小家鼠物种中保留并随着时间进化而呈现多样化。将不同种家鼠的肠道微生物移植到无菌家鼠体内，发现外源肠道微生物减缓了宿主的生长速度并上调了巨噬细胞炎症蛋白的表达。此外，外源肠道微生物增加了宿主肝的大小。这些结果表明，家鼠已经适应了其物种特异性的肠道菌群。由此可见，在动物的进化过程中，肠道微生物菌群对宿主的适应性也起着积极的作用。

5 小 结

肠道微生物菌群在动物生长发育过程中扮演着重要的角色，健康稳定的肠道菌群可以促进营养物质的消化吸收，维持并改善肠道黏膜屏障的功能，进而提高宿主免疫应答水平。不同环境温度下肠道微生物菌群丰度和代谢产物存在着显著差异，这种差异能够进一步调节宿主的生理活动，包括对宿主体温的调节、消化系统和免疫系统及能量代谢的影响等。冷应激条件下，肠道微生物的变化是宿主应对极端环境的前提，冷微生物菌群通过在极端环境的生存优势增强宿主在冷环境中的适应性。因此，通过探究温度对肠道微生物的影响，掌握肠道微生物对宿主的适应机制既有利于宿主产生有益的微生物菌群，又有利于宿主的健康。