猪肠道菌群调控营养物质代谢的研究进展

武真邑，刘 辉，秦士贞，张董燕*

（1.北京市农林科学院畜牧兽医研究所，北京 100097；2.甘肃农业大学动物科学技术学院，甘肃兰州 730070）

猪肠道内栖息着大量的微生物，其组成会受到品种、生长阶段、肠道空间位置等影响，肠道微生物对猪群营养物质的消化吸收及肠道健康等发挥着重要作用。研究发现，哺乳仔猪肠道微生物基因组中乳糖分解代谢类相关基因相对较多，断奶仔猪肠道微生物会富集淀粉、-葡聚糖及木聚糖等植物性饲料相关代谢基因。猪群肠道菌群与饲料转化率同样密切相关，高饲料转化率组猪群盲肠微生物的碳水化合物代谢和脂质代谢途径更为丰富。在菌群组成方面，哺乳期仔猪粪便中厚壁菌门和拟杆菌门比例总和为86%，断奶仔猪其比例能达到94%。此外，肠道菌群能够给宿主提供酶和底物，如编码代谢酶将植物细胞壁分解成短链脂肪酸被肠道吸收等，可改善机体能量及营养供给。总之，日粮营养能够调控肠道菌群的组成，肠道菌群通过利用日粮营养来影响机体的代谢活动，以肠道菌群为研究靶点进行日粮组分及营养水平调控，近年来备受关注。为此，本文综述了日粮营养消化模式、猪肠道菌群演变规律、肠道菌群对营养物质的代谢调控作用，并进一步探讨了菌群群体分型在营养调控中的潜在发展，为猪群的健康养殖及促进其高效生产提供理论依据。

1 饲料营养在肠道内的消化模式

对于哺乳动物，饲料中的营养物质主要是通过胃和肠道进行机体营养物质的吸收利用，胃分泌胃蛋白酶和胃酸将食物所富含的营养物质降解为一种或几种可吸收利用的状态。肠道是营养物质消化吸收的主要场所，可以吸收脂肪酸、氨基酸、碳水化合物、钙铁以及糖类等物质。其中，小肠负责消化吸收脂肪酸、氨基酸和碳水化合物，并对机体的饲料转化率具有重要贡献。由于十二指肠、空肠和回肠中特有的消化酶不同，营养素在小肠不同位置的消化吸收及利用能力存在差异。铁以及脂肪酸等在小肠近端吸收；单糖主要是在十二指肠以及空肠上段被吸收，以十二指肠吸收速度较快，肠上皮对不同单糖的吸收速率差别很大，这是由于不同载体结构、亲和力和吸收方式等造成的；十二指肠还可以吸收少量氨基酸。空肠最长，是食物被消化吸收的主要部位，氨基酸的吸收主要在空肠中进行。小肠上皮对不同水平的葡萄糖和氨基酸转运具有拮抗关系，仔猪小肠前段葡萄糖释放速率增加时其转运载体的mRNA 相对表达量较高，但氨基酸转运载体的基因表达会相应降低。另外，葡萄糖释放模式能够显著影响仔猪对日粮中葡萄糖和氨基酸的吸收，保持持续稳定的葡萄糖释放模式能够提高氨基酸在小肠中的利用率。除此之外，少量葡萄糖和水溶性维生素也主要在空肠中被吸收，而回肠、结肠、盲肠、直肠主要吸收水分和维生素等物质。

2 猪肠道菌群的多样性

目前，来自人、鼠及羊等方面的研究指出，在胎盘、羊水及新生儿胎粪中亦存在微生物，并提示母体与胎儿可能存在肠道菌群的纵向传递，但有关猪胎儿阶段是否也存在菌群尚未见报道。仔猪出生后，母体环境来源的微生物会优先定植并成为新生仔猪肠道优势菌群，如出生1～3 日龄，厚壁菌门（Firmicutes）丰度相对较高，属水平上以链球菌属（）、埃希氏-志贺菌属（）等为优势菌群。随着日龄的增加猪群微生物多样性增加。随着日龄增长在菌群组成上也会发生显著变化。10、21、23 日龄猪群粪便中厚壁菌门、拟杆菌门（Bacteroidea）和变形菌门（Proteobacterium）为优势菌群，总比例可达94% 以上，在93 日龄和147 日龄时厚壁菌门和拟杆菌门成为主要的2 种优势菌群。断奶过程会造成仔猪肠道菌群发生急剧变化，微生物多样性降低，断奶当天拟杆菌门显著降低，断奶后1 周内菌群变化最大，在断奶后10日龄逐渐恢复平衡。另外，普氏菌属（）是仔猪断奶前后变化较为明显的菌属之一，仔猪断奶前（30日龄）粪便中普氏菌属相对丰度为6.66%，断奶当天显著下降然后逐渐增加。70 日龄仔猪粪便中该菌相对丰度可增加到22.70%，在仔猪10 周龄时其相对丰度最高约为30%，随后逐渐下降，22 周龄时仅为2.4%。断奶仔猪肠道中仅有8% 的细菌来自于哺乳期，而断奶阶段菌群对后期生长猪肠道微生物的贡献度可达81%。猪肠道微生物在结构、功能和代谢方面会呈现明显的区室化特征，从小肠到大肠的微生物多样性和物种丰度呈指数级增加，小肠负责营养物质的消化吸收，主要由变形菌门等需氧或兼性厌氧类型微生物组成，如乳杆菌属（）、肠杆菌属（）、梭菌属（）及链球菌属（）。大肠内主要为厌氧微生物，主要参与复杂营养物质的发酵代谢，如厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度较高，在属水平上主要富集有普氏菌属、韦荣球菌属（）、瘤胃菌科（Ruminococcus）及毛螺菌属（）。猪群肠道菌群处于不断演替的过程中，了解猪群不同阶段肠道菌群的变化规律，挖掘其核心菌群对于科学指导养殖生产具有重要意义。

3 猪肠道菌群与营养物质代谢

3.1 肠道菌群与碳水化合物代谢 碳水化合物是猪日粮中的主要成分，植物多糖和大多数复杂的碳水化合物不能够被机体直接利用，宿主体内的微生物能够将其发酵，产生短链脂肪酸（SCFAs）等代谢产物供机体利用。Mu 等指出，结肠微生物产生的乙酸激活G 蛋白偶联受体43（GPR43）诱发酪酪肽（PYY）的分泌，释放5-羟色胺（5-HT），增强胰高血糖素肽1（GLP-1）分泌，激活交感神经系统，从而影响摄食行为。Kimura等也指出，摄入过量的碳水化合物会引起食欲降低，这与肠道中SCFAs 产量有关。Rodrigues 等研究表明，SCFAs 可以降低肠道pH，促进镁和钙等矿物质的生物利用率并且抑制有害菌的生长。另外，SCFAs 可以为结肠上皮细胞提供60%～70%的能量，这主要为参与酮体生成、糖异生途径合成等提供能量物质，还可以间接影响到糖类及脂质的代谢以提高生产性能。Wang等对断奶仔猪肠道宏基因组重建的研究发现，厚壁菌门的一些菌群能够合成胞外-1,4-葡聚糖分支酶，拟杆菌门的一些菌群能合成-葡萄糖苷酶，这些酶使得菌群参与了机体淀粉发酵。另外，拟杆菌和乳酸菌通过产生胞外酶参与了果聚糖的降解，厚壁菌门的一些菌群通过合成-半乳糖苷酶还能够参与机体的乳糖发酵。肠道中的有益菌也能够调控碳水化合物代谢。如乳酸菌基因组具有碳源转运系统，肠道菌群可以利用碳水化合物转化为乙酸、丙酸和丁酸等SCFAs，参与肠上皮细胞的能量供应；乳双歧杆菌和嗜酸乳杆菌能够对乳糖、葡萄糖和低聚果糖等进行发酵，其中乳双歧杆菌发酵低聚果糖时生成乙酸的含量最多；日粮中碳水化合物也会影响肠道微生物组成，给猪群添加不溶性纤维可以增加瘤胃菌科、毛螺菌科等纤维降解细菌类群的相对丰度。

3.2 肠道菌群与蛋白质代谢 肠道细菌产生蛋白酶和肽酶，能够将蛋白质降解生成肽和氨基酸等物质供机体利用。十二指肠、空肠、回肠中微生物对氨基酸的代谢效率存在差异，如精氨酸、苏氨酸、赖氨酸及谷氨酸代谢率较高，而脯氨酸、色氨酸和蛋氨酸代谢利用率较低，约为35%。肠道微生物中的拟杆菌门、乳酸杆菌属及瘤胃菌科等对日粮氨基酸的代谢有重要作用。肠道菌群与日粮氨基酸存在双向调节作用，氨基酸能够影响菌群生长和繁殖，如乳酸杆菌通过利用外源氨基酸才能合成菌体蛋白质。日粮中的蛋白质组分对肠道菌群有直接影响，与微生物多样性呈正相关，这种相关性与蛋白质的数量和质量有关。不同蛋白质水平能够改变肠道菌群的组成，日粮中蛋白质组分较高时，可以起到促进可发酵蛋白质条件致病菌定植的作用，经后肠微生物发酵肠腔氮营养素会产生腐胺、甲胺、尸胺及色胺等胺类物质。合理降低日粮蛋白质水平能够降低养殖成本，并且通过降低微生物代谢来减少氨等产物对环境的污染。研究证明，降低饲粮中蛋白质含量可有效促进猪群回肠双歧杆菌属和乳酸杆菌属的定植。但日粮中蛋白质水平并不是越低越好，蛋白质水平下降会伴随着乳杆菌等有益菌的比例下降，对肠道正常菌群结构和回肠形态造成影响，当日粮蛋白质降低至12% 时，SCFAs 浓度明显降低，且对回肠微生物区系产生消极影响。高蛋白日粮能够增加猪盲肠和结肠中柔嫩梭菌（）和拟球梭菌（）丰度，低蛋白日粮可增加猪盲肠中普氏菌属（）比例，而粪杆菌属（）、梭菌属（）、密螺旋体属（）及普氏菌属（）被认为是日粮蛋白质的敏感微生物群体。

3.3 肠道菌群与脂类代谢 肠道微生物代谢能够产生胆汁酸，通过G 蛋白偶联受体或细胞核受体调控脂质的代谢过程，还可以通过影响宿主脂肪代谢相关基因表达，促进脂肪沉积。猪肠道内乳酸杆菌、蜡状芽孢杆菌、大肠杆菌以及梭状芽胞杆菌等能够对胆酸起到水解和脱羧基作用，影响宿主脂类的吸收。Huang等指出，肠道微生物群落对低出生重仔猪的脂质代谢至关重要，低出生重仔猪（70 日龄）血清中高密度脂蛋白胆固醇浓度显著升高，回肠中双歧杆菌属、罕见小球菌属、劳特氏菌属和粪球菌属与猪群脂质代谢的紊乱呈正相关。颤杆菌克属、克里斯滕森菌科和解纤维素菌属等在饲料转化效率高的猪群肠道中得到显著富集，这些菌群与宿主脂肪沉积以及机体健康等密切相关。SCFAs 是肠道菌群的主要代谢产物，为肠上皮细胞提供能量来源，是连接肠细胞代谢、菌群及基因表达调控的重要纽带，毛螺旋菌属能产生丁酸、巨型球菌能够产生乙酸、丙酸和丁酸，以及瘤胃菌科等菌群在SCFAs 代谢过程中都发挥了重要作用。肠道菌群中梭菌能通过丙烯酸途径发酵丙氨酸生成丁酸，以及通过苏氨酸脱氢酶发酵苏氨酸生成丙酸，从而供机体利用。SCFAs能够调节PPAR-信号通路的腺苷一磷酸活化蛋白激酶调节脂质代谢平衡，也可以通过抑制脂多糖（LPS）介导的TLP-4 信号通路减少炎症反应。还有研究发现，日粮中添加乳酸菌能够增加断奶仔猪肠道中多不饱和脂肪酸含量，与粪便中普氏菌属呈正相关，并且猪群肠道菌群以及机体脂质代谢都存在性别差异，小母猪粪便菌群多样性高，饲喂乳酸菌后对其血清卵磷脂、花生四烯酸及亚油酸等脂质代谢影响更为显著。

4 肠道菌群分型研究与营养物质代谢

基于16S rRNA 基因测序的广泛研究，研究者们已经对肠道微生物在门水平的组成达成共识，但不同个体间往往会存在微生物群落的差异，这些差异微生物的结构模式变化、组装机制以及引起的肠道功能等越来越引起人们关注。Arumugam 等在2011 年提出微生物“肠型”概念，每种肠型中的微生物存在一个驱动菌群，共生微生物都会围绕这个驱动菌群形成网络，根据菌群构成的相似情况，可以将菌群分为3 个集群，拟杆菌属（）肠型、普氏菌属（）肠型和瘤胃菌球菌属（）肠型。婴儿前6 个月内其肠道微生物结构要取决于哺乳的类型，当幼儿摄入更多碳水化合物后就会向普氏菌属肠型发展。近年来研究显示，用肠型划分肠道菌群构成，对发生变化的群体进行关联分析，可用作某种特定疾病的预测因子或危险因素，或者作为疾病进程中某些变化的生物标记，并且具有较大的应用潜力。

目前，根据细菌相对丰度及猪群日龄，猪肠道菌群的分型主要分为普氏菌属（）肠型和瘤胃球菌属（）肠型2 种，哺乳阶段为瘤胃球菌属肠型，断奶后为普氏菌属肠型。Mach 等研究指出，瘤胃球菌属肠型会更有利于提高哺乳阶段仔猪生长速度，而普氏菌属肠型仔猪在断奶阶段会具有更高的平均日增重，以肠腔分泌型免疫球蛋白（sIgA）为2种肠型潜在标志物，普氏菌属肠型仔猪肠黏膜分泌型免疫球蛋白（sIgA）浓度要高于瘤胃球菌属肠型。前期研究发现，在日粮中添加乳酸菌增加了断奶仔猪粪便普氏菌属比例，与仔猪血清中多不饱和脂肪酸C18:2n6c 显著正相关，推测乳酸菌通过促进普氏菌属肠型，更有利于猪群的多不饱和脂肪酸代谢。研究还发现，乳酸菌增加了去势公猪普氏菌属比例，提高了去势公猪血清中5-羟基色胺及生长激素含量，另外母猪甲烷短杆菌（）及梭菌属（）比例有所增加，巨型球菌属（）比例有所降低，母猪血清甘油磷脂等代谢通路得到显著富集。因此，可以以肠道菌群为研究靶点，对发生变化的菌群进行聚类分析，实现公母分群、精准营养以及乳酸菌的高效饲喂，在养猪生产中具有重要的应用潜力。

5 小 结

猪群肠道微生物保持着动态的平衡与稳定，其在参与调控机体碳水化合物、蛋白质、脂质等营养物质的吸收利用中发挥着重要的作用。研究者们围绕猪群肠道菌群的结构、日粮营养变化对菌群组成的影响，以及菌群与营养间的互作关系等开展了大量工作。然而，不同营养物质调控肠道菌群的信号通路等仍值得深入研究。另外，通过猪群表型性状、菌群集群间及营养物质代谢间的关联分析进行功能菌群挖掘、定向培养以及潜在益生菌的开发等方面也具有重要的研究意义。