宫内发育迟缓对仔猪肠道微生物的影响及营养调控

孔祥峰 余祖功 刘 洋*

(1.中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，动物营养生理与代谢过程湖南省重点实验室，长沙 410125；2.南京农业大学动物医学院，南京 210095)

在我国规模化养猪生产中，宫内发育迟缓(intrauterine growth retardation，IUGR)的发生率高达15%～20%。通常将新生仔猪出生体重低于平均体重的2个标准差或10%作为IUGR的判定标准[1]。新生IUGR仔猪的体重低、免疫力差、死亡率高，存活下来的IUGR猪则生长发育缓慢、饲料转化率低、肉品质和繁殖性能差，大大增加了生猪养殖的成本。现有研究表明，仔猪IUGR的发生与母猪子宫容量、胎盘大小及功能、母体给胎儿的营养成分和氧气供给、孕体对营养成分的利用效率等因素有关[2]。其中，子宫容量不足和母猪营养不良/过剩是导致IUGR的主要因素。

肠道是抵抗病原入侵的重要屏障，对维持动物机体健康具有重要意义。肠道菌群的早期定植与动物肠道先天性免疫和屏障功能的成熟以及生长发育密切相关[3]，现有研究表明，IUGR新生仔猪的肠道发育和屏障功能受损严重，并且导致IUGR仔猪肠道疾病的发生，降低其生长性能[4]；IUGR仔猪肠道微生物的早期定植、结构组成、代谢特征与正常体重仔猪明显不同[1]。研究显示，饲粮添加植物乳杆菌(Lactobacillusplantarum)可恢复营养不良模型无菌鼠的生长性能[5]。由此可见，通过调节肠道菌群来改善IUGR动物的生长发育具有重要现实意义。因此，本文从肠道微生态角度综述了IUGR仔猪肠道微生物的定植规律和代谢特征以及益生菌、益生元、氨基酸、植物提取物等功能物质对IUGR仔猪肠道微生态的调控作用及可能机制，为改善IUGR仔猪的肠道健康和生长发育提供参考。

1 IUGR对仔猪肠道形态结构和免疫功能的影响

肠道是营养物质消化与吸收的重要场所，也是机体内最大的免疫器官和内分泌器官，肠道健康对动物的生长发育至关重要。新生IUGR仔猪的小肠发育不全、肠道形态结构与功能受损，表现为小肠的重量、长度和肠绒毛表面积降低，肠绒毛呈锯齿状；肠道消化酶活性显著降低，对营养物质的消化和吸收减少，生长性能远低于正常体重仔猪[6]。

此外，IUGR仔猪肠系膜淋巴组织的功能受损，机体免疫力降低[7]。IUGR仔猪肠道中决定T细胞分型的叉状头转录因子3(Foxp3)和GATA结合蛋白3(GATA3)表达量升高，改变了仔猪T细胞的分型和数量以及仔猪血液中T辅助细胞(CD4+)/T抑制细胞(CD8+)的比值，影响机体的免疫力，易发生坏死性肠炎等肠道疾病[8]。有研究表明，IUGR仔猪肠系膜淋巴结中CD8+T细胞比例降低，空肠和回肠中CD4+和CD8+T细胞以及主要组织相容性复合物-Ⅱ类基因表达下调，说明IUGR仔猪肠道黏膜免疫功能受损与T淋巴细胞亚群的失衡有关[9]。总之，IUGR可导致仔猪肠道免疫功能受损，这可能是IUGR仔猪高死亡率的重要原因。

2 IUGR对仔猪肠道微生物定植规律和代谢特征的影响

猪的肠道微生物群落数量庞大，可产生具有多种生理调节作用的分子，包括短链脂肪酸(SCFA)、胆汁酸和生物胺等[10]。有研究表明，IUGR仔猪与正常体重仔猪的肠道菌群结构组成和代谢特征存在显著差异，并且IUGR仔猪的生长发育与肠道菌群组成和多样性的变化密切相关[11]。

2.1 IUGR仔猪小肠微生物的定植规律和代谢特征

出生12 h的IUGR仔猪肠道中定植的微生物依次为厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinomycetes)。与正常体重仔猪相比，7和21日龄的IUGR仔猪空肠微生物α多样性和拟杆菌门丰度均明显降低，21日龄时空肠颤杆菌克属(Oscillibacter)丰度显著降低，而28日龄时空肠大肠杆菌(Escherichiacoli)和志贺氏杆菌的丰度升高[12]。此外，IUGR还降低了仔猪空肠变形菌门(Proteobacteria)的丰度，增加了厚壁菌门和乳杆菌属(Lactobacillus)的丰度[1]；增加了7日龄仔猪回肠微生物的α多样性以及布劳特氏菌属(Blautia)、瘤胃球菌科UCG-008(Ruminococcaceae UCG-008)、拟杆菌属(Bacteroides)和双歧杆菌属(Bifidobacterium)等菌属的丰度[13]，降低了21日龄仔猪回肠厚壁菌门和双歧杆菌属的丰度，增加了大肠杆菌、变形菌门和巴氏杆菌属(Pasteurella)的丰度。总之，与正常体重仔猪相比，IUGR仔猪的小肠菌群组成无明显差异，但一些肠道菌群的丰度发生了显著改变，未来通过筛选这些差异菌并进行无菌动物验证，有助于改善IUGR仔猪的肠道健康。

厚壁菌门的主要代谢产物是丁酸，拟杆菌门的主要代谢产物是乙酸和丙酸[14]，瘤胃球菌属的主要代谢产物是甲酸和乙酸等。另外，厚壁菌门的丰度与饮食中的能量摄入有关[15]。微生物功能预测结果显示，IUGR上调了仔猪回肠微生物中与蛋白质折叠及相关加工、组氨酸代谢、无机离子转运、碳水化合物消化吸收等相关基因的丰度。相关性分析发现，IUGR仔猪回肠中双歧杆菌属、粪球菌属(Coprococcus)和布劳特氏菌属等菌属的丰度与促炎细胞因子含量呈正相关，布劳特氏菌属、瘤胃球菌科UCG-008和粪球菌属3等菌属的丰度与乙酸含量呈负相关，而布劳特氏菌属、粪球菌属3等菌属的丰度与丁酸含量呈正相关[14]。肠道菌群可发酵肠道内容物中的物质生成各种代谢产物，IUGR可能通过调节肠道菌群来改变仔猪肠道代谢物的产生，提示饲粮中添加筛选到的有益代谢物可能是改善IUGR仔猪肠道健康的途径之一。

综上所述，IUGR改变了小肠微生物的多样性和丰度及其代谢活性，进而影响仔猪的肠道健康，提示恢复小肠微生态的平衡可缓解IUGR给仔猪造成的副作用。

2.2 IUGR仔猪大肠微生物的定植规律和代谢特征

猪大肠中的微生物数量庞大，占肠道微生物总量的70%以上。有研究表明，IUGR仔猪盲肠和结肠厚壁菌门占比明显高于、拟杆菌门占比明显低于正常体重仔猪，并且肠道微生物的多样性降低；此外，IUGR仔猪结肠内容物中链球菌属(Streptococcus)、瘤胃球菌科UCG-008和布劳特氏菌属的丰度显著增加，狭义梭菌属1(Clostridiumsensustricro1)、土孢杆菌属(Terrisporobacter)和副拟杆菌属(Parabacteroides)的丰度显著降低；另外，通过正常体重仔猪和IUGR仔猪盲肠微生物体外交叉发酵回肠食糜发现，IUGR仔猪回肠食糜的产气量更高[16]。总之，IUGR可改变仔猪大肠微生物的组成、丰度和发酵能力，提示干预IUGR仔猪大肠微生物平衡可能是改善IUGR仔猪大肠健康的有效途径。

SCFA是微生物发酵肠道内的膳食纤维、抗性淀粉和支链氨基酸等产生的[17]，与肠上皮细胞的能量供给密切相关。有研究表明，IUGR降低了7日龄仔猪结肠中丙酸、异丁酸和支链脂肪酸的含量，21日龄仔猪结肠中乙酸、异戊酸和直链脂肪酸含量以及28日龄仔猪结肠中乙酸、丙酸、丁酸和直链脂肪酸的含量[17]。SCFA是维护肠道健康的重要代谢产物，可提高肝脏抗氧化酶活性和线粒体功能，增强IUGR仔猪的机体抗氧化能力，缓解IUGR仔猪的肝脏损伤[13]。总之，IUGR改变肠道内SCFA的含量与大肠微生物群组成和丰度的改变密切相关，可能是导致IUGR猪肠道细胞受损和代谢功能异常的原因之一。

次级胆汁酸是肠道微生物的另一类重要代谢产物。拟杆菌、梭菌、乳酸菌、双歧杆菌和李斯特菌等可产生胆汁酸水解酶解除甘氨酸或牛磺酸与胆汁酸的偶联[18]；猪去氧胆酸可调节断奶仔猪肠道上皮细胞的增殖和分化，激活空肠上皮细胞Wnt信号通路；鹅脱氧胆酸可促进小肠黏膜保护和屏障功能相关的基因表达[19]。因此，胆汁酸是潜在的可用于调节猪肠道微生态的重要物质，但对IUGR仔猪肠道健康和生长性能的改善作用还有待进一步研究。总之，IUGR改变了肠道微生物的结构组成和多样性，引起肠道内胆汁酸代谢的变化，这可能是导致IUGR仔猪肠道功能降低、易发生肠道疾病的重要原因。

3 饲粮干预对IUGR仔猪肠道微生态的调控作用及可能机制

仔猪阶段是改善IUGR猪肠道健康和生长性能的主要窗口期，益生菌、益生元、氨基酸、植物提取物等功能物质对IUGR仔猪的调控作用明显。

3.1 益生菌与益生元

益生菌和益生元在调节肠道微生态方面发挥着重要作用。例如，乳杆菌、双歧杆菌、芽孢杆菌和屎肠球菌等通常被认为对动物的机体健康有益[20]。现有研究表明，在母猪饲粮中添加益生菌可促进子代肠道有益菌的定植，减少坏死性肠炎的发生率和死亡率[21]；添加解淀粉芽孢杆菌和罗伊氏乳杆菌复合制剂可提高仔猪肠道瘤胃球菌的丰度，降低大肠杆菌和衣原体的丰度，增加仔猪粪便中甲酸、乙酸和乳酸的含量，进而改善仔猪的肠道健康[22]；添加解淀粉芽孢杆菌可通过改善肠道黏膜结构和紧密连接蛋白表达激活Toll样受体信号通路，提高肠上皮细胞屏障和免疫功能[23]。

益生元是一类可选择性地促进肠道有益菌生长或代谢的物质[24]。现有研究表明，在妊娠和哺乳期母猪饲粮中添加直链玉米淀粉可通过改变肠道菌群组成增加乳汁营养成分含量，从而改善仔猪生长性能[25]；饲粮中添加10%苜蓿草粉75 d可提高哺乳期母猪的采食量和肠道SCFA含量，降低IUGR仔猪的发生率[26]；瓜尔胶联合预糊化糯玉米淀粉饲粮可调节母猪肠道微生物组成，提高仔猪出生重，降低IUGR的发生率[27]。相关性分析发现，母猪繁殖性能的改善与肠道微生物群组成的改变和胆酸代谢稳态的改善有关[15]。

因此，母体补充益生菌或益生元是改善IUGR仔猪肠道菌群和机体健康的一种有效手段，其主要通过改善母猪肠道健康和生产性能并且影响子代肠道菌群的定植，减少IUGR仔猪的数量，改善其健康状况。

3.2 氨基酸

氨基酸是肠道黏膜的主要能量底物，是肠道屏障关键蛋白的限制性成分，可调节免疫应答和氧化应激[28]。猪乳中游离谷氨酰胺的含量在所有游离氨基酸中增幅最大，可促进新生儿小肠的生长发育[29]。现有研究表明，给21日龄IUGR仔猪补充谷氨酰胺(每千克体重添加1 g)14 d可提高其生长性能，改善肠道黏膜形态与功能，降低促炎细胞因子含量，提高抗炎细胞因子含量，诱导肠道热休克蛋白70(HSP70)表达，进而保护肠上皮细胞免受损伤[30]；饲粮中添加5.2 g/kg的蛋氨酸28 d可提高IUGR仔猪空肠绒毛高度、肠绒毛面积和还原型谷胱甘肽含量，降低IUGR仔猪空肠丙二醛和蛋白质羰基含量以及肠上皮细胞的凋亡[31]，进而改善IUGR猪的肠道健康[32]；饲粮中添加1.2 g/kg的乙酰半胱氨酸14 d可减轻氧化应激引起的IUGR仔猪空肠黏膜线粒体肿胀，缓解IUGR仔猪肠道损伤，其机制可能是抑制了空肠黏膜线粒体产生超氧阴离子，恢复了氧化-还原状态和线粒体功能[33]。由于IUGR仔猪内源性精氨酸合成较低，因此在泌乳母猪饲粮中添加精氨酸可促进低出生体重仔猪的生长发育，这与精氨酸通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路激活胎盘蛋白质合成并促进小肠发育有关[34]。总之，补充功能性氨基酸可改善仔猪的抗氧化能力和免疫功能，增强仔猪肠道屏障功能，进而提高IUGR仔猪肠道健康。然而，目前关于饲粮添加氨基酸对IUGR仔猪肠道菌群影响的相关研究较少，尚有待进一步加强。

3.3 植物提取物

植物提取物包括多酚、挥发油、多糖、有机酸和皂苷等物质，具有安全、高效、绿色等优点，可作为饲料添加剂应用于动物生产中[35]。姜黄素是传统药物姜黄中的一种成分，具有抗菌、消炎和抗衰老等功效。饲粮中添加200 mg/kg姜黄素可显著改善IUGR猪空肠总超氧化物歧化酶活性，降低空肠丙二醛含量，通过核因子E2相关因子2(Nrf2)/Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Keap1)途径减轻IUGR猪的空肠损伤[36]。饲粮中添加80 mg/kg双氢青蒿素28 d可改善IUGR仔猪的肠道形态，增加绒毛高度和绒毛宽度[37]；提高小肠抗氧化酶活性，降低丙二醛含量，通过Nrf2/抗氧化反应元件(ARE)信号通路减轻IUGR诱导的肠道氧化损伤，改善肠道微生态平衡[38]。此外，饲粮中添加300 mg/kg白藜芦醇14 d可通过促进Nrf2转录提高空肠超氧化物歧化酶的活性和表达，增加IUGR仔猪盲肠拟杆菌门、普雷沃氏菌属、粪杆菌属和副拟杆菌属的丰度，抑制变形菌门、大肠杆菌和放线菌属的生长[39]。总之，植物提取物主要通过增强肠道抗氧化能力和免疫能力、改善肠道微生态平衡来促进IUGR仔猪的肠道健康。

4 小结与展望

肠道微生物在调节肠道代谢和机体健康、促进宿主生长发育等方面具有重要作用。而IUGR引起的仔猪肠道形态结构和功能损伤，是造成IUGR仔猪肠道微生物定植规律和代谢特征发生改变的主要原因，并进一步扰乱了仔猪肠道微生态的平衡，最终导致IUGR仔猪肠道功能紊乱和生长性能下降。

目前关于IUGR的防治方案较多，包括“寄养”和饲喂高蛋白质饲粮，以及在饲粮中添加益生菌、益生元、氨基酸和植物提取物等功能性添加剂。虽然取得了一定的效果，但由于IUGR的潜在致病机制复杂，各种方案的防治效果不一。近年来随着高通量检测技术的运用，逐渐揭示了IUGR仔猪肠道微生物与宿主的部分互作关系，同时筛选了一些与IUGR相关的微生物及其代谢产物，未来可通过无菌动物的粪菌移植技术来验证其因果关系。此外，针对IUGR猪的肠道微生物定植规律、结构组成和代谢特征，今后可通过调节IUGR猪的肠道微生态来改善其肠道功能，进而促进其生长发育。另外，鉴于母源微生物可垂直传递给子代，也可以根据“母子一体化”理论通过调节母猪的肠道微生物来改善子代的肠道微生态，进而发挥IUGR仔猪的生长发育潜能。