山东省女子竞走运动员冬训前、后肠道菌群特征与运动表现分析

李婷婷,赵如珍,徐玉婷

(1.山东体育学院 研究生教育学院,山东 济南 250102;2．哈尔滨工业大学(威海) 体育教学部,山东 威海 264200)

竞走是我国田径项目中的一个传统优势项目,特别是女子20 km竞走。近年来中国女子竞走运动员曾相继获得奥运会冠军、世锦赛冠军和亚运会冠军[1-2]。因此,对女子竞走项目的科技助力要求也相应提高[3]。竞走是一项有很高专项技术要求的周期性体能类项目,在训练、比赛过程中运动员能量消耗很大。因此,一方面要注意强化运动员的专项力量素质练习,另一方面需要及时追踪监控运动员在训练、比赛过程中身体机能状态的变化规律及特点。

近年来,运动训练与肠道菌群的相互作用和影响得到了广泛的研究。研究者发现运动项目[4]、运动强度[5]以及运动时间[6]等要素对运动员肠道菌群的改变均具有深刻的影响。已有学者综合相关研究的结果与进展,尝试提出了“运动员微生物组”的概念。

由此可见,专业运动员所承受的长时间专项运动负荷很可能会使其肠道菌群产生一系列的适应性改变,而此类适应性改变的发生,同样可能影响到运动员的运动能力与运动表现。例如,从一名女子举重奥运冠军肠道菌群样本中分离得到的一株长双歧杆菌OLP-01,在移植给无菌小鼠后,其肌肉力量与抗疲劳能力有显著提升[7]。而从优秀马拉松运动员粪便中分离得到的非典型韦荣氏球菌(Veillonella atypica),在移植给无菌小鼠后,则可以将其运动期间产生的乳酸盐转化为丙酸盐,使其奔跑至力竭的时间明显延长[8]。以上研究提示,运动员运动能力的改善,与其肠道菌群发生的适应性改变很可能存在直接联系。

然而,运动员肠道菌群的改变往往伴随着代谢功能的变化,肠道菌群的代谢产物及其分泌物可能在提高运动员运动表现中发挥重要作用。耐力运动训练已被证明可以通过修改丁酸调节基因BCoAT和丙酸调节基因mmDA来增加肠道微生物组短链脂肪酸(short chain fatty acid,SCFAs)的生产能力,微生物衍生的SCFAs水平升高对宿主免疫和炎症有保护作用。由于运动员最容易因疾病或炎症相关状况而导致运动和训练能力下降,因此全身SCFAs的增加和运动表现之间可能存在直接联系[9]。

本研究拟通过观察、比较研究山东省竞走女子运动员冬训前、后专项比赛成绩、专项力量素质、身体机能指标的变化趋势,探究其运动表现改变与肠道菌群变化特征之间所存在的可能联系。既往研究主要集中在运动员与普通人群之间的对比分析中,对于冬训这类周期备赛训练的研究相对较少。因此,本研究假设运动员通过冬训期间的合理训练,运动表现显著提高,并与肠道菌群及其代谢物的改变存在联系。研究希望对进一步探索提升竞走运动员运动成绩的可能手段提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

1.1.1 实验对象

招募参加2020—2021年冬训的山东省女子竞走队运动员14名,实验前告知她们全部实验安排与采样要求,并征得教练组与全体运动员的同意。参加本次测试的运动员基本情况见表1。

表1 参加本次冬训的山东省女子竞走运动员基本情况

1.1.2 筛选标准

排除冬训期间因伤病无法系统训练及由于个人原因无法完成全程测试的受试者,运动等级均为国家二级运动员及以上,专业训练年限均在3年以上。受试者均无严重胃肠道疾病史,3个月内均未服用过抗生素及非甾体类抗炎药等药物,在受试冬训期间运动员的日常生活规律,饮食结构及种类均保持稳定。

1.2 研究方法

1.2.1 在中国田径官方网站(http://www.athletics.org.cn/)收集、整理冬训前2020年山东泰安全国竞走锦标赛以及冬训后2021年全国竞走锦标赛暨奥运会选拔赛山东队14名女子竞走运动员的专项运动比赛成绩。

1.2.2 分别测定受试者冬训前、后的专项力量素质指标,测试标准采用第十四届全国运动会竞走项目体能测试项目及要求。共测试平板支撑(s)、60 s俯卧撑(次)、 60 s负重蹲起(次)等3项。

1.2.3 在冬训前、后预定的时间节点,于空腹8小时后的次日清晨,按操作规范采集女子竞走运动员5 ml肘静脉血,将其分别置于抗凝采血管中。然后,采用CIS F-820血细胞计数仪测定其血红蛋白(Hb)含量。同时,将其余全血3 000 g离心5 min后,收集血浆,分别采用MD-100 型半自动生化分析仪测试血尿素(BUN)浓度,采用WIZARD1470y计数仪测定血浆睾酮(T)浓度。

1.2.4 在冬训前、后预定的时间节点,按操作规范采集女子竞走运动员的粪便样本,将采集到的样本迅速置于-80℃超低温冰箱内冻存,送检时添加足量干冰以保证低温。

1.2.5 血液及粪便样本的采集与部分指标测试

时间:2020年12月2日(冬训前)、2021年3月11日(冬训后),地点:山东省体育训练中心,操作者:赵如珍、李婷婷。

1.2.6 肠道菌群样本DNA的提取及16S rDNA测序

(1)肠道菌群样本DNA提取

使用粪便基因组DNA提取试剂盒(离心柱型 DP328)进行提取,使用紫外分光光度计测定所提取DNA的OD260/OD280比值,将质量检测合格的DNA置于-80℃冰箱冻存待测。

(2)16S rDNA的扩增

对肠道菌群16S rDNA的V4区进行PCR扩增,上游引物序列:5'-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3';下游引物序列:5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3';PCR扩增结束后,从每个样品中吸取100 ng(体积约5～10 μl)的PCR扩增产物,充分混匀后浓缩其体积至30 μl,2%浓度的琼脂糖凝胶电泳对PCR产物进行纯化。

(3)建库、上机测序及质控

利用美国Illumina公司的TruSeq PE Cluster Kit v3-cBot-HS试剂盒完成建库。使用荧光分光光度计对文库定量并通过Agilent高敏度核酸定量仪对PCR富集片段行质量监控并验证DNA文库;在Illumina MiSeq高通量测序平台上采用双末端测序法上机测序。

使用QIIME软件(V1.6.0,http://qiime.org/index.html)对下机数据进行预处理,包括:①数据拆分;②Tags拼接;③Tags截取;④Tags长度过滤;⑤Tags去嵌合体序列。最终得到高质量的有效数据。所测得的每个OTUs的最长16S rDNA序列片段根据已有Greenbank数据库进行相似性比对(网址:http://greengenes.lbl.gov/cgi-bin/nph-index.cgi)。

1.2.7 测序结果数据处理与统计分析

(1)Reads数筛选及质控

对测序产生的序列采用FLASH软件数据包行paired-end reads拼接,依据引物条形码序列barcode定位于相应样本,对于测序质量较低的数据予以去除。采用QIIME软件数据包行reads质控来挑选符合要求的高质量reads,并去除低质量reads。

(2)OTUs分析

采用QIIME质控器的操作命令将相似度大于97%的序列挑选出来并聚类为一个操作分类单位(operational taxonomic unit,OTU),同时生成OTUs矩阵。

(3)物种注释

采用Ribosomal Database Project(RDP)软件数据包对OTUs的最长16S rDNA序列片行相似同源性比对和种属分类学鉴定,数据库参照Greenbank(网址:http://greengenes.lbl.gov/cgi-bin/nph-index.cgi)。统计各个样品在细菌科(family)、属(genus)、种(species)分类水平上的组成。

1.3 数据处理与分析

使用SPSS软件26.0以及GraphPad Prism 9软件对数据进行统计分析、绘图。实验数据以均数±标准差(M土SD)表示,冬训前、后女子竞走运动员专项成绩的变化与专项力量素质指标的变化等实验数据满足正态分布,用配对样本t检验进行实验前后自身比较;冬训前、后女子竞走运动员菌属分类水平上肠道菌群组成丰度的变化与菌种分类水平上肠道菌群组成丰度的变化以及肠道菌群α多样性的变化等实验数据不满足正态分布,则使用配对样本Wilcoxon符号秩和检验进行统计分析,显著性水平设为P<0.05。

2 实验结果

2.1 冬训前、后女子竞走运动员专项成绩的变化

受试者在2021年全国竞走锦标赛暨奥运会选拔赛中的20 km耗时,比冬训前的2020年山东泰安全国竞走锦标赛成年专项比赛20 km耗时有明显降低,且存在显著性差异(t=3.156,P=0.012,P<0.05);结果提示参加本次测试的女子竞走运动员的专项运动能力在冬训过程中获得不同程度的提升(如图1)。

图1 冬训前、后成年专项20 km比赛耗时趋势图

2.2 冬训前、后女子竞走运动员专项力量素质指标的变化

如表2所示,冬训后受试者平板支撑(t=-3.144,P=0.008)、60 s俯卧撑(t=-8.542,P=0.000)和60 s负重蹲起(t=-10.481,P=0.000)的测试结果均显著高于冬训前(P<0.01)。说明通过冬训期间对上、下肢力量以及腰腹肌力量的专项练习及强化,运动员的专项力量素质获得显著提升。这也是其运动表现获得提升的重要因素之一。

表2 冬训前、后女子竞走运动员专项力量素质的变化

2.3 冬训前、后女子竞走运动员身体机能指标的变化

如表3所示,与冬训前相比,冬训后受试者Hb含量与冬训前相比有显著升高(t=-4.297,P=0.001,P<0.05),提示经过冬训,其机体运输氧气能力可能获得较为明显的提升。与冬训前相比,受试者冬训后的血浆BUN浓度有显著降低(t=3.491,P=0.004,P<0.05),提示其机体对冬训期间上量、上强度的训练负荷产生了较为良好的适应。与冬训前相比,受试者冬训后的血浆睾酮水平在冬训后有显著升高(t=-5.599,P=0.000,P<0.05),同样表明其机体可适应增大的运动负荷,其体能可能有明显增强。

表3 冬训前、后女子竞走运动员Hb、BUN和T浓度变化

2.4 冬训前、后女子竞走运动员肠道菌群的变化

2.4.1 冬训前、后女子竞走运动员肠道菌群组成结构的变化

本研究将分别从肠道菌群的属、种分类水平上探讨冬训前、后竞走运动员肠道菌群结构组成的差异性变化。

2.4.1.1 冬训前、后女子竞走运动员菌属分类水平上肠道菌群组成丰度的变化

与冬训前相比,冬训后女子竞走运动员肠道菌群样本中的粪杆菌属(Faecalibacterium)(z=-6.022,P=0.000)、巨单胞菌属(Megamonas)(z=-3.296,P=0.001)、韦荣氏球菌属(Veillonella)(z=-2.621,P=0.009)、拟杆菌属(Bacteroides)(z=-2.354,P=0.019)丰度均有显著增加(P<0.05);而柯林斯菌属(Collinsella)(z=3.045,P=0.002)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)(z=2.229,P=0.026)、Holdemanella(z=2.103,P=0.035)的丰度则均呈显著减少(P<0.05)(如图2)。

图2 冬训前、后菌属水平上相对丰度变化趋势图注:*表示冬训后与冬训前相比显著性增多,P<0.05;#表示显著性减少,P<0.05。下同。

2.4.1.2 冬训前、后女子竞走运动员菌种分类水平上肠道菌群组成丰度的变化

与冬训前相比,冬训后女子竞走运动员肠道菌群样本中的普氏栖粪杆菌(Faecalibacterium_prausnitzii)(z=-4.138,P=0.001)、Collinsella_aerofaciens(z=-3.045,P=0.002)丰度有显著增加(P<0.05);而大肠埃希氏杆菌(Escherichia_coil)(z=3.170,P=0.002)、嗜粪拟杆菌(Bacteroides_coprophilus)(z=3.170,P=0.002)、副流感嗜血杆菌(Haemophilus_parainfluenzae)(z=2.229,P=0.026)、瘤胃球菌属sp_N15.MGS-57种(Ruminococcus_sp_N15.MGS-57)(z=2.856,P=0.004)丰度则有显著减少(P<0.05)。如图3所示。

图3 冬训前、后菌种水平上相对丰度变化趋势图注:*表示冬训后与冬训前相比显著性增多,P<0.05;#表示显著性减少,P<0.05。下同。

2.4.2 冬训前、后女子竞走运动员肠道菌群α多样性的变化

如表4所示,与冬训前相比,表征肠道菌群丰富度的Chao指数(z=-3.233,P=0.001)和Ace指数(z=-3.296,P=0.001)在冬训后有显著上升(P<0.01);表征肠道菌群多样性的Shannon指数(z=-0.847,P=0.397)与表征物种分布的多样性和均匀度的Simpson指数(z=-0.408,P=0.683)在冬训前、后有上升,但未见有显著差异(P>0.05)。

表4 冬训前、后竞走运动员肠道菌群α多样性分析结果

3 分析讨论

3.1 山东省女子竞走运动员冬训前、后专项力量素质、身体机能、专项成绩的结果变化分析

经过冬训期间备战与积累,参训的女子竞走运动员的身体机能与专项素质均获得有效的提高。

竞走作为以体能为主导的运动项目,对运动员的肌肉力量以及运动员自身耐力都有着很大的挑战,力量素质是发展其他身体素质的基础。竞走的专项力量素质练习主要包括上、下肢力量以及腰腹肌力量(俯卧两头起、杠杆推举、持铁球摆臂、仰卧起坐、球上臀桥、杠杆左右转体等)训练。专项力量的发展对竞走运动员的竞走速度和专项水平的提高起到明显的促进作用。实验结果表明,冬训后的平板支撑时间、60 s俯卧撑和60 s负重蹲起个数均显著高于冬训前。这提示通过冬训期间通过对上、下肢力量以及腰腹肌力量的专项练习与强化,运动员的专项力量素质得到大幅度提升。对王娜备战第十四届全运会的赛前训练分析结果提示,爆发力与力量耐力的提升为其在20 km竞走比赛中专项能力的发挥提供了有效保证[10]。任子毅则观察到有针对性地安排专项力量训练,有助于增强竞走运动员的协调性和稳定性,对于避免动作犯规具有积极意义,在一定程度上增大了竞走运动员的步长,有效实现在训练、比赛过程中的机能节省化[11]。上述研究结果与本研究所观察记录的结果趋势一致,均可证实竞走运动员专项力量素质的提升是优化专项技术、减少能量消耗、预防运动损伤的关键所在。

运动员身体机能的监测评估是运动训练科学化的重要内容和实现途径[12]。竞走属于典型的耐力型项目,耐力项目中血液中Hb的含量与携氧能力有关,Hb的含量直接影响着运动员的机能状态。Hb的含量既是有氧耐力的基础,也是促进运动能力提高的关键因素[13]。本实验观察到:尽管在整个冬训期间训练负荷的强度和量均有明显提升,但随着运动员对训练负荷的适应,运动员的Hb值有较为明显升高,表明运动员机体携氧能力以及对训练的适应能力均获得了明显提升。睾酮是人体内最强力的促合成代谢激素,对运动后消除疲劳有利,并且可以帮助机体恢复和提高运动能力,在运动训练实践中可以根据睾酮浓度来判断运动员机体的状态[14]。一般情况下认为,在正常生理范围内,睾酮水平升高,是机体产生良性适应的表现[15]。本研究观察到冬训后运动员血浆睾酮浓度上升,同时其体能增强。另一方面,表征机体疲劳程度的BUN血尿素氮水平[15],在冬训后则呈显著下降趋势,提示参与本次冬训的女子竞走运动员可以较好的适应冬训期间的负荷强度。本研究所观察到的实验结果与霍磊等人的测试结果与变化趋势基本一致[16]。提示通过整个冬训期间科学合理的训练安排,运动员的身体机能得到提升,从而使其保持了良好的竞技状态。

边通达等的研究观察到冬训能够提高运动员有氧能力、力量素质以及专项耐力,培养运动员的最佳竞技状态[17]。董思羽等则证实竞走运动员运动成绩的提升与冬训期间体能的增强与技术动作的完善有关[18]。综合本研究的测试结果,参与本次冬训的女子竞走运动员,在冬训后参加20 km比赛的成绩得到有效提升,一方面与其与冬训期间身体机能改善有关,另一方面与其专项力量素质增强,技术动作得以优化有关。

3.2 山东省女子竞走运动员冬训前、后肠道菌群变化特征结果分析

3.2.1 女子竞走运动员冬训前、后肠道菌群结构组成丰度变化分析

大量的研究已证实,运动训练可以改变肠道菌群的组成,增加有益菌的数量,丰富菌群多样性[19-20]。本研究结果同样表明,冬训后女子竞走运动员的肠道菌群在菌属以及菌种分类水平上均发生显著改变。

本研究观察到与冬训前相比,冬训后女子竞走运动员肠道菌群样本中粪杆菌属(Faecalibacterium)、巨单胞菌属(Megamonas)、普氏栖粪杆菌(Faecalibacterium_prausnitzii)、Collinsella_aerofaciens等丁酸盐产生菌丰度均有上调。Okamoto等人研究表明,SCFAs是耐力运动中骨骼肌的重要能量来源[21]。丁酸盐已被证明在整体肠道稳态和健康中具有十分关键的作用,丁酸盐可以通过抑制促炎因子,在不同的免疫细胞中起着调节炎症状态的作用[22]。除此之外,丁酸盐对上皮屏障具有保护作用,影响粘液的产生及其质量,起到促进肠黏膜屏障功能的作用[23]。普氏栖粪杆菌(Faecalibacterium_prausnitzii),可以利用乳酸盐和乙酸盐来合成丁酸盐,从而可以防止乳酸盐的积累,稳定肠道环境[24]。潘凤伟等人研究表明,运动员参加运动训练后肠道中的丁酸盐产生菌丰度增加,与本研究结果相似[5]。在动物研究中,也有多项研究表明了运动与丁酸盐产生菌的增加有关[25-26]。

Estaki等人发现,在年轻成人中,产丁酸盐细菌类群的微生物多样性和丰度与心肺健康呈正相关[27]。竞走是一项体能主导类的长时间持续性耐力运动项目,心肺功能的好坏直接关系到专项耐力素质[28]。峰值摄氧量(VO2peak)是心肺健康(CRF)的黄金标准。有研究表明,独立于饮食的VO2max与健康参与者粪便丁酸盐产量的呈正相关,关键丁酸盐产生菌的丰度被发现与VO2max呈显著正相关[27,29]。本实验结果中所观察到的丁酸盐产生菌丰度的增加,同样提示竞走这一耐力性运动项目运动员心肺功能的改善,也可能与丁酸盐产生菌丰度增加之间存在密切联系。有氧耐力项目运动员肠道内有较高丰度产丁酸盐的菌,一方面可能使运动员有氧代谢能力获得有效提升,另一方面可能会促进其肠道屏障完整性的保持,以减少因高强度训练所致胃肠道黏膜缺血所可能引发的炎症发生与发展[30]。

3.2.2 女子竞走运动员冬训前、后肠道菌群α多样性变化结果分析

本实验结果显示,冬训后表征物种丰富度的Ace指数、Chao指数显著增加,但表征群落多样性和物种分布均匀度的Shannon指数以及表征物种个体属于不同种概率的Simpson指数在冬训前、后未见有显著差异。Carter等人研究表明,肠道菌群对运动训练的反应性质以及与心肺健康存在密切联系,肠道菌群多样性与心肺健康呈正相关[31]。而运动员的肠道菌群具有更高的多样性,菌群的多样性和组成与各种健康参数相关,包括炎症细胞因子的水平[32]。因此,肠道菌群多样性可以被视为一种新的生物标志物或健康指标[33]。肠道菌群丰富度较低的个体具有更显著的总体肥胖、胰岛素抵抗和血脂异常以及更显著的炎症表型[34]。上述研究表明,肠道菌群丰富度及多样性的提高,可以通过减少炎症、提高心肺功能和能量水平、改变身体成分以及增强营养吸收,从而间接提升运动员的运动表现。

本研究观察到参与此次冬训的女子竞走运动员肠道菌群组成发生了较为显著的改变,其中丁酸盐产生菌的丰度显著增加与其心肺功能提升、能量代谢改善均存在较为密切的联系,很可能进一步影响到了运动员的竞技能力和运动表现。提示经过冬训期间运动员对于运动负荷所达成的良性适应,使运动员的肠道菌群微生态体系趋向于构建新的动态平衡,从而对运动员的身体机能与专项运动能力产生了积极影响。

4 结 论

经过冬训期间科学的训练,女子竞走运动员肠道菌群中产生丁酸盐的结构成分丰度有显著增加,肠道菌群微生态体系的丰富度有显著提升;同时,其专项力量素质提高、身体机能指标获得不同程度改善及比赛成绩的提升。肠道菌群的此类改变既可为机体代谢补充能量,又可有效抑制因运动负荷增加而可能诱发的肠道炎症反应,在冬训后竞走女子运动员运动表现的提高中发挥了有效的促进作用。上述结果提示,冬训后竞走运动员肠道菌群结构特征,可能是其潜在的较高水平竞技表现的一种重要的结构要素,可以为肠道菌群作为潜在干预靶点对提高竞走运动员运动表现提供参考价值。