肠型的研究进展及在反刍动物上的研究前景

郭 成， 李胜利，2 ， 徐晓锋 ， 戴东文

（1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；2.中国农业大学动物科学与技术学院，动物营养学国家重点实验室，北京市生鲜乳质量安全工程技术研究中心，北京 100193）

定植于肠道中的微生物数量庞大且结构复杂， 群落结构在随同宿主协同进化的过程中表现出与宿主互利共生的关系（Buchon，2020）。 肠道微生物组在宿主体内起到至关重要的作用，它们可以分解机体摄入的多糖， 合成必需氨基酸和维生素 （Ba..ckhed，2005）。 肠道微生物区系的失调会导致肠道免疫功能失调， 微生物组在肠道发酵产生的短链脂肪酸能调节机体免疫细胞的功能， 会对肠道免疫功能产生显著影响（Takeuchi，2021；Manichanh，2012）。 随着人类对肠道菌群认识的加深以及高通量测序技术的进步，Arumugam 等 （2011） 提出微生物肠型（Enterotype）的概念，即在群落组成的多维空间中样品的密集集群这一群体分型概念。 基于高通量测序技术，将33 个来自于不同群体的人类肠道样本进行聚类分析， 发现该样本对三个不同的菌群聚类，分别对应拟杆菌（Bacteroides），普雷沃氏菌（Prevotella），瘤胃球菌（Ruminococcus），随后将这三种菌群称为三种不同的微生物肠型（Arumugam，2011）。 现如今，确定肠型主要基于两种途径， 分别是基于已有参考数据库分析或者从头判定。 一个是基于高通量测序结果在属水平上， 首先是将菌群测序数据在HMP1 和MetaHIT6 数据库中与已知肠型进行比对，另一个是使用肠型在线分类器（http://enterotypes.org/）完成肠型判别（Costea，2018；Arumugam，2011）。肠型的定义现已明确， 然而目前肠型在单胃动物上的研究较多，少有人在反刍动物上研究。 本文综述了肠型的意义及研究进展， 为肠型在反刍动物上的应用开发提供理论依据。

1 肠型的意义

不同的肠型对应着不同的菌群结构， 而每种菌群结构的功能及代谢产物也不同。 以常见的拟杆菌型和普雷沃氏菌型为例， 普雷沃氏菌型可以发酵碳水化合物获得能量， 能有效的降解植物纤维， 而降解蛋白和脂肪的能力低（Shen，2020；Schofield，2018；Christensen，2018）；拟杆菌型具有降解动物碳水化合物的酶， 且糖和蛋白质分解能力强，但更容易受到外来因素的干扰（Mills，2022；Vieira-Silva，2016；Martens，2009）。

1.1 肠型与营养 由于每种肠型的功能不同，因此肠型可以作为生物标志物， 能预测个体代谢紊乱以及疾病风险（Christensen，2018；Vandeputte，2015）。 Korem 等（2017）研究发现，仅根据微生物组数据就可以预测诱导每个人低血糖的面包类型， 该研究表明可以根据肠道微生物组预测饮食的血糖反应。 Wu 等（2021）对韩国成年人进行了一项调查试验，成功鉴定出瘤胃球菌型、拟杆菌型和普雷沃氏菌型， 三种肠型与韩国人的三种不同的饮食习惯相关， 且与代谢综合征之间存在潜在影响。Hjorth 等（2018）的一项调查表明，在相同的饮食条件下，普雷沃氏菌型的人体脂损失更大，而拟杆菌型的体重没有显著差异， 普雷沃氏菌型更容易通过高纤维和全麦饮食来减肥。 每种肠型具有不同的消化功能，偏爱特定的饮食底物，从而影响短链脂肪酸的产生， 进而影响宿主的能量平衡（Fu，2021；Christensen，2018；Chen，2017）。 可见，肠型可以有效揭示生物体日常饮食习惯， 营养水平。

1.2 肠型与健康 对肠道菌群分型，将肠型作为生物标志物， 有助于进一步了解肠道微生物区系与疾病的相关性，以及宿主的健康状况，为基于肠道微生物区系的精准医学提供便利。 Couch 等（2021）通过采集非洲野牛直肠粪便，鉴定出了两种肠型， 并且研究发现野牛种群中存在的病原体与肠型之间具有相互作用， 肠道共生微生物与疾病存在潜在联系。 Li 等（2017）研究发现，患有高血压的人群和健康的人群肠型不同， 同时将患有高血压人的粪便移植到无菌小鼠中， 依然可以引起血压升高， 肠道微生物菌群可以对宿主血压有直接影响。Claesson 等（2012）研究表明，健康老年人的肠型和不健康的老年人肠型有显著差异。Ren 等（2022）研究认为，低丰度拟杆菌代谢紊乱可作为仔猪断奶后腹泻的生物标志物。 研究表明肠型与多种疾病相关，如糖尿病、帕金森、部分癌症等（Wang，2020；Heinzel，2020；Yang ，2019）。 根据肠型的不同，对生物体的肠型重塑，可以成为生物体个性化营养调控的重要手段。

2 影响肠型的因素

自肠型的概念提出，近年来对其研究较多，已经在很多单胃动物上成功鉴定。 影响肠型的因素有很多，包括饮食、物种、年龄、抗生素的使用等。

2.1 物种 不同物种的动物肠道存在不同肠型。如鸡和猪以及小鼠的肠型就有显著的不同（Xu，2021；Yuan，2020；Wang，2014）。有趣的是，Moeller等（2012）研究表明，黑猩猩的肠型在组成上与人类相似， 这可能是人和黑猩猩亲缘关系相近的缘故。

2.2 年龄 年龄的不同肠型也会不同。 Zhong 等（2019） 调查了6 ~ 9 岁儿童的肠道微生物菌群，确定了普雷沃氏菌型、拟杆菌型、双歧杆菌型（Bifidobacterium） 三种肠型， 与成年人的肠型不同。Vaiserman 等（2020）研究发现，肠道微生物区系的组成在不同年龄组之间存在显著差异， 厚壁菌门（Firmicutes）/拟杆菌门的比例随着年龄的增加而显著增加。随着年龄的变化，生活方式也有显著不同，如饮食的品种，饮食习惯等（Cheng，2019），因此年龄对肠型的影响是复杂的因素。

2.3 饮食 由于微生物肠型基于微生物区系定义， 因此微生物肠型可以随着微生物区系的变化而改变，不过现有研究表明肠型具有相对稳定性，对短期的变动具有弹性， 不会轻易改变（Wu，2011）。 虽然肠型对短期的干扰具有弹性，但是肠型也有可塑性， 长期饮食的改变可以改变肠型。Rodríguez-Daza 等（2020）在高糖高脂肪日粮诱导的小鼠日粮中添加蔓越莓果粉和蓝莓果粉， 连续添加8 周后可以发现小鼠的肠型由拟杆菌型/瘤胃球菌型转变为利于小鼠健康的普雷沃氏菌型/阿克曼氏菌型（Akkermansiaceae）。 Wu 等（2011）研究了98 个志愿者的肠道菌群，将肠型分为“高脂高蛋白饮食”型以及“高纤维饮食”型，而拟杆菌型和普雷沃氏菌型分别为对应以上两种肠型。 可见，长期的饮食习惯可以决定肠型。

2.4 其他 抗生素、部分药物对肠道微生物有调节或者重塑作用， 抗生素或者部分药物的使用可以影响肠型（Ramirez，2020；Raymond，2016；Maurice，2013）。有趣的是益生素的使用虽然可以影响肠道组成，但其对肠型的影响有限。 Lee 等（2021）研究发现， 益生菌酸奶粉的使用只能短时间影响微生物肠型，当停止使用时，肠道微生物菌群仍然可以恢复到原始状态。Haddad 等（2020）研究了益生菌的添加对肠型的影响， 结果表明补充添加双歧杆菌以及乳酸杆菌对微生物肠型没有显著影响。 此外， 影响肠型的因素还有很多。 Lee 等（2020）研究认为，肠型与情绪之间存在联系。 Lim等（2015）研究发现，超过72%的来自同卵双胞胎人的肠型相同。 可见宿主的遗传因素也可以影响肠型。 因此，肠型不受单一因素的影响，而是受多种因素的动态影响。

3 肠型的局限

随着越来越多在更大的空间范围内进行更多的试验来验证和改进肠型概念， 使用统一的肠型方法实现生物体肠道微生物区系的分型是可行的。 但是，肠型的分析结果受一些技术方法影响，包括样品处理方式、DNA 提取方法和测序技术等（Cheng，2019）。由于肠道微生物的复杂性，自肠型的概念提出，就存在争议，但现有研究不能否定肠型这一概念，不过肠型存在一定的局限性。近年来的一些研究结果发现，肠型并不完全是离散的，还有存在连续性， 肠型的样本不能清楚地分成不同的类型 （Costea，2018；Knights，2014）。 Huse 等（2012）研究发现，Arumugam 等（2011）最初定义的三种离散的肠型不能明确判定出来， 但判定出了两种肠型 （拟杆菌-瘤胃球菌型和普雷沃特氏菌型）在一个连续体中，而不是作为不同的类型。此外，肠型存在不稳定性，研究认为肠型的稳定性受时间以及环境变化的影响， 尽管影响有限（Cheng，2019；Knights，2014）。

肠型在幼龄动物上可能并不适用。 尽管有研究表明， 胎儿的肠道微生物在母体子宫就已经开始存在，但是幼龄的肠道菌群并不稳定（Bi，2021；Chin，2021）。 Dias 等（2018）在犊牛的研究中评估了断奶前犊牛的瘤胃、空肠、盲肠和结肠中的细菌菌群， 发现在生命早期犊牛胃肠道菌群具有高度变异性，然后才趋于稳定。 Bergstro..m 等（2014）对出生后9、18 月龄和36 月龄的婴儿进行调查，发现肠道微生物区系发生了显著的变化， 肠型的建立发生在9 ~ 36 个月， 但是30%的个体在18 ~36 个月改变了肠型。 可见，幼龄的动物体肠道环境不稳定，肠道菌群正处于定植期，因此使用肠型评定幼龄动物可能是不合适的。

尽管肠型存在局限性， 但是对成年稳定个体的肠道菌群分型是必要的。 肠道微生物结构非常复杂，如果能类似于血型一样，明确分组为多个确定的类型， 则可以简化对肠道微生物的认识及应用。判定明确的肠型作为生物标志物，可以根据肠型更容易的进行个性化的微生物组的诊断和精准治疗。

4 反刍动物与肠型

4.1 肠型可以在反刍动物上应用 微生物消化是反刍动物的重要消化方式， 反刍动物的胃肠道栖息着大量菌群， 研究表明反刍动物胃肠道主要菌群为厚壁菌、 拟杆菌和普雷沃氏菌（Huang，2020；Zhu，2018）。 瘤胃是反刍动物微生物消化发生过程的重要消化器官， 由于反刍动物的特殊生理结构以及与瘤胃微生物的协同作用， 饲草可以被发酵并降解为挥发性脂肪酸（VFA），这些脂肪酸被反刍动物作为营养物质吸收（Guo，2022；Cammack，2018）。 有研究表明日粮更换导致的奶牛瘤胃和后肠道菌群发生的改变存在时序性差异， 且后肠道的适应过程要慢于瘤胃（Neumann，2008）。 因此，仅仅根据肠型评定反刍动物的消化代谢状态可能不准确。考虑到瘤胃菌群的复杂性，对应肠型的概念， 如果能在反刍动物上引入瘤胃菌群类型（即“瘤胃型”）这一群体分型概念，采用聚类或者以群体为单位进行分析的方法， 可以提升对反刍动物瘤胃功能的认知。 如果能使瘤胃型结合肠型， 可能会更加准确的评估反刍动物的健康状况，预防疾病风险。 研究表明在单胃动物上，90%以上的肠道细菌只属于拟杆菌门和厚壁菌门这两个门，优势菌门根据动物个体或有不同，但健康个体的比例大都相似， 拟杆菌门和厚壁菌门比例的不同可以反映出机体的健康状况（Zhang，2019；Qin，2010）。 和单胃动物类似， 在反刍动物上，拟杆菌门和厚壁菌门也是主要的菌门，反刍动物的拟杆菌门和厚壁菌门比例的不同也可以在一定程度上反映消化道的代谢情况（Faniyi，2019）。此外， 研究表明反刍动物的胃肠道菌群也存在一定的稳定性，在不受外界影响下，胃肠道菌群组成和丰度相对稳定（Huang，2020）。 因此，肠型概念可以在反刍动物上应用。

4.2 肠型在反刍动物上的应用前景 和肠型一样，反刍动物的日粮结构、生理状态和生存环境等均会对其消化道微生物群落结构造成影响（Gruninger，2019）。在利用高精料日粮诱导奶牛瘤胃亚急性酸中毒（SARA）的研究中，发现奶牛瘤胃厚壁菌门/拟杆菌门（F/B）值升高，且SARA 越严重，F/B 值越高（Plaizier，2016；Mao，2013）。Plaizier等（2016）研究发现，大幅度增加日粮精料不仅降低了瘤胃菌群多样性， 同时也会改变后肠道菌群组成， 比如减少盲肠和粪便牛链球菌属（Streptococcus bovis），增加大肠杆菌（Escherichia coli）数量。 可见反刍动物胃肠道菌群会对日粮结构的改变进行响应。 因此， 研究反刍动物的肠型很有必要。

瘤胃微生物群决定反刍动物的纤维利用率（Chen，2022）。Couch 等（2021）研究了非洲野牛病原体与肠型之间的相互作用；Guo 等（2021）研究了高原放牧牦牛在不同季节肠型的动态变化，目前还鲜见对反刍动物瘤胃型进行尝试。 联合瘤胃型和肠型对反刍动物的营养与健康进行研究可能是更可靠的方式。 有研究表明瘤胃菌群移植可以改变胃肠道菌群， 该技术还可以治疗瘤胃急性酸中毒，缓解急性酸中毒对瘤胃上皮细胞的损伤，促进瘤胃发酵和细菌稳态的恢复， 调节瘤胃上皮形态和功能（Yin，2021；Liu，2019）。 虽然目前瘤胃菌群移植中具体微生物调节机制仍不明确， 但可以明确瘤胃菌群的改变会对反刍动物的胃肠道健康产生影响。因此，探究反刍动物肠型能够为调控反刍动物瘤胃菌群平衡奠定基础， 为反刍动物疾病的精准防治提供方向， 同时可以促进反刍动物个性化的健康养殖。

考虑到瘤胃内不仅存在细菌， 还存在真菌及原虫， 每种微生物都对反刍动物的消化产生作用（郭成，2022）。 不论是舍饲或者放牧反刍动物，还是野生反刍动物， 粗饲料对反刍动物的饮食健康起着重要作用（Guo，2022）。 研究表明瘤胃真菌对饲草纤维素的降解能力强， 但和瘤胃其他微生物存在拮抗关系（Swift，2021；Akin，1990）。 Song 等（2021）病毒型的研究表明，肠型不一定要以细菌型为主， 考虑到瘤胃菌群的结构和功能的多样性以及瘤胃型的离散情况（能否明确确定瘤胃型），瘤胃型的确定以细菌型为主还是真菌型为主有待进一步研究。

5 小结

肠型的定义方便了对肠道菌群的认识， 虽然肠型有部分局限性， 但对成年稳定个体的肠道菌群分型是必要的， 肠型可以作为生物标志物反映动物体的营养水平和健康状况。 反刍动物的微生物消化强于单胃动物， 反刍动物胃肠道菌群也会对类似于单胃动物， 会对日粮的变化和机体健康作出响应。 然而目前肠型在反刍动物上的研究较少， 因此肠型的判定对反刍动物疾病的精准防治和个性化的健康养殖很有必要。今后，应该加强对反刍动物肠型的开发和探索，最终应用于实践，服务于反刍动物生产。