反刍动物胃肠道微生物及其代谢物研究进展

摘要：反刍动物胃肠道的发育与胃肠道微生物的定植都有一定的规律，但是不同物种乃至个体之间又有其独特的菌群。动物品种、年龄、性别以及不同的饲养管理模式对动物胃肠道微生物区系的结构和数量有着不同的影响。微生物与宿主的相互作用主要通过其代谢产物与宿主机体的代谢交互实现。因此，对胃肠道微生物和微生物代谢产物以及动物生长表型之间的关系进行相关性分析探究尤为重要。文章主要阐述了近年来反刍动物胃肠道微生物的组成、影响因素、主要代谢产物及其对宿主调控作用等方面的研究进展，以期为反刍动物胃肠道微生物功能研究提供参考。

关键词：反刍动物；胃肠道微生物；代谢产物；表观遗传修饰

反刍动物胃肠道中有数量巨大的细菌、真菌以及原虫等微生物。大肠中微生物的数量仅次于瘤胃，主要由厌氧或相对需氧的微生物、共生体和少量病原微生物组成。受生长环境、饲养管理方式、发育阶段、饲粮组成以及添加剂等因素影响，菌群结构和数量会发生相应的改变，从而对宿主产生不同的调控作用。通过高通量测序技术研究反刍动物胃肠道微生物的动态变化、群落分类及丰度信息，筛选出具有特定功能的微生物。人们发现胃肠道微生物不仅仅影响宿主的消化吸收能力，而且会影响胃肠道免疫、疾病预防、神经调节等功能，例如，与宿主共同进化的胃肠道微生物组决定着宿主消化饲料的能力，而胃肠道微生物主要是通过其代谢过程和代谢产物来实现和宿主机体的交互。反刍动物的遗传和生理以及消化系统与微生物结构、组成和代谢之间具有一定的依赖关系，探讨反刍动物胃肠道微生物及其代谢产物的功能关系有助于更好指导反刍动物生产工作，并为相关科学研究提供参考。文章综述了反刍动物胃肠道微生物的组成、影响因素及代谢产物对宿主调控的研究现状，以期为反刍动物胃肠道微生物及代谢产物对宿主的功能研究提供定的理论参考。

1 反刍动物胃肠道微生物的组成

反刍动物对营养物质的消化吸收离不开健康的胃肠道，当饲粮经瘤胃和小肠分解后，一部分营养物质进入大肠进行发酵。但不同肠段中微生物的种类和丰度具有很大的差异，盲肠和直肠中微生物的菌群要多于小肠。研究人员对各个地区不同品种的羊进行了微生物测序分析，发现不同品种及地区的羊胃肠道微生物区系的结构和数量有所不同，但是某些优势菌群却具有一定的相似性，在小尾寒羊的肠道中，厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidota)是盲肠和直肠中的优势门，而空肠中厚壁菌门和蓝细菌(Cyanobacteria)的相对丰度较高。Mao等人检测奶牛的10个消化部位后发现小肠、盲肠和结肠中主要是未分类的肠杆菌科(Enterobacteriaceae)富集；空肠中主要是乙酸肠杆菌属(Acetitomaculum)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)和未分类的乳酸杆菌科(Lachnospiraceae)富集；在回肠和大肠中主要富集的是未分类的消化链球菌科(Peptostreptococcaceae)和肠杆菌属(Turicibacter)；瘤胃主要是丁酸弧菌属(Butyrivibrio)和弯曲菌属(Campylobacter)富集。Wang等人对五只小尾寒羊的胃肠道进行测序分析后发现绵羊胃中三个主要的属是普雷沃菌属(Prevotella)、未分类的乳酸杆菌科和丁酸弧菌属，大肠中最主要的两个属是乳球菌属(Ruminococcus)和普雷沃菌属。青海半细毛羊肠道中的优势菌群由厚壁菌门和拟杆菌门组成，拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门是绵羊胃肠道中的核心微生物。综上，厚壁菌门和拟杆菌门占据胃肠道微生物的主导地位，对反刍动物胃肠道中蛋白质和碳水化合物的消化吸收起重要作用。

2 反刍动物胃肠道微生物的功能

胃肠道微生物菌群多样性与宿主营养物质的消化代谢有着密不可分的作用，微生物通过介导某些分子效应参与调节宿主的胃肠道免疫和神经生理等功能，胃肠道微生物胞外或者表面的蛋白质分子在其与宿主作用时发挥重要的功能(如表1)。

人们发现微生物相关分子模式和模式识别受体的识别和结合可以触发不同的胞内信号通路，导致免疫细胞、白细胞介素等细胞因子的变化，激发体内的免疫反应。肠道菌群还可以通过调控骨髓依赖性淋巴细胞(B细胞)的应答促进肠道中免疫球蛋白A(Immunoglobulin A, IgA)的产生，IgA可以避免肠腔中有害物质直接损伤肠上皮黏膜，同时IgA也调节着肠道内菌群的组成和平衡，可以增强肠道上皮细胞的物理屏障。研究发现胃肠道微生物与宿主的表观遗传修饰有紧密的联系，胃肠道微生物组的某些结构和代谢物的改变会引起宿主过敏反应、自身免疫等疾病。益生菌和肠道微生物可以产生具有免疫调节的因子，例如，嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia muciniphila)的菌毛结构是免疫和肠道屏障功能的关键介质，普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)分泌的肽类属于一种名为微生物抗炎分子的蛋白质。

另外胃肠道菌群会影响中枢神经系统，使宿主发生一系列的疾病，同时肠道细菌与大脑发育和神经发生有关，通过迷走神经(Vagus nerve,VN)影响神经系统。VN能够感知微生物群，将肠道信息传递到相应的中枢神经系统，产生适当或不适当的反应。Sudo等人通过小鼠试验研究了下丘脑-垂体-肾上腺(Hypothalamic-pituitary-adrenal axis,HPA) 对应激的反应发现，共生微生物群是调节HPA应激反应发展的环境决定因素。小胶质细胞是中枢神经系统的组织巨噬细胞，对维持组织稳态、清除病原体和细胞死亡具有重要意义。Erny 等人发现宿主微生物群落影响着小鼠小胶质细胞的特性，当复杂的微生物群落存在时会恢复小胶质细胞的特性，是因为微生物的发酵产物短链脂肪酸(Short chain fattyacid,SCFA)可以调节小胶质细胞的稳态。

3 影响胃肠道微生物的因素

3.1 遗传

宿主的基因影响胃肠道菌群的组成，研究发现一些科和属的细菌可以直接遗传到下一代。早在2001年就有科学家发现同卵双胞胎的胃肠道微生物相似性高于其他没有遗传关系的个体。后来人们确定了某些微生物类群如克里斯藤森菌(Christensenellaceae)科(Firmicutes属)，它们的丰度受到宿主遗传的影响，并且在宿主中也发现了与这些微生物组成相关的基因。因此，宿主含有某些基因会对肠道中微生物的结构和数量造成影响，对维持胃肠道细菌群落具有重要作用。

3.2 发育阶段

幼龄反刍动物的胃肠道发育随日龄的增长呈现一定的变化规律，是胃肠道微生物及其代谢产物等多方因素共同作用的结果。在肉羊养殖过程中，羔羊到育肥羊胃肠道的微生物丰富度逐渐增加，最后趋于稳定的状态，整个过程微生物的代谢物对羊的健康养殖具有重要作用。不同发育阶段反刍动物胃肠道中细菌和古菌的菌群组成具有差异，但真菌和原虫的菌群组成受不同发育阶段的影响不大。反刍动物在分娩时与出生后，环境和饲粮的改变为微生物在胃肠道定植提供有利的条件，其胃肠道微生物一直处于不断变化的状态，具有一定的演变规律。Li等人发现随着日龄的增加，山羊瘤胃中的厚壁菌门逐渐取代变形菌门，14日龄山羊的空肠和回肠中乳酸菌属的数量急剧增加。随着日龄和饲粮的改变，胃肠道微生物群的功能也会发生相应的转变，通过京都基因与基因组百科全书(KEGG)功能富集发现，盲肠和结肠中与碳水化合物、能量代谢相关的基因增加，而与氨基酸代谢相关的基因减少。因此早期胃肠道微生物定植对羔羊健康、饲料消化率和生长性能等有一定的影响。

3.3 饲粮以及饲养管理模式

胃肠道微生物的菌群和数量受到多种因素的影响，但是有研究发现饲养方式的影响更大。在羔羊胃肠道微生物发育阶段，初生羔羊的饲喂方式会影响微生物的定植和优势菌群的建立，母乳喂养和人工喂养的羔羊体内的微生物来源不同，由母乳喂养的羔羊体内的胃肠道微生物大多来自于母乳、母羊的皮肤和口腔等，而人工饲养的羔羊的胃肠道微生物主要来自于母羊生殖道和圈舍环境。哺乳和奶瓶喂养的新生羔羊有各自独特的肠道微生物群，与母羊哺乳相比，奶瓶喂养显著增加了大肠杆菌属(Escherichia)、志贺氏菌属(Shigella)、丁酸菌属(Butyricicoccus)和梭状芽胞杆菌XIVa属(Clostridium XlVa)的丰度。随着饲料营养研究的发展，关于新型饲料的研发与应用逐渐成熟，新型饲料在使用过程中会对动物的生长性能、胃肠道微生物指标产生较大的影响。固态发酵饲料可以导致胃肠道的酸化，并为有益菌的建立提供适当的条件，另外还可以降低肠杆菌科细菌的水平。Zhang 等人使用不同状态的饮食饲喂湖羊发现，与非颗粒低粒饮食相比，非颗粒高谷物饮食显著降低了回肠粘膜某些益生菌种(例如鞘氨醇单胞菌)的相对丰度，显著增加了产酸微生物群的相对丰度(例如琥珀酸菌属、涅斯特连科氏菌)，与非颗粒高谷物饮食相比，颗粒高谷物饮食显著降低了回肠粘膜拟普雷沃氏菌属的相对丰度，显著增加了支原体的相对丰度。随着新型饲料的开发，人们也将焦点聚集在其对动物胃肠道微生物的影响方面。在多浪羊的饲粮中添加不同剂量的葡萄籽油后显著改变了多浪羊的胃肠道菌群多样性，提高了毛螺菌属，放线菌门等微生物的丰度，同时也抑制拟杆菌门的丰度。饲料中添加2 g/kg的包膜丁酸钠后对羔羊的胃肠道微生物具有较好的调节作用，可以丰富羔羊的胃肠道菌群组成。由此可见饲粮的种类和饲养模式可以改变胃肠道微生物的多样性，帮助宿主与微生物之间建立生理平衡。

4 胃肠道微生物与代谢产物的种类

胃肠道微生物代谢物与宿主各种复杂的生理过程相关，如宿主的免疫功能，炎症等疾病的产生(见图1)。动物的先天性免疫系统和适应性免疫系统与微生物及其代谢产物之间具有相互作用。胃肠道微生物可以直接帮助宿主消化和发酵食物产生代谢物，也可以通过自身合成某些代谢物，这些代谢物主要包括短链脂肪酸，次级胆汁酸以及离子多糖A等物质。

图1 影响胃肠道微生物及代谢产物的因素

4.1 短链脂肪酸(SCFAs)

短链脂肪酸是胃肠道细菌产生的最丰富的代谢物之一，也是目前研究最为透彻的微生物代谢产物，控制着宿主免疫和代谢的多个方面。人和动物无法消化吸收的纤维素可以通过胃肠道中的微生物发酵为短链脂肪酸，微生物也可以将未消化的蛋白质和肽作为短链脂肪酸合成的底物，从头合成短链脂肪酸，微生物通过水解，糖酵解以及磷酸戊糖途径产生短链脂肪酸。胃肠道中的拟杆菌门主要产生乙酸和丙酸盐，厚壁菌门则多产生丁酸盐，这些SCFAs可以作为宿主的能量来源。SCFAs会影响胃肠道微生物组成，减少大肠杆菌，沙门氏菌等细菌的数量。丁酸盐是结肠上皮细胞的能量来源，可以通过众多机制增强肠道屏障功能，例如脂多糖诱导的核酸结合寡聚结构域(NOD)样受体热蛋白结构域相关蛋白3炎症小体活化和自噬会导致肠道屏障功能受损，而SCFAs作为组蛋白去乙酰化酶的抑制剂，可以抑制上述过程，防止肠道屏障破坏。

4.2 色氨酸代谢物

微生物产生、调节和降解的代谢物与其真核宿主有密切联系，胃肠道微生物大肠杆菌具有产生色氨酸的能力，色氨酸代谢产生的吲哚及其衍生物是芳香烃受体(Arylhydrocarbon receptor,AhR)的配体，AhR配体可以结合免疫细胞。上皮细胞等细胞中的AhR，激活诱导白细胞介素22(IL-22)的产生，保护宿主免受致病菌的侵害。除了食物来源和内源性来源以外，体内的AhR可以由胃肠道微生物合成，乳酸杆菌可以利用色氨酸作为能源产生AhR的配体，这与机体炎症和免疫功能相关。罗伊氏乳杆菌代谢色氨酸产生的吲哚-3-乙醛可以激活AhR信号，保护肠道上皮屏障。

4.3 次级胆汁酸

肝脏中胆固醇合成的初级胆汁酸和胃肠道细菌合成的次级胆汁酸共同构成循环胆汁酸池混合物，结肠微生物可以将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸，胃肠道细菌进行的胆汁酸相关的生物转化影响胃肠道微生物组的结构和宿主的生理功能。有研究表明胆汁酸可以导致细菌的细胞膜损伤，增加胆汁酸的浓度能溶解细胞膜并引起完整膜蛋白的分解，导致细胞内物质的泄漏，但是细菌细胞拥有针对胆汁酸所引起损伤的保护和修复机制。结肠微生物可以通过解偶联、脱羟基化等过程将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸，人们在脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)、普通拟杆菌(Bacteroides vulgatus)等微生物中发现了与解偶联相关的胆盐水解酶；脱羟基化作用由厚壁菌门的细菌进行催化，包括梭菌(Clostridium)和真杆菌属(Eubacterium)，另外胆盐水解酶还广泛存在于小肠和大肠中的一些革兰氏阳性菌中，例如双歧杆菌，乳杆菌等。

4.4 氨基酸

氨基酸可以调节动物体内蛋白质和能量的稳态，胃肠道细菌产生的氨基酸衍生分子可以通过调节宿主微生物的组成和代谢来影响宿主健康，细菌对蛋白质的降解对反刍动物来说意义重大。胃肠道微生物群参与几种来源于消化性和内源性蛋白质的氨基酸的利用和分解代谢，这些氨基酸可以作为微生物群产生的代谢终产物(包括SCFAs)合成的前体。尽管微生物的种类和代谢途径不同，在色氨酸代谢过程会产生相似的代谢产物如D-色氨酸、小肽和吲哚及其衍生物。胃肠道细菌产生的氨基酸衍生分子对宿主的健康有一定的作用，另外细菌还会利用游离的氨基酸合成微生物菌体蛋白供宿主利用。过去长达几十年的研究发现，普雷沃氏菌、牛链球菌(Streptococcus bovis)、多酸米氏球菌(Misuokella multiacidas)和丁酸纤维菌(Butyrivibrio fibrisolvens)等细菌含有与蛋白质消化和氨基酸吸收有关的酶，如二肽基肽酶和二肽酶等。氨基酸还会通过氨基酸代谢细菌调节精子发生以及卵母细胞受精的过程，对哺乳动物的生殖过程产生影响。怀孕期间肠道中氨基酸代谢细菌的组成和丰度会发生改变并向子宫转移，这对胎儿发育和妊娠识别具有重要意义。

5 胃肠道微生物与表观遗传修饰

表观遗传修饰在不改变DNA序列的情况下，可以调控基因表达来传递遗传信息，主要包括甲基化修饰、组蛋白乙酰化等，受到微生物代谢物或其他环境因素的影响 。甲基化和乙酰化反应分别需要甲基化酶、乙酰化酶等物质进行调控，而这些酶的活性则取决于宿主和微生物代谢物。微生物产生的丁酸盐和乙酸盐等SCFAs会抑制组蛋白去乙酰化酶的活性。目前已发现Firmicutes门的细菌与心血管疾病有关，而心血管疾病多由DNA甲基化和脂代谢异常等原因造成。某些特定的肠道微生物与DNA甲基化有一定的关联。乳酸菌和双歧杆菌合成的叶酸可以促进胃肠道DNA甲基化，保证胃肠道的正常发育；梭状芽胞杆菌等细菌产生的丁酸可以诱导组蛋白的酰化修饰，有利于肠道的发育和免疫平衡。表观遗传修饰是可以遗传的，而胃肠道微生物可以调节表观遗传修饰。特定有规律的外界条件变化会影响动物发生表观遗传修饰，并有可能遗传给下一代。胃肠道微生物可以直接或间接地调控宿主表观遗传修饰，一方面胃肠道微生物可以直接与自然杀伤细胞作用改变宿主免疫系统的表观遗传修饰，另一方面胃肠道微生物代谢物能够调控宿主的表观遗传修饰。胃肠道微生物组与表观遗传修饰之间有着密不可分的联系，而表观遗传修饰可以遗传给下一代。因此在饲料营养和育种工作中，可以深入探讨饲料等外界因素改变对动物表观遗传的影响，探究其影响表观遗传的机制，并诱导动物产生相应表观遗传修饰，使其稳定的遗传给子代。

6 总结和展望

胃肠道微生物与宿主的多种生理活动密切相关，胃肠道菌群产生的代谢物对胃肠道菌群的结构和数量以及宿主生理活动十分重要。动物体内的每一条代谢途径都受到多方因素的调节，完整而有序的代谢途径对动物机体的生长发育、繁殖、免疫和神经发育等至关重要。如今对反刍动物的胃肠道发育以及胃肠道微生物的相关研究比较深入，胃肠道微生物的结构和数量改变会影响反刍动物生长性能、产奶性能以及肉品质等。在反刍动物生长过程中，鉴于以上对反刍动物胃肠道微生物有影响的因素，应对具体物种及其影响因素进行深入研究，找出具有重要意义的差异微生物和差异代谢物、特殊的甲基化、乙酰化修饰位点等，并对微生物的功能进行分析，对其代谢产物及其作用机制进行深入的研究，来调控动物的生长发育及其他性能。同时了解微生物与宿主在动物生长发育中的交互作用，探究微生物、微生物代谢产物与宿主之间的相关作用，对动物的生长、疫病防治、饲养管理等提供理论依据。

参考文献：略

作者:周亚，吴占月等发表于《饲料工业》