動物腸道菌群與營養物質代謝的研究進展

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　　導讀

　　腸道微生物系統作為動物腸道內最復雜的微生態系統，其大量微生物參與其營養物質的吸收、分布、代謝以及機體的免疫，并影響動物生長和健康。腸道菌群的失調可引起多種疾病，如頑固性便秘、炎癥性腸病（IBD）、腸易激綜合征（IBS）、代謝綜合征等。因此，了解腸道菌群與營養物質之間的關系，對調節腸道菌群平衡對動物體健康有重要意義。

　　1腸道菌群概述

　　動物腸道可為多種微生物提供良好的生活環境，研究發現在動物腸道中存在約500種細菌，總數量高達1014個。腸道菌群是微生物多種群有機整體，腸道微生物與宿主共同構成了一個相對穩定的內環境，互利共生。研究發現，腸道菌群的平衡有利于提高動物免疫力，保證動物體的健康。初生動物的腸道處于無菌狀態，之后細菌可從動物口、鼻和肛門進入到動物體消化道內，2 h便可從其腸道內檢測到腸球菌、鏈球菌和葡萄球菌等需氧菌的存在。日糧、環境、生理狀態、遺傳因素等均可影響動物腸道微生物的組成及數量，雞大約在出生40 d后腸道菌群達到穩定狀態，人大約在出生1 年后腸道微生態環境趨于穩定。動物腸道菌群可促進宿主對營養物質（維生素、氨基酸、短鏈脂肪酸等）的消化、吸收和利用，并能夠抑制有害菌增長，阻止病原菌、致病菌的入侵，增強宿主免疫功能。不同種類動物的腸道微生物與相同動物不同腸道部位的微生物組成及數量均存在差異性。43日齡健康仔豬腸道內的優勢菌群以乳桿菌、腸球菌和梭菌等厭氧或兼性厭氧菌為主，其次是雙歧桿菌，但胃和十二指腸內的優勢菌群為雙歧桿菌，其次為乳酸桿菌；回腸內的優勢菌群為雙歧桿菌，其次為腸球菌；盲腸內優勢菌群為雙歧桿菌，其次為小梭菌；直腸中優勢菌群為雙歧桿菌，其次為乳酸桿菌。40日齡雞的腸道菌群主要由糞鏈球菌、大腸桿菌、擬桿菌亞種和乳桿菌屬亞種構成，但其小腸內的優勢菌群為乳酸桿菌，其次是梭菌、糞鏈球菌和大腸桿菌；盲腸內梭菌為優勢菌屬，其次是梭桿菌屬、擬桿菌屬和乳桿菌屬。反芻動物的瘤胃微生物復雜多樣，包括瘤胃細菌、厭氧真菌、古細菌和瘤胃原蟲，還有少量噬菌體，每克瘤胃內容物中細菌數量為1011個，約有200個種類；每克瘤胃內容物中瘤胃原蟲約105~106 個，覆蓋24 個屬；此外瘤胃內還存在數量較少但對營養物質的發酵降解有重要作用的厭氧真菌。不同動物之間腸道菌群組成及數量差異較大，腸道菌群多樣性與動物生長以及健康均具有重要作用。

　　2腸道菌群與營養物質代謝

　　2.1 腸道菌群與碳水化合物代謝

　　碳水化合物是為動物體提供能量的最主要來源。腸道菌群可通過糖酵解途徑（EMP)、磷酸戊糖途徑（HMP）、糖類厭氧分解途徑（ED）進行糖類的代謝。碳水化合物在小腸被消化分解成簡單的糖類，其進入到結腸被腸道菌群發酵分解成短鏈脂肪酸（包括乙酸、丙酸、丁酸等），被機體吸收利用。據研究，健康成人每天攝入的每千克碳水化合物中約含有60 g的低聚糖、纖維素和半纖維素等不能被胃消化酶直接消化的物質，但可被大腸部分腸道菌群分解利用。并且發現人的糞便中分離得到可降解纖維素的菌群有瘤胃球菌（Ruminococcus sp .）、梭菌（Clostridium sp .）、真桿菌（Eubacterium sp .）和擬桿菌（Bacteroides sp .）。Abdessamad 等通過基因組分析發現在腸道菌群中的部分擬桿菌門細菌中含有編碼水解酶和多糖裂解酶的基因，從而證明其能夠促進多糖的降解。以上研究證明，腸道菌群能夠促進結構性碳水化合物的分解利用。Etxeberria 等研究發現通過比較高脂肪蔗糖日糧和正常日糧的大鼠后發現飼喂高脂肪蔗糖日糧影響大鼠體內的代謝途徑（碳水化合物代謝、三羧酸循環等），進而對大鼠腸道菌群的種類造成影響。Molist 等研究發現飼喂含有一定量膳食纖維的日糧可減少仔豬盲腸中大腸桿菌的數量，提高有益微生物的數量。也有研究表明，小麥纖維素被腸易激綜合征患者食用進入到患者的大腸中，優先被有益菌利用，促進有益菌的增殖，從而改善其腸道菌群結構，進而緩解腹痛及排便困難等癥狀。同時發現結構性碳水化合物具有促進腸道蠕動、清除腸內有害物質及促進腸道纖維素分解菌增殖，并且這些纖生素分解菌能夠分泌纖維素分解酶降解腸道中纖維素，從而生成葡萄糖等小分子糖類被動物機體吸收利用，或者進行微生物發酵產生揮發性脂肪酸（VFA），調節pH 值促進有益菌的繁殖。但其對腸道菌群組成及數量增加，以及不同菌群之間的協同互作機理仍需進一步深入研究。

　　2.2 腸道菌群與蛋白質代謝

　　蛋白質作為最基本的六大營養素之一，對促進動物生長發育、維護機體健康具有重要作用。日糧和機體代謝產生的蛋白質和氨基酸均能夠被腸道菌群利用，合成重要的生命物質，維持菌群自身的組成和數量。人體內約有10%的蛋白質會進入到大腸，通過大腸內的微生物菌群的作用生成氨基酸，然后被分解利用。據研究，動物腸道中存在大量的氨基酸代謝菌，主要包括擬桿菌（Bacteroides spp .）、丙酸桿菌（Propionibacterium spp .）、鏈球菌屬（Streptococcus）和梭菌屬（Clostridium），這些菌群能分泌水解蛋白質與氨基酸的蛋白酶與基肽酶。同時飼糧中粗蛋白質水平對腸道微生物脫羧酶活性有影響，使得腸道微生物對氨基酸降解存在差異性。因此，從不同菌群生長代謝產生的氨基酸或者其代謝產物可以得知菌群的組成變化。

　　本實驗室通過對水貂和藍狐日糧中蛋白質水平進行研究，發現育成期水貂日糧中蛋白質水平在32%~36%最佳，其中蛋白質表觀消化率在84.87%~85.15%之間，脂肪消化率為92.71%~93.51%，并且對水貂的生長性能以及對血清中甘油三酯、總膽固醇水平的影響均不顯著。育成期藍狐日糧中蛋白質含量在32%時生產性能最好，其中蛋白質消化率為68.74%，脂肪消化率達到80.47%，當日糧中蛋白質含量超過32%時脂肪的消化率下降。通過試驗研究發現，日糧中蛋白質等營養物質水平對水貂及藍狐的生產性能、營養物質消化率以及血清生化指標產生不同程度的影響，但對動物腸道菌群組成及數量的影響還不清楚，目前項目組正在進行不同營養物質對貂、狐腸道菌群的影響研究；與此同時，這些動物腸道中微生物組成對日糧營養物的消化吸收的影響也是本實驗室的重點課題之一。

　　2.3 腸道菌群與脂肪代謝

　　脂肪在小腸中消化吸收的比例很大，并有研究表明：高脂日糧、腸道菌群以及肥胖三者之間存在密切的聯系，通過ERIC-PCR對飼喂高脂日糧和正常日糧大鼠的腸道菌群總DNA進行分析，結果發現開始飼喂時兩組大鼠的腸道菌群結構類似，但第7周之后兩組大鼠的腸道菌群的差異性主要表現在數量上，并且高脂日糧大鼠在第7周之后體重顯著增加。這也進一步證實高脂飼料能夠影響腸道菌群的組成。當通過飼喂高脂飼糧誘導小鼠肥胖，肥胖小鼠與正常小鼠相比不僅腸道菌群種類和數量在一定程度上都發生了變化，而且糞便中短鏈脂肪酸含量也下降。飼喂高脂日糧，大鼠血清總膽固醇（TC）、血液中甘油三酯（TG）含量均有升高，導致大鼠產生脂代謝異常，增加了患高血脂癥的風險，但對其腸道菌群分析發現，與正常大鼠腸道菌群相比其腸道菌群結構發生改變，這可能也說明長期飼喂高脂日糧通過改變動物腸道菌群結構和組成，引起了動物腸道內代謝產物的改變，從而引發了疾病。與正常體重大鼠相比較，高脂肪高熱量日糧誘導的肥胖大鼠外周循環中的內毒素以及血清腫瘤壞死因子α（TNF-α）均明顯增高，經過糞菌移植治療后，外周循環血中的脂多糖（LPS）以及血清TNF-α顯著下降，這進一步說明腸道菌群改變能夠調節脂類代謝。

　　不同動物對脂肪性飼料的耐受程度不同，如育肥豬日糧中動物脂肪含量在3%左右為宜、懷孕母豬日糧中動物脂肪在7.5%左右為宜。奶牛日糧中的長鏈脂肪酸鈣的添加量超過6%時，會影響瘤胃發酵以及造成干物質的采食量下降。不同種類魚的飼料中脂肪含量在8%~25%時，會出現不同程度的肝臟脂肪病變。然而，試驗發現水貂、藍狐對脂肪有較高的耐受性。其中水貂飼糧中脂肪水平在20%~30%范圍內最好，育成期雌性水貂的脂肪水平為30%時生長性能較好，但水貂對脂肪的最高耐受性還不清楚。藍狐脂肪水平在12%~40%范圍內，其肝脂率和肝體指數不受脂肪水平的影響，只有當脂肪飼糧水平達到54%時，藍狐才會出現生長緩慢、體脂沉積升高（尤其是肝脂率和肝體指數的升高），并出現高血脂、高血糖現象。藍狐、水貂等食肉動物能夠耐受高脂飼糧，但對它們的腸道菌群結構以及腸道菌群如何影響其脂肪的降解利用，是本課題組正在重點研究的課題之一。

　　動物腸道菌群對能量以及脂類物質的代謝利用受日糧中蛋白質水平的影響。研究表明，腸道微生物的代謝產物能夠激活小腸上皮的內分泌細胞（如短鏈脂肪酸通過與G蛋白偶聯受體結合），分泌多種代謝相關肽，進而影響脂質儲存和能量平衡。Skov等研究也表明，高蛋白會減少體內白色脂肪含量，減少肥胖現象。與正常飲食的大鼠相比，蛋白質缺乏會限制能量的攝入量，導致脂肪分解蛋白表達的上調，白色脂肪組織含量降低；而高蛋白日糧通過改變大鼠體內能量代謝過程，從而造成白色脂肪組織含量減少。雖然白色脂肪含量都降低，但不同蛋白質水平減少體內白色脂肪組織含量的途徑不同。據研究，飼糧添加精氨酸對動物的脂質代謝及菌群結構有一定的影響。飼糧中添加0.25%L-精氨酸能夠降低肉雞血漿甘油三酯和總膽固醇含量，并能夠降低脂肪酸合酶mRNA 的表達，從而降低肉雞的腹脂沉積。飼糧中添加0.4%精氨酸能夠降低血清總膽固醇含量、提高免疫球蛋白，并增加小腸內乳酸菌的數量抑制大腸桿菌的數量，使豬體內脂肪含量降低，改變其腸道菌群結構，維持腸道菌群的平衡。Tiihonen等研究表明，亮氨酸、異亮氨酸代謝產生異丁酸、異戊酸等物質，導致腸道內異丁酸、異戊酸的含量增加，破環腸道菌群平衡，從而引起肥胖癥或炎癥性腸病等。綜上所述，腸道菌群與營養物質代謝存在密切的聯系，但對于這種聯系的機理仍需我們繼續開展大量的研究。

　　3腸道菌群與營養代謝病

　　近幾年，腸道微生物參與肥胖癥以及Ⅱ型糖尿病等代謝相關疾病的病理生理學成為研究熱點。Ridaura等研究表明，肥胖小鼠和瘦弱小鼠的腸道微生物存在顯著的差異。將體型肥胖的雙胞胎的腸道菌群移植到無菌小鼠的體內，結果發現無菌小鼠體重增加，并產生肥胖癥；但將移植了瘦弱型微生物的小鼠和移植了肥胖型微生物的小鼠共同飼養，然而移植肥胖型微生物的小鼠并未發生體重增加和肥胖癥的現象，進一步研究發現通過糞便使瘦弱型微生物（特別是擬桿菌）轉移到了肥胖小鼠體內，發現肥胖小鼠體內短鏈脂肪酸的氧化減少、支鏈氨基酸的代謝增加以及膽汁的轉化增加。由此可見，腸道菌群結構的變化對動物腸道營養物質代謝有影響。Turnbaugh等研究發現，肥胖小鼠的腸道微生物中厚壁菌門細菌的豐富度增加、擬桿菌門細菌的豐富度降低，并發現飲食過程中對能量攝入量增多。Vrieze 等隨機對照研究發現，將瘦弱個體的糞便移植到肥胖個體（代謝綜合征）中，可以導致肥胖個體胰島素的敏感性提高，腸道微生物多樣性增加，產丁酸細菌增加，從而增加動物腸道有益菌數量，調節了動物腸道微生態環境，緩解了肥胖癥狀。此外，腸道微生物還通過影響一些轉錄因子的活性，調控宿主基因的表達，增強宿主甘油三酯的合成和脂肪沉積，減少脂肪酸氧化分解，調控宿主能量代謝。肥胖癥和糖尿病患者的腸道微生物組成及數量與正常個體相比較存在差異性，并且腸道菌群主要通過飲食、腸道菌群組成、膽汁酸代謝和短鏈脂肪酸代謝四個方面影響腸道代謝疾病。趙立平團隊用一株肥胖病人的腸道細菌（陰溝腸桿菌菌株B29）注入到無菌小鼠體內，飼喂高脂飼料時引起無菌小鼠肥胖和胰島素抵抗，從而為腸道菌群作為病因參與肥胖、糖尿病等代謝性疾病提供了實驗證據。為從調節腸道菌群方向治療肥胖和糖尿病提供良好的理論基礎。

　　4如何維持腸道菌群平衡

　　腸道菌群的平衡對動物體的健康至關重要，但維持其平衡受多種因素的影響。補充益生菌和益生元是調節腸道菌群紊亂最有效的方法。益生菌指當攝入適當的數量時通過腸道定植有利于宿主健康的活體微生物。腸道中的益生菌定植于腸道黏膜形成生物屏障，具有抗菌作用，保護機體免受病原微生物的入侵。Shen等研究表明，通過補充雙歧桿菌和乳酸桿菌等益生菌可抑制致病菌在腸道黏膜的附著，維持微生物菌群的穩定，改善腸黏膜的屏障作用，從而改善肥胖癥等代謝疾病的發生。益生元主要指功能性低聚糖，由于人體胃腸道內缺少β-半乳糖苷酶系不能對其直接利用，因此需進入到大腸被腸內微生物菌群利用，降解為小分子物質后被機體吸收。據研究，低聚半乳糖可通過調節結腸上皮的杯狀細胞的分泌功能，從而起到保護腸道的屏障功能作用，達到預防結腸炎甚至結腸癌的發生。補充動物體腸道內有益菌，能夠維持腸道有益菌群的動態平衡，進而保證人體的健康狀態。除此之外，營養也是影響腸道菌群的重要因素，營養失調和營養不良都會影響腸道菌群平衡，因此，合理營養也是維持腸道菌群平衡的必要條件。大量的試驗研究表明，調節患者的腸道菌群對治療營養代謝疾病患者有很好的治療效果。目前的治療方法是將健康者的腸道微生物移植到患者的腸道中，但這種方法對腸道微生物的提供者、患者以及操作過程極其嚴格并存在風險性，我們需要找到一套完整安全的微生物區系。上文指出水貂和藍狐對日糧中脂肪水平有較高的耐受性，并對日糧中蛋白質和脂肪有較高的消化率，且未發現肥胖癥、糖尿病等一些癥狀。研究發現狐的腸道微生物以柔嫩梭菌屬（Faecalibaeterium prausnitzii）、梭菌屬（Clostridium）和擬桿菌屬（Bacteroides）等為主。水貂腸道細菌以厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、梭桿菌門（Fusobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）和變形菌門（Proteobacteria）為主。其中水貂腸道中梭桿菌門豐富度為11.54%，可以發酵氨基酸和葡萄糖。但人的腸道菌群中梭桿菌門含量很少，比例不足1%。因此本課題組將對藍狐和水貂的腸道微生物進行培養、富集獲得腸道微生物區系，揭示腸道微生物對高蛋白質、高脂肪日糧代謝機理，同時本研究成果對其它單胃動物、反芻動物蛋白類物質代謝，甚至對于由能量代謝紊亂導致的人類代謝綜合征和心血管疾病等都具有重要的借鑒意義。

　　5結論及展望

　　腸道菌群是動物腸道功能的重要組成部分，直接影響腸道內營養物質的吸收利用，脂肪酸的合成與代謝，對動物的消化、免疫以及代謝疾病等方面具有重要影響。但是，由于動物體腸道菌群結構和功能的復雜性，目前對腸道菌群參與機體代謝的部分機制尚不明確，隨著科學技術的發展，不同菌群的功能，菌群之間的協同互作，菌群對代謝的影響機制，菌群對健康的促進作用等科學問題必會被逐一揭示。腸道菌群與宿主的互惠共生關系也將會得到更好的闡釋和應用。

　　注：本文由生物飼料開發國家工程研究中心（BFC）小編整理發布，如有任何建議或意見及投稿等，請您加小編微信（13260429991）交流互動。
　　責編：馬維軍；審閱：陳達 博士
　　來源：飼料工業；作者：陳雙雙,司華哲,李光玉,劉晗璐


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