益生菌調控幼齡畜禽消化道微生物研究進展

馬濤 刁其玉

（中國農業科學院飼料研究所 農業農村部飼料生物技術重點實驗室，北京 100081）

隨著世界人口和經濟的快速增長，人們對于優質動物產品的需求量與日俱增。預計到2050年，對于肉和蛋的需求將增加73%，對奶制品的需求將增加58%［2］。為了滿足人們對于優質動物產品的需求，提高畜禽生產性能和效率是畜牧業發展的重中之重。長期以來，抗生素不僅能夠預防和治療動物疾病，還具有促進動物生長的作用［3］。預計2030年，全球動物養殖使用的抗生素總量將提高到105 596 t，且僅在亞洲就將達到51 851 t，占全球使用總量的一半［4］。盡管適量或低劑量的抗生素能夠預防疾病或促進動物生產，但仍會導致抗藥性病原菌的出現［5-6］。2019年7月，中華人民共和國農業農村部發布第194號公告，飼料無抗已迫在眉睫，因此尋找合適的抗生素替代品，成為動物生產的一項重要任務。

益生菌是一類對宿主（人類或動物）有益的活性微生物［7］，包括細菌、真菌（如酵母）等，能夠有效提高動物生產性能［8-9］和對疾病的抵抗力［10］，同時能夠抑制耐藥性細菌的生長［11-12］，在畜禽生產中具有替代抗生素的潛力。動物消化道中存在著大量的微生物，包括細菌、原蟲、病毒及真菌等［13］。與成年階段相比，新生或幼齡動物的消化道微生物更易受日糧等因素的影響，且該影響作用持續時間更長久［14］。因此，合理利用益生菌調控消化道微生物和宿主之間建立早期的積極互作，對于促進其消化道免疫功能的建立、提高生產性能具有長效作用［15］。本文介紹了益生菌的潛在作用機制，對近10年來利用高通量測序技術研究益生菌調控幼齡畜禽（仔豬、雛雞和反芻動物）消化道微生物的進展進行了總結和歸納，并提出了未來研究方向，包括益生菌如何通過與消化道微生物互作影響其功能，益生菌對于幼齡畜禽不同健康狀態下腸道微生物的影響，以及宿主因素如何影響益生菌對于幼齡畜禽消化道微生物的作用效果。

1 益生菌的潛在作用機制

作為有效的益生菌，必須保證其自身能夠耐受消化道的特殊環境（溫度、pH等），能夠附著在消化道上皮細胞上，在此基礎上，產生抗病原微生物的物質，并在消化道中發揮持續的益生作用［16］。益生菌在動物消化道中發揮作用的潛在機制主要包括3個方面：首先，益生菌通過多種途徑抑制病原微生物的生長，具體表現在：（1）益生菌與病原微生物競爭有限的營養源、能量以及消化道結合位點，從而限制病原微生物生長。青春雙歧桿菌（Bifidobacterium adolescentis）S2-1能夠與牙齦卟啉單胞菌（Porphyromonas gingivalis）競爭維生素K，從而抑制其生長［17］。（2）益生菌通過產生抗微生物成分包括細菌素、有機酸、過氧化氫等，抑制病原微生物生長，如卷曲乳桿菌（Lactobacillus crispatus）F117和 副 干 酪 乳 桿 菌（Lactobacillus paracasei）F2/F28均能夠通過產生大量的過氧化氫來抑制金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的生長［18］。此外，益生菌產生的乳酸、有機酸能夠通過降低消化道pH，從而抑制沙門氏菌和大腸桿菌等病原微生物的生長［19］。其次，益生菌能夠作用于宿主消化道上皮細胞和樹突細胞，促進上述細胞產生消化道黏液或防御素［20-21］，提高緊密連接以及屏障功能［22］，防止促炎性細胞因子導致的細胞凋亡［23］。主要體現在 ：乳桿菌［24-25］、鏈球菌［26］及雙歧桿菌［27］等益生菌能夠通過纖毛附著在宿主消化道細胞上。在成功黏附后，肽聚糖（革蘭氏陽性菌）和脂多糖（革蘭氏陰性菌）等益生菌細胞壁成分與消化道上皮細胞和樹突細胞模式識別受體相互作用，促使后者產生黏液或防御素［28］。此外，益生菌產生的細菌黏附素如黏液結合蛋白也有利于其結合宿主樹突細胞，從而發揮其吞噬作用［29］。第三，益生菌可能通過調控宿主特異性免疫功能來發揮作用，主要表現在乳酸菌對腸淋巴組織的調控作用［30］。乳酸菌的免疫活性不僅體現在調控Toll樣受體（TLR）表達、激活樹突細胞和自然殺傷細菌等非特異性免疫反應，還體現在調控調節性T細胞（Treg）應答以及特異性免疫球蛋白A的分泌等免疫反應［31］。例如，脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）［32］及梭菌屬（Clostridium）IV［33-34］等能夠提高無菌小鼠結腸Treg細胞的數量；嬰兒型雙歧桿菌（Bifidobacterium infantis）能夠促進感染沙門氏菌的小鼠消化道Treg細胞的生成［35］；健康的人服用嬰兒型雙歧桿菌35624 后，其Treg細胞表達量提高。此外，其外周血液中的白介素-10分泌功能增加［36］。盡管在人類和實驗動物上的研究一定程度上揭示了益生菌的作用機制，但上述機制是否同樣能夠解釋益生菌與畜禽消化道微生物的相互作用，還有待于進一步探索。

2 益生菌調控幼齡畜禽消化道微生物的研究進展

基于高通量測序技術研究益生菌調控幼齡畜禽消化道微生物的報道主要集中在近10年，但總體研究數量仍比較少。在仔豬和雛雞上研究應用較多的益生菌包括乳桿菌屬、腸球菌屬及芽孢桿菌屬等；在幼齡反芻動物上研究應用較多的益生菌為酵母。上述益生菌的主要益生作用體現在提高幼齡畜禽消化道有益微生物的豐度，降低有害微生物的豐度。但在不同動物品種之間，具體益生作用有較大的區別，一方面是由于不同動物使用的益生菌菌種/株存在差異；另一方面是由于不同動物消化道微生物存在差異。因此，本節將圍繞不同益生菌對不同品種的幼齡動物（仔豬、雛雞及反芻動物）消化道微生物組成的影響作具體闡述。

2.1 益生菌調控仔豬消化道微生物的研究

在仔豬上研究應用的益生菌主要包括乳桿菌屬（Lactobacillus）［37-39］、腸球菌屬（Enterococcus）［40-43］、芽 孢 桿 菌 屬（Bacillus）［44-45］以 及 丙 酸 桿 菌屬（Propionibacterium）［46］（ 表 1）。 上 述 益 生 菌調控仔豬消化道微生物的主要作用包括提高了普 雷 沃 氏 菌 科（Prevotellaceae）［39］、 雙 歧 桿 菌科（Bifidobacteriaceae）［39］、 小 桿 菌 屬（Dialisterspp.）［38］和光岡菌屬（Mitsuokellaspp.）［38］、乳桿菌目 /屬［40，42，44］和梭菌屬（Clostridium）的相對豐度。其中，普遍認為普雷沃氏菌是畜禽消化道中的一類有益微生物，與分解植物源的飼料成分密切相關［47］；雙歧桿菌也是人和動物消化道菌群的重要組成成員之一，其能夠分解碳水化合物生成乳酸，對于維持消化道健康和菌群穩定具有重要作用［48］；小桿菌屬與消化道短鏈脂肪酸產量呈正相關，對于維持消化道免疫功能具有重要作用［49］；光岡菌屬中的M.jalaludinii菌種具有分解植酸磷的作用［50］。除提高有益微生物的相對豐度外，上述益生菌能夠降低腸桿菌科（Enterobacteriaceae）［38］、韋榮氏球菌科（Veillonellaceae）［41］、假單胞菌屬（Pseudomonas）［43］、變形菌門（Proteobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）的相對豐度。腸桿菌科包含的大腸桿菌（Escherichia coli）存在多個致病性菌株，如大腸桿菌O157∶H7和S102-9，可引起動物感染性腹瀉或腸炎［51-52］；韋榮氏球菌科可能會引起消化道膽酸濃度過高，影響消化道健康，也是炎癥性腸炎的標記物之一［53-54］。然而也有研究表明，添加益生菌對仔豬消化道微生物無顯著影響［37，46］，說明了益生菌和宿主及微生物之間互作的復雜性，受到益生菌的類型、添加方法、劑量及動物因素（如品種、飼養方式和試驗周期）等的影響。

表1 基于高通量測序技術應用益生菌調控仔豬消化道微生物的研究

2.2 益生菌調控雛雞消化道微生物的研究

與仔豬上的研究類似，肉雞飼糧中常用的益生菌包括乳桿菌［55-58］、腸球菌［59-60］、芽孢桿菌［61-63］及多菌種的組合［64-65］（表2）。益生菌對雛雞消化道微生物的影響主要體現在降低了潛在病原微生物的相對豐度，如羅伊氏乳桿菌KUB-AC5降低了回腸食糜氣單胞菌屬（Aeromonas）和彎曲桿菌目（Campylobacterales）的相對豐度［55］；屎腸球菌（E.faecium）NCIMB 10415降低了排泄物中埃希-志賀菌屬（Escherichia-Shigella）［60］。氣單胞菌屬和彎曲菌目是雞肉中常見的病原微生物［66］，彎曲桿菌屬是最常見的食物源性病原微生物［67］，能夠引起一系列人類消化道疾病，而家禽及其產品是重要的彎曲桿菌感染源［68］。此外，埃希-志賀菌屬也包含了大量潛在病原微生物，如上述致病性大腸桿菌（E.coliO157∶H7、E.coliS102-9），因此，降低這些潛在病原微生物的相對豐度，對于降低家禽消化道疾病風險，提高其免疫性能及生產性能具有重要意義。另一方面，添加益生菌后，乳桿菌、瘤胃球菌、腸球菌等豐度升高。上述益生作用可能與益生菌促進消化道免疫功能有關，如添加乳桿菌［58，69］、腸球菌［59，70］，梭菌屬［71］或復合益生菌能夠提高雛雞血清免疫球蛋白M、A、G的濃度，進而降低了致病菌的數量。此外，添加益生菌能夠提高雛雞空腸黏膜免疫型免疫球蛋白A［72］、杯狀細菌數量和中性黏液的產量［73-74］，上述免疫相關物質均能夠保護禽類腸黏膜免受有害菌的破壞，從而保持黏膜穩態［70］。

2.3 益生菌調控幼齡反芻動物消化道微生物的研究

幼齡反芻動物由于瘤胃尚未完全發育，其消化道結構類似于單胃動物［75］。研究表明，犢牛出生后1-3 d內，瘤胃中已經存在以變形菌門、硬壁菌門和擬桿菌門為主的大量微生物［76］，說明這些微生物可能在瘤胃發育及功能完善的過程中起到重要作用。飼糧因素如益生菌對幼齡反芻動物消化道微生物的研究仍較少，研究表明，代乳粉中添加5種益生菌組合，包括解淀粉芽胞桿菌（B. amyloliquefaciens）H57、小孔芽孢桿菌（B. foraminis）VTM4R85、堅強芽孢桿菌（B. firmus）VTM2R84、地衣芽孢桿菌（B.licheniformis）VTM2R66、地衣芽孢桿菌VTM1R74和腐生葡萄球菌（Staphylococcus saprophyticus bovis）VTM1R96能夠提高新生羔羊瘤胃液中普雷沃氏菌科、瘤胃球菌科相對豐度，降低毛螺菌科的相對豐度［77］；新生犢牛代乳粉中添加布拉迪酵母（S.boulardii）CNCM I-1079，瘤胃液中只有瘤胃球菌科UCG-008相對豐度顯著降低，其他微生物相對豐度沒有變化。此外，布拉迪酵母CNCM I-1079［78］顯著降低了盲腸黏膜鏈球菌屬（Streptococcus）的相對豐度，鏈球菌屬中有多個菌種具有致病性，如釀膿鏈球菌（S.pyogenes）和肺炎鏈球菌（S.pneumoniae）；降低了回腸黏膜艱難梭菌屬（Peptoclostridium）的相對豐度，艱難梭菌屬是引起腹瀉的一種病原菌［79］；提高了回腸黏膜纖維桿菌屬（Fibrobacter）、羅斯氏菌屬（Roseburia）和歐氏菌屬（Olsenella）的相對豐度，羅斯氏菌是一種產丁酸菌，不僅能夠為消化道細胞提供能量，而且還具有抗炎癥的作用，有利于維持正常免疫功能［80-81］；歐氏菌是一種乳酸菌，具有耐膽汁酸的特性且能夠利用黏蛋白［82-83］。但也有研究表明，或布拉迪酵母CNCM I-1079對犢牛糞便微生物無顯著影響［84］，這可能是由于糞便微生物并不能夠代表整個消化道的微生物變化情況。相比較在仔豬和雛雞上開展的大量益生菌調控消化道微生物的效果研究，益生菌調控幼齡反芻動物的研究仍處在起步階段。基于此，有必要進一步開展相關研究，為合理有效使用益生菌促進幼齡反芻動物長期健康和提高其生產性能奠定基礎。

表2 基于高通量測序技術應用益生菌調控雛雞消化道微生物的研究

3 未來研究方向

大量研究表明，益生菌具有替代抗生素的潛力。但由于目前對于益生菌的作用機制尚未完全明確，因此在一定程度上限制了益生菌的合理有效利用。為解決這一問題，今后需要更多研究來闡明益生菌與消化道微生物互作，以及這種互作如何進一步影響畜禽消化道功能和健康及生產性能。

第一，除了明確益生菌對消化道微生物組成的影響之外，還需要進一步明確其對消化道微生物功能的影響，因為最終在生態系統中起重要作用的是微生物功能，而不是其組成［85］。事實上，已有研究表明環境微生物的功能與其組成相比更具有保守性和相關性［86-87］。由此可推斷，益生菌引起的微生物組成上的變化并不一定能夠引起或反映功能的變化。因此，今后需要更多基于宏基因組或宏轉錄組的研究，來探索益生益引起的微生物相關基因或轉錄因子的變化，從而幫助我們更好地理解益生菌和微生物之間的互作。

第二，益生菌的益生作用不應僅限于在健康動物上的研究，還需要研究在非正常狀態（如應激/疾病）下的作用效果，在雞［88］、豬［89］和犢牛［90］上的研究表明，益生菌對于健康動物消化道微生物的作用效果并不一定能在應激或疾病狀態下表現出來，這可能是因為在不同健康狀態下動物消化道微生物群落也存在差異，因此需要明確在不同健康狀態下動物消化道的核心微生物組成，從而為精確篩選益生菌菌株，有效調控消化道微生物，為治療疾病或緩解應激奠定基礎。

第三，相比在仔豬和雛雞上面的研究，益生菌對幼齡反芻動物消化道微生物的影響仍較為有限。反芻動物擁有獨特的消化道結構，瘤胃微生物能夠發酵利用高纖維素含量的飼料［91］；另一方面，由于瘤胃微生物的存在，外源益生菌可能由于競爭或不適應瘤胃特殊的環境（溫度、pH）而無法定植［92］，因此有必要充分研究益生菌和瘤胃微生物的互作，從而開發能夠適應瘤胃環境且能有效調控瘤胃發酵功能的益生菌。

第四，除微生物因素外，宿主遺傳因素以及環境因素也會影響益生菌的作用效果，在小鼠上的研究表明，上述因素是造成微生物個體差異的重要原因［93］。近年來研究也表明了宿主遺傳因素對牛瘤胃微生物的個體差異存在顯著影響［94-95］，在牛上有些可遺傳的微生物與SNP（單核苷酸多態性）存在相關性［96］；當然，也有研究表明雞的消化道微生物不受宿主遺傳因素（SNP）的影響［97］，造成上述研究結果存在差異的原因仍不明確，因此還需要繼續探索環境（如養殖場和飼糧）和宿主遺傳因素（如品種和性別）如何決定個體微生物差異，以及后者如何影響益生菌調控效果，從而有針對性地篩選益生菌，促進動物健康和生產性能。

4 小結

益生菌能夠有效提高畜禽健康和生長性能，盡管其調控機制尚未明確，但益生菌和消化道微生物互作可能很大程度上決定了益生菌的有益作用效果。目前關于益生菌和幼齡畜禽消化道微生物互作的研究非常有限，在一定程度上限制了益生菌的有效應用。組學技術的發展，為更深入了解益生菌的作用效果和機制提供了可能，因此，今后有必要利用多組學技術，針對性地研究具體的益生菌菌株、宿主因素等如何影響幼齡畜禽消化道微生物的組成和功能。