反芻動物腸道菌群對飼料利用效率調節效應的研究進展

程新東 辛國省 伍修錕 楊 果*

(1.寧夏大學農學院，銀川 750021；2.中國科學院西北生態環境資源研究院，蘭州 730030；3.甘肅省寒區旱區逆境生理與生態重點實驗室，蘭州 730030；4.寧夏大學生命科學學院，銀川 750021)

隨著我國居民消費水平的提高和膳食結構的改變，對反芻動物肉和奶制品的需求持續增加。在畜牧業的發展中，降低飼養成本、提高飼料利用效率、減少環境污染是核心的科學問題。飼養飼料利用效率高的動物不僅可以降低成本，還可以產生更少的甲烷排放，減少對大氣環境的污染，緩解溫室效應[1-2]。胃腸道菌群作為反芻動物的“第二基因組”[3]受到廣泛關注，基因組、轉錄組、代謝組等多組學技術的發展促進了反芻動物胃腸道菌群的組成和作用機制的認知，大量研究表明反芻動物瘤胃和腸道菌群作為中間介質共同影響著宿主對飼料的消化吸收。其中，反芻動物的瘤胃發酵產生的揮發性脂肪酸(VFAs)提供每日能量的70%，盲腸也可以發酵纖維物質影響宿主的飼料利用效率[4]。目前，反芻動物腸道菌群的研究較少，本文就反芻動物腸道菌群的結構、對飼料利用效率的調節效應以及調控措施等方面的相關研究進行總結分析，為未來調控反芻動物飼料利用效率和腸道菌群的研究提供一定思路。

1 飼料利用效率

飼料轉化率(FCR)常用來表示飼料利用效率，與飼料利用效率呈負相關，被廣泛用于畜牧生產和研究中。剩余采食量(RFI)是另一個常用于評估反芻動物營養生理的概念，RFI定義為動物實際采食量和預測采食量(基于體重和生長情況計算)之間的差異。RFI值越低，動物的飼料利用效率就越高。RFI受到食欲、進食行為、瘤胃發酵和胃腸道菌群組、腸道吸收和細胞形態、線粒體功能和生理應激、基因組成與環境互作等因素的綜合影響[5]。在綿羊的相關研究中，RFI與FCR具有顯著相關性，與干物質采食量(DMI)極顯著相關，與FCR相比更能準確地反映飼料利用效率[6]。

2 反芻動物腸道菌群的多樣性

反芻動物腸道結構如圖1所示。腸道作為反芻動物的后消化道，是消化吸收營養物質的重要場所，其中定植的微生物具有重要作用。反芻動物腸道pH的差異、腸蠕動、氧化還原電位、營養物質供應和宿主分泌物等的不同造就了腸道不同區域間細菌豐富度和多樣性的不同[8]。Wang等[9]根據小尾寒羊菌群組成的相似性，將其腸道菌群分為小腸(十二指腸、空腸和回腸)菌群和大腸(盲腸、結腸和直腸)菌群2大部分。研究發現，小腸中的優勢菌屬為埃希氏菌屬(Escherichia)、未分類毛螺菌科(unclassified Lachnospiraceae)和瘤胃球菌屬(Ruminococcus)。大腸中主要的菌屬是瘤胃球菌屬、未分類瘤胃菌科(unclassified Ruminococcaceae)和普氏菌屬(Prevotella)。

圖1 牛的腸道結構

在牛的腸道中，十二指腸菌群主要由厚壁菌門(Firmicutes)和放線菌門(Actinobacteria)組成。厚壁菌門主要包括瘤胃菌科、毛螺菌科和韋榮氏球菌科(Veillonellaceae)等。與小腸的其余部分相比，十二指腸中毛螺菌科的相對豐度較高，這可能與該區域存在的瘤胃液有關。?？漳c菌群與回腸菌群結構類似，在門水平上厚壁菌門皆占大多數，其次是擬桿菌門(Bacteroidetes)。厚壁菌門主要由梭菌科(Clostridiaceae)、蘇黎世桿菌科(Turicibacteraceae)和瘤胃菌科組成。盲腸是反芻動物發酵的第2個主要部位。在盲腸中厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門(Proteobacteria)是主要的菌門，在厚壁菌門中梭菌科和瘤胃菌科是主要菌科，其次是毛螺菌科和蘇黎世桿菌科。與小腸相比，盲腸中菌群多樣性和豐度增加，與盲腸中消化物的停留時間和養分發酵時間加長有關。結腸的菌群在門和科水平上都與盲腸相似，擬桿菌門以帕拉普氏菌科(Paraprevotellaceae)、普氏菌科(Prevotellaceae)和擬桿菌科(Bacteroidaceae)為主[10-11]。

在其他反芻動物中也有類似發現。He等[12]對雙峰駝的腸道菌群測序分析發現，其以厚壁菌門、疣微菌門(Verrucomicrobia)和擬桿菌門為主，腸道中的優勢菌屬為阿克曼氏菌屬(Akkermansia)、纖維桿菌屬(Fibrobacter)、普氏菌屬和未分類瘤胃菌科。而在斯瓦爾巴德群島馴鹿的腸道菌群中，最豐富的門是厚壁菌門和擬桿菌門，梭菌目(Clostridiales)和擬桿菌目(Bacteroidales)為優勢菌群[13]。駱駝和馴鹿的腸道菌群組成與牛、羊有一定的相似性，但不同的物種、生存環境和采食等造就了菌群組成的明顯差異。

3 反芻動物腸道菌群與飼料利用效率的相關性

3.1 腸道菌群與宿主新陳代謝

反芻動物的腸道菌群能以多種形式參與宿主新陳代謝的調節，并與宿主相互作用。在反芻動物的多糖、蛋白質消化吸收，氨基酸、脂多糖、維生素合成等代謝途徑中有重要作用[14]，并參與短鏈脂肪酸、膽汁酸、多酚代謝等多種代謝途徑的調節，通過信號傳導，調節多個器官組織的活動，從而影響反芻動物的健康和生產性能[4,15]。

3.2 反芻動物腸道菌群與飼料利用效率

牛、羊的腸道菌群組成上有很大的相似性，飼料利用效率不同的牛、羊腸道主要菌群間的相對豐度和多樣性差異較小，但在少數關鍵菌群間存在明顯差異。

在十二指腸中，艱難桿菌科(Mogibacteriaceae)、芽孢桿菌屬(Bacillus)和普氏菌屬的豐度與飼料利用效率均呈負相關[11]。由于瘤胃和十二指腸位置的鄰近性，艱難桿菌科、普氏菌屬與其在瘤胃中的作用相同，其豐度均與飼料利用效率顯著相關[16-17]。反芻動物中艱難桿菌科的相關研究較少，小鼠腸道菌群中艱難桿菌科豐度升高會減少脂肪增加量，減輕體重[18]。芽孢桿菌屬的豐度與飼料利用效率呈負相關，芽孢桿菌的豐度與飼料利用效率的關系尚未有研究報告，潛在機制可能是芽孢桿菌降低了促進機體吸收養分微生物的活性。在低平均日增重(ADG)閹牛的十二指腸中，普氏菌屬豐度更高；普氏菌屬可降解多糖和蛋白質含量，并參與多種維生素的合成，影響宿主的飼料利用效率[11]。

空腸是氨基酸、葡萄糖和脂肪酸吸收的主要部位。在空腸中，菌群豐度變化對飼料利用效率有重要作用，艱難桿菌屬(Mogibacterium)、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、棒狀桿菌科(Corynebacteriaceae)、紅蝽菌科(Coriobacteriaceae)、YS2目、脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)、根瘤菌目(Rhizobiales)等的豐度與飼料利用效率間有顯著的相關性[11,19]。其中，艱難桿菌屬的豐度與飼料利用效率呈負相關。艱難桿菌屬是糖酵解性細菌，與氨同化有關，可利用氨合成苯丙氨酸的前體苯乙酸，增加牛的氮消化，減輕體重[20]。丁酸弧菌屬是毛螺菌科中的革蘭氏陽性細菌，可分解纖維物質、果膠、淀粉等多糖產生丁酸鹽，在空腸中可用糖類作為底物[19,21]。其產物丁酸鹽可以在轉錄水平上調節牛的脂肪細胞中瘦素的表達，減少食物攝入量并增加能量消耗[22]。乳酸桿菌常作為益生菌使用，其在空腸中其豐度與ADG呈負相關的具體原因尚不明確。但有研究發現，乳酸桿菌豐度在肉牛的瘤胃菌群中與RFI呈負相關[23]，可能是該屬的某些菌種與膽汁酸解偶聯導致脂質吸收減少，從而降低宿主ADG[24]。棒狀桿菌屬(Corynebacterium)豐度與ADG呈負相關，反芻動物腸道的相關研究較少，在肥胖人群的腸道菌群中也有類似發現[25]。紅蝽菌科在高飼料利用效率的豬盲腸中也有較高的豐度，具有調節宿主動物脂質代謝的作用[26]。YS2是藍細菌門(Cyanobacteria)中唯一的非光合藍細菌，其在腸道中的作用尚未有報道。在奶牛瘤胃菌群中，YS2的相對豐度與產奶量、乳品質以及飼料利用效率都存在正相關性[27]。脫硫弧菌屬也大量存在于牛的瘤胃中，但尚不清楚與飼料利用相關的潛在機制[28]。大鼠腸道脫硫弧菌屬豐度降低可減少高脂飲食引起的肥胖，與ADG呈正相關[29]。根瘤菌科(Rhizobiaceae)常被認為是土壤中的固氮細菌[30]，空腸中的可能來自于飼糧中豆類植物，其所包含的菌種可能在促進反芻動物消化吸收方面有潛在的作用機制。

在回腸中，艱難桿菌科和紅蝽菌科豐度與飼料利用效率呈正相關[11]，空腸中也有類似結果；芽孢桿菌屬豐度與飼料利用效率呈負相關，這與其在牛十二指腸和瘤胃菌群中效果類似。回腸中布雷德菌屬(Bulleidia)的豐度與ADG呈正相關。布雷德菌屬與脂質代謝有關，在生物氫化中有潛在作用[31]。在反芻動物回腸中與其在人十二指腸中的功能相似，高豐度的布雷德菌屬與肥胖顯著相關[32]。

盲腸是反芻動物腸道發酵的主要部位。在盲腸中，普氏菌屬、瘤胃球菌屬、擬桿菌屬(Bacteroides)、布勞特氏菌屬(Blautia)、丹毒絲菌科(Erysipelotrichaceae)、薩特氏菌屬(Sutterella)和RF39的豐度均與飼料利用效率有顯著相關性[11,33-34]。普氏菌屬、瘤胃球菌屬、布勞特氏菌屬均參與盲腸的發酵，能分泌纖維素酶、木聚糖酶、α-葡萄糖苷酶等多種碳水化合物活性酶，分解纖維素、半纖維素和淀粉等[35]。由于盲腸與瘤胃功能的相似性，其中定植菌群的結構和功能也存在一定的相似性。據報道，擬桿菌屬也是牛瘤胃中的優勢菌群，可以分解纖維素等多糖，與飼料利用效率相關[23,36]。布勞特氏菌屬在牛瘤胃菌群中的豐度與普氏菌屬豐度呈正相關，與飼料利用效率呈負相關[37]。在高飼料利用效率的肉牛盲腸中，丹毒絲菌科相對豐度較高。丹毒絲菌科與膽固醇代謝、肝臟脂肪變化有相關性，在肥胖倉鼠的腸道中豐度較高[38]。盲腸中的薩特氏菌屬和RF39的豐度也均與飼料利用效率呈正相關。薩特氏菌屬的豐度與葡萄糖代謝具有相關性，反芻動物相關研究較少。與其在大鼠結腸中的功能類似，在體重減少的大鼠結腸中薩特氏菌屬的豐度顯著降低[39]。RF39屬于柔膜菌綱(Mollicutes)，在肉牛盲腸中與其在大鼠盲腸中的作用相似，其豐度與脂肪含量增加呈正相關[40]。

在結腸菌群中，擬桿菌屬、布勞特氏菌屬、丁酸弧菌屬、糞球菌屬(Coprococcus)、顫螺菌屬(Oscillospira)和普氏菌屬的豐度都與飼料利用效率存在顯著相關性[11,41]。普氏菌屬、擬桿菌屬和布勞特氏菌屬都與多糖分解有關，由于位置鄰近，均與在盲腸菌群中的作用相似。丁酸弧菌屬在不同效率的瘤胃、空腸中也存在差異。糞球菌屬能發酵碳水化合物，在飼喂高抗性淀粉的豬結腸和盲腸中豐度顯著增加，與麥芽糖、6-磷酸葡萄糖、谷氨酸和谷氨酰胺等代謝產物含量呈正相關[42]。顫螺菌屬(Oscilliospira)在反芻動物腸道中的研究很少，其也存在于人腸道菌群中，但未被培養過，可以代謝多糖產生丁酸鹽，與促進形成瘦肉的小克里斯滕森氏菌(Christensenellaminuta)高度相關，且在非肥胖人群腸道中豐度較高，與人的身體質量指數(BMI)呈負相關[43]。

在糞便菌群中，不同飼料利用效率的牛在毛螺菌科、瘤胃菌科、普氏菌屬和新美鞭菌科(Neocallimastigaceae)的豐度上存在顯著差異[33,44]。這幾種細菌的豐度也在反芻動物腸道其他腸段與飼料利用效率有相關性。新美鞭菌科是反芻動物的消化道中大量存在的真菌，可分泌降解細胞壁的酶和細胞外多酶復合物，在纖維的分解中發揮關鍵作用[45]。

羔羊的飼料利用效率與腸道菌群也存在相關性。Perea等[46]對2組飼料利用效率差異顯著的公羔羊的十二指腸、空腸、回腸、結腸和直腸菌群測序分析，發現腸道中的差異菌群為在纖維降解中發揮作用的纖維桿菌門(Fibrobacteres)、瘤胃菌科和Saccharofermentans，與健康有關的雙歧桿菌科(Bifidobacteriaceae)和克里斯滕氏菌科(Christensenellaceae)以及與生態失調相關的變形菌門。有研究發現，林麝的腸道菌群中瘤胃球菌屬、阿克曼氏菌屬、顫螺菌屬、糞球菌屬的豐度與ADG存在正向調節作用[47]。這些菌群也在牛和羊的腸道消化吸收中發揮重要作用，進而調節宿主生長。

3.3 腸道菌群對反芻動物營養物質吸收的影響

腸道是反芻動物營養物質吸收的主要場所，不同的腸道菌群也會造成物質吸收效率的差異。飼料利用效率高的動物也具有高的氮利用率和低的甲烷排放量[48]。Wang等[49]通過高通量16S rRNA基因測序研究發現努比亞山羊腸道細菌結構與氮利用率之間存在顯著的相關性。氮的利用率與空腸細菌中的瘤胃球菌屬、Candidatus_Saccharimonas和糞球菌屬豐度呈負相關；與結腸中的丹毒絲菌UCG-004屬(Erysipelotrichaceae_UCG-004)、阿克曼氏菌屬和甲烷粒菌屬(Methanocorpusculum)豐度呈正相關；與盲腸中的瘤胃球菌UCG-002屬(Ruminococcaceae_UCG-002)、厭氧弧菌屬(Anaerovibrio)和瘤胃球菌UCG-007屬(Ruminococcaceae_UCG-007)豐度呈正相關。進入宿主小腸的蛋白質中大約70%是瘤胃合成的微生物蛋白，但小腸和大腸在蛋白質代謝中也有重要作用。瘤胃菌科可以分解纖維素，促進氮的吸收利用，在盲腸中其豐度與氮利用率呈正相關，而空腸中的瘤胃球菌屬的功能可能與其他菌種不同。結腸中的甲烷粒菌屬可以促進纖維素分解和含氮物質的消化吸收，從而減少了甲烷排放[50]。

腸道菌群還影響反芻動物對礦物質元素的吸收。Liu等[51]對高鈣消化率和低鈣消化率的努比亞山羊腸道微生物進行16S rRNA擴增子測序分析發現，結腸中纖維桿菌屬和盲腸中丁酸弧菌屬的豐度與鈣的真消化率呈負相關。腸道菌群代謝產生的短鏈脂肪酸形成酸性環境可能會提高鈣的吸收[52]。丁酸弧菌屬可能通過產生丁酸鹽影響鈣的吸收。小鼠和人相關研究發現，產丁酸鹽細菌的豐度增加，特定丁酸鹽的類型和濃度都可以提高腸道對鈣的吸收利用[53-54]。山羊菌群中的丁酸弧菌屬則相反，這可能與宿主差異及細菌的分類注釋水平有關，種水平上不同的微生物具有不同的生物學功能。高磷消化率和低磷消化率的山羊腸道菌群也存在差異，磷的真消化率與空腸菌群中的脫硫弧菌屬、纖維桿菌屬、普氏菌屬的豐度呈正相關；與盲腸中的脫硫弧菌屬的豐度呈正相關[55]。腸道細菌能夠分泌植酸酶水解植酸來提高飼料中磷的真消化率，也有研究發現這可能是相關菌群通過代謝物石膽酸，以腸細胞維生素D受體依賴的方式增加了反芻動物腸道對磷和鈣的吸收[56]。

4 反芻動物腸道菌群的調控措施

隨著現代生物技術的發展，特別是多組學技術在動物營養學和飼料學領域的運用，更深入地揭示了不同營養素與腸道相關菌群及其代謝物間的作用和機理。飼糧中添加益生菌制劑和菌群移植是最直接有效調節腸道菌群結構、菌群組成和功能的措施。

4.1 益生菌

益生菌不僅在調節反芻動物的瘤胃和腸道菌群結構，提高生產性能，而且在增強機體免疫力和健康恢復等方面均具有益生作用，因此被廣泛用于畜牧生產中。常用作飼料添加劑的益生菌有乳酸菌、雙歧桿菌、芽孢桿菌、丁酸梭菌、酵母菌、黑曲霉等。

益生菌制劑可以調節動物腸道消化吸收，提高生產性能。Apas等[57]用羊源的乳桿菌(LactobacillusreuteriDDL 19,LactobacillusalimentariusDDL 48)、糞腸球菌(EnterococcusfaeciumDDE 39)、雙歧桿菌(BifidobacteriumbifidumDDBA)制成的混合菌劑飼喂山羊后，腸道菌群平衡改變，沙門氏菌(Salmonella)豐度減少，有益菌雙歧桿菌和乳酸菌增加，山羊的體重顯著增加，糞便中腐胺含量顯著減少。益生菌在提高宿主生產力的同時，也能增加其免疫力。在薩能奶山羊飼糧中添加釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)和糞腸球菌(Enterococcusfaecalis)，腸道中的擬桿菌、埃希氏菌屬-志賀氏菌屬(Escherichia-Shigella)和克里斯滕氏菌科(Christensenellaceceae)的豐度降低，琥珀酸弧菌科(Succinivibrionaceae)豐度增加，羊奶產量提高，乳蛋白率、乳糖率、乳脂率顯著提高[58]。在荷斯坦奶牛飼糧中添加乳桿菌(Lactobacilluscasezhang和LactobacillusplantarumP-8)，奶牛腸道中瘤胃球菌屬等有益菌的豐度增加，蠟樣芽孢桿菌等條件致病菌豐度顯著下降，奶牛的產奶量增加，乳品質也得到提高[59]。

4.2 菌群移植

糞菌移植(FMT)是通過將健康供體的糞便移植到受體腸道以恢復其腸道菌群正常功能的一種技術手段。FMT作為傳統中醫治療手段的改良，被廣泛用于艱難梭菌感染(CDI)、潰瘍性結腸炎(UC)、克羅恩病(CD)、腸易激綜合征(IBS)、放射性腸炎等人類疾病的治療，并對腸腦軸疾病、肝病、糖尿病、癌癥等有良好的治療效果[60]。

在動物生產中，FMT可以有效改善被動免疫失敗的犢牛腸道菌群結構和腸道上皮的屏障功能，對犢牛的生長和健康狀況產生積極影響[61]。FMT還可以增加早產豬腸道菌群多樣性和少數菌群豐度，改善了免疫細胞聚集和黏膜抵抗力，減少了腸炎患病率[62]。但也有研究發現，高飼料利用效率豬的腸道菌群移植到妊娠母豬和仔豬體內后，結果并沒有改善飼料利用效率，還造成腸道損傷，并降低了ADG[63]。這可能與所選供體、所移植的菌群以及移植方法有關。因此，反芻動物FMT需要參照人醫，建立標準化制備流程，嚴格篩選供體，改善菌群移植方法，以提高菌群的移植效率和安全性。

除FMT技術外，反芻動物生產中常用的菌群移植方法是喂服瘤胃液。幼齡反芻動物的瘤胃和胃腸道菌群不成熟并且對微環境敏感，直接通過喂服瘤胃液進行菌群移植的有效性高。在羔羊斷奶前反復喂服新鮮瘤胃液可加速瘤胃發育和腸道菌群的建立，增加菌群的多樣性，改善菌群組成，調節羔羊腸道微生態[64]。給羔羊喂服瘤胃液還能增強腸道中Toll樣受體的表達，釋放更多的免疫相關因子，維持腸道黏膜局部免疫應答[65]。另外，喂服瘤胃液還可以減少羔羊的斷奶休克，在8周后可以顯著提高平均日采食量(ADFI)和ADG，促進其生長發育[66]。

5 小 結

雖然瘤胃菌群一直是反芻動物微生物組研究的重點，但腸道菌群與飼料利用效率間也存在顯著相關性，在實際生產中可通過糞便菌群監測宿主表型和健康狀況，調控腸道菌群提高反芻動物的生產效率，反芻動物腸道菌群具有重要的研究意義。

目前，針對反芻動物的腸道菌群研究較少，且主要集中于細菌種屬上，腸道中的古菌、真菌、原蟲、病毒等微生物對宿主的調節作用有待深入研究。反芻動物菌群的研究還應考慮整體與部分相結合，既要探索口腔、胃、腸道的菌群結構功能，又要對消化道菌群進行整體研究。由于微生物的研究受多種因素影響，在試驗設計、操作方法和生物信息學的數據分析等方面都需要嚴格的操作程序才能保證試驗的準確性。將微生物培養組學、宏基因組、轉錄組、蛋白質組、代謝組等多種技術相結合以及多種生理系統(如血液、瘤胃和腸道內容物以及尿液、糞便等)的研究將提供有關宿主與其微生物組之間關系的更多信息。除營養調控外，在未來的研究中，將瘤胃和腸道微生物組與宿主飼料利用效率以及其他重要的生產參數(如遺傳型)進行關聯，對提高畜牧業的整體效率和可持續性具有重要意義。