高強度運動對摔跤運動員體成分及腸道菌群的影響

宋韡 湯麗群 張根生 徐璐 高帆

摘 要：目的：探究高強度運動對摔跤運動員體成分改變及腸道菌的影響。方法：對招募的30名長期參加系統性摔跤訓練的運動員進行為期4周高強度間歇性專項訓練，分別于運動干預階段前后測試體成分并采集糞便。糞便經質檢后提純DNA樣品，16SrRNA基因V4區進行PCR擴增并完成建庫;利用HiSeq平臺進行測序分析，將聚類生成的OTU比對數據庫完成物種注釋、多樣性分析及功能預測。結果：高強度運動干預后，運動員體重、BMI（身體質量指數）和體脂率顯著降低;摔跤運動員腸道菌多樣性增加不顯著，體內擬桿菌門（Bacteroidetes）擬桿菌屬（Bacteroides）為優勢菌，且擬桿菌與厚壁菌門（Firmicutes）比值增加，但柔嫩梭菌屬（Faecalibacterium）和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）豐度顯著降低。功能基因預測顯示，機體經過高強度運動，物質代謝反應和免疫能力增強，心血管疾病風險降低。

關鍵詞：

高強度運動;體成分; 腸道菌群;16SrRNA

中圖分類號：G804

文獻標識碼：A

文章編號：1008-2808（2021）05-0089-08

Abstract：

The purpose of the study is to explore the influence on body composition and intestinal bacteria of wrestlers with high intensity exercise.Research method： In this study， thirty wrestlers who have been taking part in systematic sports training for a long period of time were recruited. They were trained for four weeks with medium intensity and another four weeks with high intensity intermittently. During this testing period， their body composition was tested， as well as their feces samples were collected at different stages of sports intervention. After quality inspection， DNA samples were purified， 16SrRNA Gene V4 region was amplified by PCR methods and the database was established. This research select the HiSeq platform for sequencing， by comparing the OTU （generated by clustering） and database was used for species annotation， sample diversity analysis and function prediction. The results show that after the intervention of high-intensity exercise， the body weight， BMI index and body fat rate of selected athletes were significantly reduced， while the diversity of intestinal bacteria was not significantly increased. Specifically， Bacteroides which is belong to Bacteroidetesare is the dominant bacteria. The ratio of Bacteroides to Firmicutes increased. While Faecalibacterium and Bifidobacterium are significantly undermined. The prediction of functional genes showed that after high-intensity exercise， the response of body metabolism and immune ability were enhanced.

Key words：

High-intensity exercise;Body composition;Gut microbiota;16SrRNA

人體腸道內生存著1 000～1 500種不同類型的菌種，數量高達10[1]，且因其具有人體150倍之多的微生物編碼基因數而被稱為人體“第二基因庫”[2]。定植于人體消化道內的菌群通過其物種結構與多樣性影響人體代謝過程、機體免疫和神經調節[3]。如腸道菌利用膳食纖維發酵產生短鏈脂肪酸，與G蛋白耦聯受體結合，抑制脂肪沉積，參與甘油三酯的代謝過程[4]，此外短鏈脂肪酸可刺激腸內分泌腸源性5羥色胺，影響腸道傳出神經的興奮性[1]。但受宿主年齡、飲食結構、生活方式和遺傳背景等內外因素的影響，腸道菌呈現出較大的差異性[2]。運動作為獨立的外界環境刺激，對宿主各項生理機能和機體穩態調節具有積極有效的作用[5]。宿主經長期自主運動，腸道微生物組成于不運動條件下有明顯不同[6]。研究顯示，與久坐不動相比，運動可以刺激腸道菌群產生更強烈的改變，在促進代謝、降低脂肪組織炎癥、減輕體重中發揮重要作用[7]。

隨著國內外運動訓練的科學化發展，運動方式不再局限于單純的有氧運動，高強度間歇訓練已逐漸成為成年人運動的有效方式之一[8]。據相關文獻報道，高強度間歇運動更能高效動員機體各項生理機能，有望成為有氧運動的替代之選[9]。人體對不同運動強度和運動方式具有相應的應激性生理反應，腸道菌群也將隨之發生變化[10]。目前，國內外學者達成的暫時性共識是：對于普通人群，運動可以提高機體新陳代謝水平，提高腸道菌群多樣性，增加有益菌，抑制有害菌。研究顯示，自主運動或被動運動[11]、高強度或低強度運動[12]，以及長時間或短時間運動都對宿主腸道菌群結構及分布產生影響。隨著人體腸道菌群的結構和多樣性變化，腸道微生態環境隨之改變，內環境穩態也相應調節[13]，包括調節機體的新陳代謝和免疫能力等[14]。金澤宇等（2019年）對不同人群的腸道菌群宏基因組研究顯示[15]，運動員與同齡普通人群相比，腸道菌群在結構和代謝通路上存在較大差異，且長期參加運動的人群，腸道菌群多樣性明顯高于久坐人群。然而，針對專業的運動員，不同的運動強度尤其是高運動強度訓練對其腸道菌群的相關研究迄今為止仍然很少。本研究對長期參加訓練的摔跤運動員展開調查，通過分析高強度運動干預前后體成分、腸道菌群變化的情況，探討高強度運動對運動員減脂降體重，以及腸道菌穩定性及多樣性的影響。研究結果將為指導運動員科學訓練，健康協調發展提供數據支持。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

篩選30名省級摔跤運動員，其中22男8女，均為二級以上運動員，年齡為男性17.73±2.30歲，女性19.42±9.22歲;專項訓練年限為男性7.17±2.81年，女性8.00±2.12年;身高為男性1.75±0.05，女性1.70±0.07m;體重為男性77.65±12.98kg，女性72.71±10.79。納入標準：具有長期參加常規摔跤專項訓練經歷，飲食結構一致;排除標準：近期有傷病發生，不適宜進行高強度運動，近半年來服用過抗生素類藥物，發生過腹瀉便秘等胃腸疾病，收集樣本時使用過甘油等通便藥物。

1.2 測試方法

1.2.1 運動強度

受試者參加日常中等強度的摔跤專項技術及體能訓練（70%～80%VO2max）;之后參加為期4周的高強度間歇性訓練（80%～90%VO2max）。

1.2.2 體成分測試

采用”TANITA MC-980MA體成分儀分別在不同強度訓練階段對運動員進行測試[16]，電腦自動分析并記錄體重、身體質量指數（BMI）、體脂率（%）、水分率（%）、肌肉量（kg）。

1.2.3 樣本采集

分別于高強度間歇性運動干預前和高強度運動干預時期的第四周采集糞便，裝入糞便保存液（上海微基生物）轉至-80℃冰箱保存。同一天進行體成分測試、采集糞便工作。

1.2.4 樣本測序

取實驗對象的糞便保存液進行質檢，合格樣品30ng，與融合引物配置成PCR反應體系，進行PCR擴增，采用Agencourt AMPure XP磁珠純化PCR擴增產物，溶于Elution Buffer中，完成建庫。使用Aglient 2100 Bioanalyzer 對文庫片段范圍、濃度進行檢測。將合格的文庫根據插入片段的大小，選擇HiSeq[17]平臺進行測序（華大基因完成測序）。

1.2.5 數據分析

利用USEARCH（ver. 7.0.1090）將tags[5]聚類為相似度達97%的OTUs[18]，并繪制OTU Venn圖?；谪惾~斯算法，利用RDP classiffer工具進行物種組成分析[19]，繪制物種豐度柱狀圖。Picrust[20]軟件根據KEGG數據庫比對OTU功能基因，并采用Wilcox檢驗各組間的差異功能。采用SPSS2 3.0處理配對樣本T檢驗。

2 研究結果

2.1 高強度運動干預對運動員體重及體成分的影響

對30位摔跤運動員體重及體成分測試結果進

行配對樣本T檢驗分析（見表1），運動員在高強度運動干預前（以中等強度運動為主）和高強度運動階段呈現明顯的差異，受試者的體重、BMI（身體質量指數）和體脂率在高強度運動干預后呈顯著性降低，水分率和肌肉量的變化無顯著性。

2.2 高強度運動對運動員腸道菌群的影響

2.2.1 腸道樣本高通量測序及多樣性

所有腸道樣本共得到3，867，885條tags，按照97%的序列相似度可聚類成1 357條OTUs。由圖1可知，不同受試者的OTU數量各不相同，且在高強度運動干預前后，受試者OTU變化情況也存在較大的差異。其中16名受試者OTU數量表現為下降，其余數值增加。結合Alpha多樣性指數值分析（見圖2），在高強度運動干預后，受試者腸道菌群中OTU數量增多，其余shannon指數，simpson指數以及ace指數變化均無統計學意義（P>0.05），表明高強度運動干預后，受試者腸道菌群多樣性無顯著性改變。

2.2.2 腸道菌群組成及差異

采用基于貝葉斯算法的RPD classifier對OTU代表序列進行分類學鑒定，并在門綱目科屬種水平上統計樣本物種組成，其中物種豐度小于0.5%的歸屬其它待鑒定類（others）。由圖3a可知，運動員腸道菌群中擬桿菌門（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、梭桿菌門（Fusobacteria）為主要菌群;經高強度運動干預后樣本的菌群結構發生變化（圖3b），高強度運動下受試者厚壁菌門豐度顯著降低（P<0.05），而變形菌門豐度表現為顯著增加（P<0.01）;雖然擬桿菌門在各樣本中仍處于優勢菌種地位，但高強度運動后該菌種豐度增加并不顯著。

受試者腸道菌群中，鑒定出細菌71個科，見圖4a。其中擬桿菌科（Bacteroidaceae）、普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）、疣微菌科（Ruminococcaceae）、產堿菌科（Alcaligenaceae）、雙歧桿菌科（Bifidobacteriaceae）以及韋榮氏菌科（Veillonellaceae）為優勢菌群。物種豐度差異分析，如圖4b所示高強度運動干預之后，產堿菌科和紫單胞菌科相對豐度顯著增高（P<0.05），雙歧桿菌科相對豐度則顯著降低（P<0.05）。

在已鑒定的96個屬中，普氏菌屬（Prevotella）、擬桿菌屬（Bacteroides）、薩特氏菌屬（Sutterella）、布勞特氏菌屬（Blautia）為優勢菌屬。受高強度運動的影響，樣本中普氏菌屬豐度降低，擬桿菌屬豐度升高并成為相對豐度最高的菌屬（圖5a）。從圖4b物種豐度差異分析圖中可知，經高強度運動干預，薩特氏菌屬和副擬桿菌屬豐度顯著增高，而柔嫩梭菌屬、布勞特氏菌屬及雙歧桿菌屬豐度下降不顯著。

2.3 LEfse分析物種差異

通過LEFse分析[19]，繪制成樹形聚類圖。高強度運動干預前豐度較高的細菌主要集中在：放線菌門，雙歧桿菌目（Bifidobacteriales）的雙歧桿菌科;以及厚壁菌門，梭狀菌綱（Clostridia），梭狀菌目（Clostridiales）下的毛螺菌科。高強度運動干預后受試者腸道菌群主要菌集中在：變形菌門，β-變形菌綱（beta-Proteobacteria），伯克霍爾德氏菌目（Burkholderiales）下的產堿菌科以及紫單胞菌科。

2.4 腸道微生態功能預測

通過計算各組樣本16SrRNA的編碼基因豐度值，與KEGG數據庫比對后，基于PICRUSI豐度表，獲得39個功能基因參與的KEEG代謝通路預測結果。由圖7可知，參與碳水化合物代謝（Carbohydrate Metabolism）、膜轉運（Membrane Transport）及能量代謝（Energy Metabolism）的功能基因均占比較高。而代謝途徑又存在明顯差異，經歷高強度運動干預后，機體中參與能量代謝、糖合成與代謝（Glycan Biosynthesis and Metabolism）等通路的功能基因增多，其中，參與運動員免疫系統調節（Immune System）的功能基因顯著增高（P<0.01），參與心血管疾?。–ardiovascular Diseases）的功能基因顯著減少（P<0.01）。

3 分析與討論

3.1 高強度運動摔跤運動員體成分的影響

對于摔跤這種競爭日趨激烈的控體重運動項目來說，合理的體重水平對取得良好的運動成績至關重要。此外，由于摔跤運動的復雜性和多變性，在控制體重的同時，肌肉含量卻不能減少，這對于控體重工作提出較高的要求。高強度間歇運動可有效提高葡萄糖代謝和脂肪氧化分解代謝，進而減少體內脂肪含量。Barker等人發現[20]，通過兩周高強度間歇性運動可改善受試者最大攝氧量，提高糖和脂肪的氧化代謝率。Little[21]于2011年證實高強度間歇運動可激活5-腺苷-磷酸激活蛋白激酶和p38促分裂原活化蛋白激酶，此二者為運動反應性信號物質，與激活轉錄因子增加線粒體基因轉錄有關。通過本研究發現，經過高強度運動訓練后，運動員的體重和體脂量顯著降低，由此說明高強度運動對摔跤運動員賽前減脂控體重，保持肌肉力量，保障競技能力是十分有效的。

3.2 高強度運動對摔跤運動員腸道菌群的影響

與被動運動相比，腸道菌群多樣性在自主運動下表現出降低的現象[22]，這暗示了經常參加主動運動的專業運動員，其運動強度對腸道菌的改變存在適宜度問題。不同的專項運動、運動強度以及運動負荷對運動員腸道菌群微生態的穩定性均有一定的影響。有研究顯示，在馬拉松運動員的腸道菌群中發現了一株非典型優勢菌種——韋榮球菌（Veillonella），該菌通過加速乳酸代謝生成丙酸增強機體的運動能力[23]。本研究發現，韋榮球菌在摔跤運動員腸道內也處于優勢菌地位，但相較日常訓練的中等運動強度來說，在高強度運動下的韋榮球菌豐度降低，這說明運動強度的改變可以影響受試者腸道菌群多樣性及結構分布情況。

腸道菌群穩定性受機體的遺傳、飲食及生活方式的影響很大。本研究在納入受試對象時，為了避免受上述因素的干擾，從同期訓練安排一致，排除藥物干擾，飲食一致且沒有腹瀉和便秘問題的運動員中篩選。對菌群結構與物種多樣性分析發現，高強度運動下，運動員的腸道菌群多樣性有所提高，但部分細菌的數量發生較大波動。如高強度運動前腸道內的厚壁菌門（參與機體免疫調控[24]）豐度明顯高于高強度運動干預后，但促進炎癥反應的變形菌門（機體的有害菌體[24]）則在干預后顯著增多。類似的變化也在科學家對小鼠中等強度運動前后腸道菌群的研究中發現，即厚壁菌門和乳酸菌含量中等強度運動后顯著增加[25]。其次，高強度運動顯著降低了運動員機體內的厚壁菌門豐度，但擬桿菌門與厚壁菌門的比值增高。該結果與相關報道中肥胖小鼠在高強度間歇運動后兩者比值升高的情況一致[25]。由此，這兩種腸道菌的豐度比值大小可間接反映運動員的日常訓練強度。

運動可以提高機體的氧化能力，增加線粒體數量以及提高三羧酸循環酶活性[25]。本研究結果顯示，高強度運動增強了腸道微生物參與下的物質代謝和能量代謝（功能基因參與兩種代謝通路的數量較多，顯著性較強）。值得關注的是，本研究中發現高強度運動后，機體參與心血管疾病代謝通路的基因比高強度干預前有所減少。Dias等[9]發現，高強度間歇性運動可顯著提高青少年的心肺功能。由此推測，高強度運動訓練更有利于青少年心血管疾病的預防。

本研究的受試者在高強度運動條件下，機體表現出代謝功能基因占比顯著增加;結合機體體成分變化，說明高強度運動也可以通過改變腸道功能基因的分布來提高機體脂代謝和肌纖維合成的能力。不同運動強度對人體腸道菌群的影響變化是復雜且多樣的，部分腸道菌群可能參與到機體生理生化代謝的調控網絡中。針對國內外不同訓練強度的多種運動訓練項目的相關研究仍須繼續展開，特色菌群的篩選與鑒定、宏基因組學、相關調控機制與代謝功能的研究亦是腸道微生物的重點研究方向。

4 結 論

綜上所述，高強度間歇性訓練可以顯著降低摔跤運動員體重和脂肪量。研究發現通過摔跤運動員腸道菌群中，擬桿菌門、厚壁菌門為優勢菌門，擬桿菌科、普雷沃氏菌科、毛螺菌科、雙歧桿菌科、韋榮氏菌科和產堿菌科為優勢菌科，普氏菌屬、擬桿菌屬、薩特氏菌屬和布勞特氏菌屬為優勢菌屬。經過高強度間歇運動，腸道菌群發生變化，表現為菌群多樣性增高，結構在門、科、屬水平上測得也有相應改變。在門水平上，厚壁菌門與擬桿菌門比值增高;在科水平上，雙歧桿菌科豐度顯著降低，但產堿菌科豐度增高;在屬水平上，薩特氏菌屬和副擬桿菌屬豐度升高。此外，腸道菌功能基因預測顯示，高強度運動除提高宿主機體代謝能力外，還可以顯著增強機體免疫力，降低心血管疾病的風險。

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收稿日期：2020-04-17;修回日期：2020-06-21

基金項目：國家自然科學基金（青年）（編號：31800657）;山西省體育局科研課題（編號：17TY106）;山西省應用基礎研究計劃（編號：201801D221242）;山西省高等學校科技創新項目（編號：2019L0041）;山西省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（編號：2020018）。

作者簡介：宋韡（1984-），女，講師，碩士，研究方向為分子生物學與運動適應。

通信作者：高帆（1985-），男，高級實驗師，博士，研究方向為分子生物學與生物信息分析。

作者單位：1.山西體育職業學院，山西 太原 030006; 2.山西大學 生命科學學院，山西 太原 030006; 3.山西省運動康復基地，山西 太原 030025