腸道微生物對家禽抗病力的影響研究進展

李 想，王 巧，李慶賀，文 杰，趙桂蘋

（中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京 100193）

目前已知多達1014微生物聚集在營養豐富的腸道中，共同構成了極具多樣化特征的微生物群。這些微生物在腸道中發揮許多功能，例如預防病原體感染、幫助消化、提供營養以及形成免疫系統的粘膜屏障。家禽腸道內棲息著大量的微生物（如細菌、真菌等），這些腸道微生物及其代謝產物積極參與維持腸道免疫系統的穩態，在控制腸道疾病、維持宿主健康等方面發揮著關鍵作用。近年來，隨著高通量測序技術的發展，腸道微生物菌群的組成、功能及其對宿主的影響，成為目前研究關注的熱點。全面深入地了解家禽腸道微生物的研究進展，不僅可以完善微生物與宿主互作的理論體系，還可以通過調控腸道微生物改善腸道健康，進而促進家禽養殖業的健康可持續發展。本文以雞為主體，對其腸道微生物菌群的組成、與宿主的互作等多個方面對相關研究進展進行總結和分析，并對未來的發展方向和趨勢進行展望。

1 腸道微生物組成的影響因素

腸道微生物是腸道的重要組成部分，其數量龐大，種類繁多，一方面可以通過保持腸道微生態的穩定，促進營養物質的消化吸收[1]。另一方面，可以通過調節宿主的生理機能，達到抗菌、消炎等作用，維持腸道健康，從而對機體的健康更加有益[2]。

家禽消化道中微生物的種類和數量是由前向后依次遞增的，盲腸是目前研究最多的的腸段也是微生物豐度和種類最多的腸段。家禽腸道微生物主要由四大菌門組成（擬桿菌們、厚壁菌門、放線菌門和變形菌門），其中擬桿菌門和厚壁菌門的相對豐度占80%以上[3]。家禽腸道微生物的來源有不同的兩種假說：第一種假說認為家禽腸道微生物來源于外界環境或者蛋殼中，雛雞出殼時腸道微生物處于無菌的狀態，另一種假說認為腸道微生物來源于雛雞出殼前，研究發現在胚蛋期就有微生物存在[4]。在取樣或者實驗過程中都可能存在污染的問題，導致結果無法準確的判斷，兩種假說存在爭議[5]。無論第一種假說還是第二中假說，早期雛雞腸道中的微生物很大的可能是來源于母體，動物通過各種方式從母體獲得和傳遞微生物[6]。

腸道微生物受到日糧組成、飼養管理、性別、疾病以及遺傳等多種因素的影響。研究表明家禽腸道微生物的影響因素與其他動物的相類似，日糧是影響腸道菌群的重要因素[7]。碳水化合物、蛋白質、脂類是家禽日糧重要的營養成分，對腸道菌群結構也有不同程度的影響。肉仔雞所需能量50%是由淀粉提供的。淀粉主要分為兩大類：直鏈淀粉和支鏈淀粉。直鏈淀粉由于有氫鍵作用，結構更加緊密，不易被消化。然而支鏈淀粉其結構為多分支結構，易被機體所消化吸收。有研究表明，直鏈淀粉飼喂肉雞，碳水化合物進入腸道后段，從而促進碳源性微生物的生長，間接的抑制氮源性微生物的生長，且直/ 支淀粉比值越高，乳酸桿菌、雙歧桿菌的相對豐度顯著增加，相反大腸桿菌的相對豐度呈現明顯下降趨勢[8]。碳水化合物發酵不僅可以產生對機體有利的脂肪酸，還可以提高有益菌的相對豐度。然而蛋白質發酵的最終產物，被彎曲桿菌和和產氣莢膜梭菌充分利用。因此，日糧中蛋白質水平升高，可能會促進腸道中有害菌的定植生長[9]。飼料中增加纖維素水平，可使解纖維素羧菌、普雷沃氏菌、擬桿菌和梭菌在腸道中富集，并且可以抑制有害菌（如沙門氏菌）在腸道中的定殖[10]。辛可啟等[11]研究表明，在家禽的日糧中增加硒的含量，可以提高腸道中子囊菌門的相對豐度，子囊菌門可以分解植物纖維素，因此飼料中添加硒可以促進消化，維持腸道健康。飼養管理不僅影響家禽飼養周圍環境中的微生物，對家禽的腸道菌群也會產生一定的影響。環境應激不僅會對家禽的采食量造成影響，還會影響腸道菌群的的組成以及腸道黏膜的通透性，從到引起炎癥反應[12]。增加飼養密度對生長性能產生負面影響的同時，盲腸中菌群的豐度也是顯著降低的[13]。在飼養過程中光照周期和飼喂頻率會通過影響雞的采食，間接的影響腸道菌群的發生規律性變化，這種規律性變化稱為細菌生物鐘[14]。Wadud 等[15]研究表明，腸道菌群也會受到環境濕度的影響，在潮濕的環境中，一些適合在潮濕環境中生存的菌群，如芽孢桿菌和曲霉菌是明顯富集的，不同品系和年齡的雞，其腸道微生物的種類和結構也是不同的。在相同的飼養管理條件下，較肥胖的雞腸道中的擬桿菌和真桿菌的相對豐度低于瘦肉型雞。腸道菌群隨著日齡的變化而變化，剛出殼的小雞腸道處于無菌的狀態，3 日齡時可檢測到糞鏈球菌和大腸桿菌，14～22 日齡時擬桿菌門、厚壁菌門成了主要的菌群，且厚壁菌門的相對豐度隨著年齡的增加顯著的上升[7]。研究發現每一品種都有獨特的微生物組成，同一日齡，科寶肉雞腸道中富集類桿菌，然而在羅斯肉雞腸道微生物中發現有放線菌[16]。在相同的飼養管理條件下，相同日齡公雞體重往往高于母雞體重，3 日齡時，通過PCR 擴增16S rRNA 基因片段檢測公母雞腸道菌群，發現其相似程度低于30%[17]。腸道微生物數量龐大，受多種因素的影響，因此導致腸道微生物對宿主健康的影響較為復雜。

2 腸道微生物菌群與致病菌的作用關系

在禁止飼用抗生素的背景下，肉雞腸道中由細菌所引起的疾病多發，部分可引起人類疾病，主要有彎曲桿菌、沙門氏菌和大腸桿菌等[18]。肉雞的腸道菌群主要由兩類微生物組成：益生菌和致病菌，這些微生物對宿主的健康和發育產生了重要的影響。腸道微生物之間存在著復雜的作用關系。正常情況下，腸道微生物菌群可以對致病菌產生抑制作用，維持腸道的健康狀態，這主要是通過以下5 個方面的機制實現的：

2.1 直接殺死病原菌

腸道中的共生菌直接殺死某些病原菌，對病原菌在腸道中的定植起抵抗作用。自然界中存在很多殺菌的物質，其中細菌產生的一類具有廣泛活性的堿性多肽，稱為細菌素，可以對真菌和革蘭氏陽性菌有一定的殺傷作用[19]，這種作用機制主要包括:一是破壞目標細菌細胞膜引起內容物外泄，導致細胞死亡，二是抑制目標細菌的增殖[20]。Pickard 等[21]研究表明，腸道大腸桿菌和人源性乳酸桿菌可以產生一種細菌素，對糞腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌有殺傷作用，有效抑制其在腸道的定植。另外，Schwarz 等[22]在擬桿菌門中發現的一種蛋白質易位復合物，可以將效應蛋白轉運到其他細菌或真核細胞中，起抑制或殺滅作用。

2.2 產生抑制代謝物

腸道菌群產生的代謝物可以對腸道病原體產生抑制作用。由腸道菌群成員產生的短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acid，SCFA）被認為是抑制致病菌的關鍵因子。Ali 等[23]認為，有益的微生物群產生SCFA，包括乙酸，丙酸和丁酸，具有抑菌能力，可以破壞彎曲桿菌、沙門氏菌病和大腸桿菌等致病菌。SCFA 主要是通過腸道菌群的內源性發酵產生，研究表明，總共有74 種腸道細菌菌株可以產生SCFA，其中厚壁菌門菌株產生SCFA 的物種多樣性最高，其次是放線菌門、擬桿菌門和變形菌門等[24]，厚壁菌門菌株主要在腸道中產生丁酸，擬桿菌門菌株主要在腸道中產生乙酸和丙酸[25]。Lawhon 等[25]證實在結腸和盲腸中菌群產生的丙酸和丁酸可以通過抑制鼠傷寒沙門氏菌侵襲基因的表達，抑制鼠傷寒沙門氏菌的感染。SCFA 不僅可以直接對致病菌產生抑制，還可以通過刺激宿主的免疫系統抑制病原菌[26]。Zhang 等[27]認為，由腸道菌群產生的SCFA 能夠阻止家禽免疫系統的過度反應，并且與免疫細胞上的Toll 樣受體和G 蛋白偶聯受體相結合來促進T 細胞向著調節性T 細胞分化和擴增，抑制炎癥性腸炎疾病的發生。另外，腸道菌群產生的SCFA通過降低腸道pH 來抑制病原體的入侵和定植[28]，還可以通過刺激宿主免疫中的細胞因子（TNF-α、IL-2、IL-6 和IL-10）的產生來增強免疫反應。同時，腸道菌群產生的SCFA 能夠通過多種機制修復腸道粘膜緩解腸道炎癥。但需要注意的是，Bohnhoff 等[29]研究發現，丙酸和丁酸可以抑制鼠傷寒沙門氏菌的毒力因子，而乙酸和甲酸卻產生了相反的作用。

腸道微生物通過代謝膽汁酸可以促進或抑制一些定植在腸道的病原體的生長。膽鹽水解酶是由一些腸道共生菌（如擬桿菌、雙歧桿菌和糞桿菌屬的菌種）產生的酶，可去綴合共軛的初級膽汁酸，包括牛磺膽酸鹽等。研究表明?；悄懰峥梢源龠M腸道艱難梭菌（有害菌）孢子的萌發，從而導致在腸道中定植，但可以促進腸道微生物穩態的恢復[30]。一些腸道共生菌（如分枝桿菌屬）產生參與7α-脫羥化酶途徑的酶，這些酶參與將未結合的初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸，如脫氧膽酸鹽和石膽酸鹽[31]，這些次生膽汁酸可抑制艱難梭菌生長[32]。雖然初級膽汁酸促進孢子萌發，但次級膽汁酸抑制艱難梭菌孢子形成。因此，健康的腸道微生物群要通過膽汁酸的代謝提高對艱難梭菌的定植抵抗力，以減少促進艱難梭菌孢子萌發的初級膽汁酸，并增加抑制艱難梭菌生長的次級膽汁酸。

2.3 競爭營養和生態位

動物腸道內定植著大量的菌株，而塑造腸道微生物群被認為主要是由腸道營養生態位驅動的[33]?！盃I養生態位”假說[34]，指出“大多數本土腸道細菌的種群由一種或幾種營養底物控制，給定菌株可以最有效地利用這些底物”。營養底物限制是腸道中細菌競爭的重要因素，某些細菌菌株能夠有效利用特定的底物，從而在腸道中成功定植。據Rivera-Chávez 等[35]報道，腸道中穩定的微生物群落占據了動物腸道種所有的營養生態位，將會使得病原體難以在競爭激烈的環境中生存。因此，外源性致病菌只有在能夠占據可用的營養生態位，才能在腸道定植，研究表明，擬桿菌在腸道內具有獨特的營養生態位[36]，原因是擬桿菌可以通過一種獨特的機制利用和降解碳水化合物，以防止其他病原菌利用碳源，從而有效降低了病原菌在腸道的定植。然而Stecher 等[37]研究發現，鼠傷寒沙門氏菌引發的由中性粒細胞主導的急性炎癥，持續一段時間后，隨著適應性免疫的出現，病原體最終從組織中被清除，但由于炎癥反應導致了宿主腸道環境發生了改變，創造了一個屬于鼠傷寒沙門氏菌生長得新生態位。綜上所述，腸道菌群在競爭營養和生態位的“戰斗”中極為復雜和激烈，相關競爭機制有待進一步探索。

2.4 家禽腸道微生物刺激宿主免疫系統

腸道微生物對宿主免疫系統有很大的影響，與宿主免疫密切相關，在免疫系統中起著重要作用。Lamousé-Smith 等[38]研究發現，在無菌（GF）小鼠模型中，免疫細胞和免疫組織的發育中表現出缺陷。隨著研究的發展，腸道微生物對宿主的保護作用得到了進一步的證實。實驗表明，在相同的培養條件下，與傳統動物相比，GF 動物在發育腸道相關淋巴組織（GALTs）方面表現出廣泛的缺陷，黏膜層缺失，IgA 分泌改變[39,40]。另有研究表明腸道中的腸道微生物與上皮細胞密切相關，上皮細胞是腸道免疫系統的重要組成部分，上皮細胞上的受體接收來自腸道微生物的信號，并以某種方式做出反應，以確保腸道穩態[41]。Kim 等[42]發現，腸相關淋巴組織的發育也取決于腸道微生物。腸相關淋巴組織是具有許多重要功能的重要免疫結構，抗原呈遞細胞可以吸收和呈遞這種結構中的抗原，這有助于保護身體免受感染。Wu 等[43]研究發現，GF 小鼠的腸相關淋巴組織尚未完全發育，可能是由于缺乏腸道微生物。此外，腸道微生物與多種免疫細胞密切相關，通常為輔助性T 細胞、調節性T 細胞和腸道特異性B 細胞[43]。

2.5 維持腸道屏障

腸道微生物群保護腸道免受腸道病原體感染的另一種機制是通過作用于腸道屏障的“強度”，例如粘液層的厚度和組成，以及維持腸道緊密連接。宿主將腸道菌群與腸上皮保持安全距離，以盡量減少組織損傷和炎癥的出現。腸道微生物群被覆蓋上皮的粘液層限制在腸腔內[44]。用抗生素治療小鼠可減少粘液層厚度，并導致細菌與腸上皮單層的接觸增加，這在腸道病原體感染的情況下可能具有高度危害性，例如嚙齒梭菌[45]。此外，腸道菌群通過產生SCFAs 來維持腸道屏障，SCFAs 是結腸上皮的主要營養素，有助于控制粘蛋白的產生[46]。因此，SCFAs 產生的減少可能導致粘液厚度的減少粘液屏障的降解。

3 小結與展望

綜上所述，腸道微生物與宿主的抗病力密切相關，主要通過以下途徑：①直接殺死病原菌；②產生抑制病原菌的代謝物；③通過與病原菌競爭營養生態位；④提高宿主免疫力。但腸道微生物與病原菌競爭營養生態位的過程中，病原菌可以通過一系列復雜作用繞過與腸道微生物的競爭的，這種機制有待深入研究；⑤維持腸道屏障。此外，隨著高通量測序技術水平的提高，有關家禽腸道微生物的研究有了很大的進展，但腸道微生物與宿主之間的互作關系十分復雜，至今仍沒有完全闡明。深入地揭示二者之間的調控機制，通過調控特定的腸道微生物，最大潛度地發揮其抗病功能，對于維持“腸道菌群-宿主健康”的關系有更加重要的意義。