家禽腸道菌群多樣性及其與宿主的相互關(guān)系

朱春紅，陶志云，劉宏祥，徐文娟，宋衛(wèi)濤，章雙杰，李慧芳

(江蘇省家禽科學(xué)研究所，江蘇揚(yáng)州 225125)

腸道微生物的結(jié)構(gòu)組成是自然選擇的結(jié)果。腸道中存在3種生命形式：細(xì)菌、古生菌和真菌。其中最主要的是細(xì)菌類，通常定義為腸道菌群，腸道菌群的建立和組成也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。從細(xì)菌定居能力上講，主要由三大類組成，最主要的一類是正常菌群，在消化道中密度很高，占消化道細(xì)菌的絕大部分，主要由專性厭氧菌組成；一部分是暫時在動物腸道中生存，在消化道中的密度很低，由外籍菌群和環(huán)境菌群構(gòu)成，以需氧和兼性厭氧菌為主；還有一部分細(xì)菌不能適應(yīng)腸道環(huán)境或動物體不需要，隨糞便排出體外。從與宿主的關(guān)系上講，主要分為互利共生(symbiosis)、同食共生(commensal)及致病性(pathogenic)。在正常情況下，腸道微生物和宿主之間處于互利共生的關(guān)系。

家禽(雞、鴨、鵝)是重要肉蛋蛋白產(chǎn)品的來源，家禽腸道健康，特別是腸道菌群影響下的營養(yǎng)健康、腸道免疫健康，是保證家禽生產(chǎn)的重要方面，該研究從營養(yǎng)健康、免疫影響角度綜述家禽腸道健康和家禽健康生產(chǎn)的維護(hù)。

1 家禽腸道微生物菌群的多樣性

2005年，Eckburg等[1]通過宏基因組研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物在系統(tǒng)發(fā)育地位上基本分屬厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、梭菌肝門(Fusobacteria)六大門，其中厚壁菌門和擬桿菌門為主要優(yōu)勢菌群。上述主要優(yōu)勢菌群，在遺傳距離不一的物種中，核心菌群上保持著一定程度上的一致。

鳥類代表一種多樣性且進(jìn)化成功的血統(tǒng)，在世界各地占有廣泛的地位，但對其腸道菌群的認(rèn)知仍然有限。就像其他脊椎動物宿主一樣，鳥類胃腸道菌群以厚壁菌門為主，同時也可觀察到放線菌、擬桿菌和變形桿菌[2]。雞和火雞的腸道菌群多樣性研究顯示，在雞和火雞的腸道細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了13個細(xì)菌門，其中厚壁菌門、變形菌門占絕對優(yōu)勢(>90%)。在雞上發(fā)現(xiàn)超過900種等價的操作分類單元(OTU，定義在0.03進(jìn)化距離)，而這些OTUs代表117個已建立的細(xì)菌屬。在火雞中鑒定69個現(xiàn)有的細(xì)菌屬中發(fā)現(xiàn)近500個OTUs。在雞和火雞中發(fā)現(xiàn)的最主要的屬為梭狀芽孢桿菌屬、瘤胃球菌屬、乳桿菌屬和擬桿菌屬，但分布不同。雞和火雞有特異的腸道微生物，在物種等效水平上只有16%的相似性。遺傳和其他因素(如飲食、食糜流通速率和飼養(yǎng)環(huán)境)可能對雞和火雞腸道菌群結(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生影響[3]。水禽腸道菌群多樣性表現(xiàn)為不同飼養(yǎng)方式(籠養(yǎng)舍飼和地面平養(yǎng))鴨群中，菌群主要構(gòu)成是厚壁菌門和變形菌門，不同菌門的相對豐度隨著鴨子的日齡變化而變化，變形菌在前3 d為優(yōu)勢菌門，第4天開始厚壁菌門增加并占主導(dǎo)地位。地面平養(yǎng)的鴨群在發(fā)育后期腸道菌群中除了變形菌門和厚壁菌門，還有大量的擬桿菌門，籠養(yǎng)舍飼鴨群中則無擬桿菌門[4]。綜上研究結(jié)果，不同家禽物種間或者同種家禽不同群體的腸道微生物菌落都有差異，但是在家禽中又會保持一定的穩(wěn)定性和一致性。

2 家禽腸道菌群與宿主的相互關(guān)系

2.1碳水化合物、氮代謝和維生素利用多種腸道細(xì)菌可以水解可消化的膳食多糖、低聚糖以及由這些糖組成的雙糖，易消化的膳食碳水化合物的消化和吸收是在宿主的近腸端，難消化的碳水化合物和殘余的可消化的碳水化合物為遠(yuǎn)端腸道的菌群利用[5]，腸道菌群發(fā)酵后，產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFAs)，主要有乙酸、丙酸和丁酸。SCFAs可以被宿主作為能源和碳源而利用。發(fā)酵作用可以在禽的腸道(從嗉囊到盲腸)觀察到，但主要發(fā)生在細(xì)菌密集的盲腸。發(fā)酵作用隨著日齡的增加而增加，在1日齡的肉雞盲腸中檢測不到乙酸、丙酸和丁酸，在15日齡肉雞中，SCFAs達(dá)到高濃度，并且隨后保持穩(wěn)定[6]。在盲腸中，SCFAs可以通過被動擴(kuò)散被上皮細(xì)胞吸收，并進(jìn)入各種代謝通路[5]。研究顯示，SCFAs，尤其是丁酸，可以作為腸上皮細(xì)胞的重要能量來源；另外，SCFAs可以調(diào)節(jié)腸道血液流動，刺激腸上皮細(xì)胞的生長和增殖，調(diào)節(jié)黏液分泌，并影響腸道免疫反應(yīng)[5]。

腸道微生物也有助于宿主的氮代謝[5]，鳥類腸道和泌尿生殖道與泄殖腔連接，泄殖腔是尿和糞便混合的地方，一些尿可能由于直腸蠕動停止而逆流到盲腸；一些膳食氮會被納入細(xì)菌細(xì)胞蛋白，因此，腸道細(xì)菌本身可以是氨基酸的來源。然而，這些細(xì)菌蛋白中的大多數(shù)在宿主排泄糞便過程中失去，且鳥類的大部分腸道細(xì)菌定居在盲腸，而盲腸沒有吸收和消化蛋白的能力。如果禽群為平養(yǎng)飼喂，可能會發(fā)生食糞行為，所攝食細(xì)菌蛋白質(zhì)可以在近腸端被消化吸收[7]，利用部分細(xì)菌蛋白。

家禽腸道微生物也為宿主提供維生素(特別是VB)[8]。與細(xì)菌蛋白相似，大部分由腸道細(xì)菌合成的維生素通過糞便排出體外，因為它們不能被盲腸吸收。然而，有食糞機(jī)會的禽群可能從維生素合成的細(xì)菌中得到益處?；\養(yǎng)的雞群需要更多的維生素可以支持這一觀點。

2.2腸道菌群與宿主的營養(yǎng)互作關(guān)系以一種互惠的方式，鳥類可以為腸道細(xì)菌提供一些營養(yǎng)。例如，由腸道杯狀細(xì)胞產(chǎn)生的粘蛋白是一些共生菌和致病菌碳、氮和能量的重要來源。雖然很少有家禽利用細(xì)菌粘蛋白方面的研究報道，但在其他動物中的研究表明，很多細(xì)菌可以降解粘蛋白，包括雙歧桿菌、擬桿菌以及其他腸道細(xì)菌的一些種屬。這些細(xì)菌能夠附著黏液層，并且分泌特定的酶來降解粘蛋白。盡管禽類還沒有粘液素被這些細(xì)菌降解的報道，但這類種屬細(xì)菌已經(jīng)在家禽腸道中發(fā)現(xiàn)，因此，有理由相信禽類的一些腸道細(xì)菌可以降解粘液素[9]。

盡管禽類和腸道微生物都在宿主-微生物營養(yǎng)交換中獲利，有時也發(fā)現(xiàn)一些腸道微生物與宿主競爭營養(yǎng)。腸道菌群和宿主向著共生關(guān)系而演化，并且對于健康的禽類，很多情況下可消化的營養(yǎng)是在宿主的小腸中被吸收的，這種直接競爭營養(yǎng)的情況是很少的，因為在小腸中細(xì)菌密度低，而且小腸中pH低，停留時間短，因此細(xì)菌利用營養(yǎng)受到限制[10]。然而，在某些情況下，細(xì)菌在小腸中過度生長，營養(yǎng)物質(zhì)會在宿主正常吸收前被細(xì)菌捕獲和利用。對于哺乳動物，一些腸道細(xì)菌能分解膽汁酸，從而抑制宿主的脂質(zhì)消化[11]。分離自雞的產(chǎn)氣莢膜梭狀芽孢桿菌、鏈球菌、一些雙歧桿菌和乳桿菌能夠解離膽汁酸，但到底是雞細(xì)菌的什么成分降解膽汁酸減少脂質(zhì)消化還不清楚。

2.3家禽腸道菌群與腸道黏膜免疫腸道黏膜表面積最大，是機(jī)體最大的免疫器官，集結(jié)了動物體60%～70%的免疫細(xì)胞。腸道菌群是機(jī)體免疫力產(chǎn)生的源泉與動力，腸道正常菌群的發(fā)育和多樣性能有效促進(jìn)腸道上皮組織和黏膜免疫系統(tǒng)的發(fā)育和成熟。無菌條件下飼養(yǎng)的動物腸黏膜淋巴細(xì)胞密度小，淋巴濾泡小，血液中免疫球蛋白IgA的循環(huán)濃度低，對疾病的易感性較高。腸道免疫系統(tǒng)包括一個強(qiáng)健的黏膜層、免疫細(xì)胞、分泌可溶性免疫蛋白(IgA)和抗菌肽(AMPs)等。

2.3.1黏膜層。強(qiáng)健的黏膜層粘蛋白由微生物可以定植的疏松外層和阻擋大部分細(xì)菌的致密細(xì)胞內(nèi)層組成。作為腸道黏膜免疫系統(tǒng)的一部分，黏液層阻止腸道微生物入侵腸道上皮細(xì)胞，成為抵御感染的第一道防線[12]。Forder等[13]描述了在相較于隔離器中飼養(yǎng)的肉雞，傳統(tǒng)飼養(yǎng)的肉雞腸道中有更多的杯狀細(xì)胞，雞群黏蛋白基因MUC2表達(dá)譜存在差異，可能是不同飼養(yǎng)環(huán)境下的2組雞群不同腸道菌群所致。再如空腸彎曲桿菌在人和雞中具有不同致病性，體外研究表明，空腸彎曲桿菌可以粘附侵入雞和人的小腸上皮細(xì)胞。然而，即使雞腸道密集分布空腸彎曲桿菌，也不會引起疾病，而人攝入含有空腸彎曲桿菌的食物可能引起嚴(yán)重的胃腸炎[14]。研究已經(jīng)表明，肉雞腸黏液可以通過抑制空腸彎曲桿菌粘附和入侵腸上皮細(xì)胞而減弱空腸彎曲桿菌的毒力[15]。因此，人和雞腸道黏膜層的差異可能影響空腸彎曲桿菌在這2種宿主中的致病性。另有研究報道，唾液酸粘蛋白在傳統(tǒng)飼養(yǎng)模式的雞群中更豐富，而硫酸粘蛋白在低細(xì)菌負(fù)荷的雞群中占優(yōu)勢，這種粘蛋白組成的變化在孵化后4 d可以觀察到，表明腸道微生物在調(diào)節(jié)黏液層的建立中發(fā)揮作用[13]。通過運用雞壞死性腸炎模型(在球蟲感染后接種產(chǎn)氣莢膜梭菌)，Collier等[16]指出感染堆型艾美爾球蟲和大型艾美爾球蟲增加黏膜生成，這有利于黏液溶解菌——產(chǎn)氣莢膜梭菌的生長。

2.3.2重要免疫細(xì)胞。腸道菌群與宿主免疫系統(tǒng)之間的相互作用可以引起隨后的適應(yīng)性免疫反應(yīng)。B細(xì)胞和T細(xì)胞是介導(dǎo)免疫應(yīng)答的2種主要類型的淋巴細(xì)胞，在適應(yīng)性免疫系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。在鳥類的腸道中，B細(xì)胞和T細(xì)胞可以在淋巴組織中(例如，盲腸扁桃體、Peyer’s小結(jié)、法氏囊)和更分散的地區(qū)如固有層和上皮中發(fā)現(xiàn)。禽類腸道菌群的多樣性已經(jīng)被證明會影響腸道和脾臟內(nèi)T細(xì)胞受體的復(fù)雜性[17]。由于家禽的數(shù)據(jù)相對缺乏，為此，主要介紹其他動物模型的相關(guān)文獻(xiàn)，這些模型與家禽的微生物免疫系統(tǒng)有關(guān)。腸道菌群引導(dǎo)細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)B細(xì)胞的反應(yīng)和IgA的產(chǎn)生。研究表明，通過服用益生菌對腸道菌群調(diào)節(jié)可以影響抗體介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。鳥類接種或者飼喂益生菌，包含嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌、糞鏈球菌，顯示出對綿羊紅細(xì)胞的全身性的抗體反應(yīng)增強(qiáng)[18]。其他研究表明，不同的乳酸菌菌株對雞抗體介導(dǎo)的反應(yīng)有刺激作用，而且這種效果與乳酸菌種類以及雞的類型(蛋用和肉用)和年齡有關(guān)[19]。然而，益生菌如何增強(qiáng)抗體介導(dǎo)的免疫應(yīng)答有待進(jìn)一步研究。推測益生菌能刺激Th2細(xì)胞因子(如IL-4和IL-10)的產(chǎn)生，從而增強(qiáng)抗體介導(dǎo)的免疫應(yīng)答[20]。除抗體介導(dǎo)的反應(yīng)，也發(fā)現(xiàn)細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)受到腸道微生物的影響。通過使用無菌的、傳統(tǒng)的和無特定病原體的雞，Mwangi等[17]研究認(rèn)為腸道微生物的復(fù)雜性對腸道T細(xì)胞庫具有巨大影響；Brisbin等[20]報道多種乳酸桿菌均有誘導(dǎo)雞盲腸扁桃體T細(xì)胞表達(dá)細(xì)胞因子的能力，這有助于腸道內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。

2.3.3分泌型免疫球蛋白IgA(sIgA)。sIgA作為腸道上皮細(xì)胞覆蓋的黏膜層中重要抗體組分，是腸道黏膜免疫中重要的免疫球蛋白。在腸道正常菌群形成和腸道黏膜免疫系統(tǒng)的成熟過程中發(fā)揮著極大作用，在腸腔內(nèi)執(zhí)行重要物理或者化學(xué)抗病原體感染功能。腸道中sIgA在腸道抗原，由腸道菌群的刺激逐漸增加，其中sIgA 90%以上是細(xì)菌(包括共生菌和致病菌)誘導(dǎo)后產(chǎn)生的[21]。致病菌感染機(jī)體，激活黏膜免疫，誘發(fā)黏膜sIgA分泌，發(fā)揮特異性抗感染作用。致病菌感染機(jī)體后，sIgA攜帶細(xì)菌形成免疫復(fù)合物通過微生物相關(guān)分子模式識別可防止前炎癥因子的分泌，同時刺激促使sIgA分泌的細(xì)胞因子的分泌。Peyer’s小結(jié)內(nèi)CD11c+/CD11b+DC特異性針對sIgA免疫復(fù)合物，刺激IL-10分泌型T細(xì)胞反應(yīng)和IgA的分泌[22]。初生小鼠由于缺乏sIgA的保護(hù)，對沙門菌較正常小鼠敏感[23]；用傷寒沙門菌免疫小鼠可誘導(dǎo)小鼠T細(xì)胞數(shù)量增加，CD4/CD8比值增高，細(xì)胞因子IL-1、IL-2、IL-4和IFN-γ含量增加，刺激腸上皮細(xì)胞分泌pIgR，使黏膜sIgA分泌增加，提高機(jī)體抗感染能力，說明腸道黏膜sIgA可明顯降低腸道致病菌導(dǎo)致的糞-口途徑傳播[24]。同時，在哺乳動物——豬上的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腸道菌群組成正相關(guān)于sIgA和體重發(fā)育，表明sIgA是生長表現(xiàn)和黏膜免疫健康的重要生物指標(biāo)[25]。

2.3.4抗菌肽作用。禽類起作用的先天性免疫系統(tǒng)的另一個重要的組成成分是腸上皮表面的抗菌肽[12]。在家禽中，最重要的和廣泛研究的抗菌肽是β-防御素。他們是由禽巨噬細(xì)胞、異嗜細(xì)胞和上皮細(xì)胞產(chǎn)生的小的陽離子肽，他們可以通過破壞細(xì)胞膜的通透性導(dǎo)致細(xì)胞裂解來殺死各種腸道病原體。Brisbin等[12]研究表明，雞中沙門氏菌感染增加β-防御素的表達(dá)，然而在接種沙門氏菌前添加益生菌會引起β-防御素表達(dá)下降；然而Derache等[26]研究表明，在培養(yǎng)的禽上皮細(xì)胞中體外感染沙門氏菌不能增加β-防御素的表達(dá)，這種差異的可能解釋是，β-防御素基因在體內(nèi)沙門氏菌感染后表達(dá)的增加是因為在相應(yīng)沙門氏菌感染后招募異嗜細(xì)胞的結(jié)果。Derache等發(fā)現(xiàn)禽上皮細(xì)胞對活的和滅活的腸炎沙門氏菌的反應(yīng)是不同的，β-防御素基因AvBD2在上皮細(xì)胞和熱滅活的腸炎沙門氏菌共同孵育后表達(dá)量增加。這些發(fā)現(xiàn)表明，活的腸炎沙門氏菌可以通過一種未知的機(jī)制阻止β-防御素基因在上皮細(xì)胞的表達(dá)，并且使用這一機(jī)制作為防止自身被宿主免疫系統(tǒng)清除，這一策略可能隨后促進(jìn)腸炎沙門氏菌粘附和入侵腸上皮細(xì)胞。

3 腸道菌群結(jié)構(gòu)特點對生產(chǎn)的影響和利用

腸道微生物結(jié)構(gòu)差異影響肉雞體重增重效率。研究發(fā)現(xiàn)飼料轉(zhuǎn)化率(FCR)高和低的肉雞群體的糞便微生物組成和潛在的代謝能存在差異，微生物結(jié)構(gòu)組成在分類門水平上表現(xiàn)為：變形菌門 (低FCR：78.83%，高FCR：52.04%), 厚壁菌門 (低FCR：11.97%，高FCR：27.53%) 和擬桿菌門 (低FCR：7.10%，高FCR：17.53%) 。在分類屬的水平上，有33個細(xì)菌屬在2個不同群糞便中存在顯著差異；代謝能力分析顯示，在2個樣本的種子子系統(tǒng)中，碳水化合物、氨基酸及其衍生物和蛋白質(zhì)代謝的基因最為豐富，應(yīng)激相關(guān)基因、致病力、細(xì)胞壁和莢膜基因也是富集的[27]。通過不同飼養(yǎng)試驗的肉雞回腸和盲腸內(nèi)微生物分析，Torok等[28]鑒定了與肉雞生長性能有潛在相關(guān)的細(xì)菌種類。上述結(jié)果說明家禽腸道菌群組成差異影響生產(chǎn)群體或者個體的生產(chǎn)效率。

目前，腸道菌群結(jié)構(gòu)差異性對生產(chǎn)的影響主要體現(xiàn)在部分有益種屬菌株在日糧中添加使用可改善腸道菌群結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)新生肉雞和鴨腸道中乳酸桿菌的增加與體重相關(guān)，接種1次或者2次乳酸桿菌，能顯著增加受接個體的體重，改變受接種個體的腸道菌群結(jié)構(gòu)，且腸道菌群的差異可能先于體重增加[29]。在鴨內(nèi)源微生物中，研究112個鴨源乳酸菌菌株作為飼料添加物使用，其中2株乳酸桿菌具有較強(qiáng)的作為益生菌的潛力，可見家禽的自然腸道菌群是有益菌株的最佳來源。研究進(jìn)一步提出有益菌株篩選方法學(xué)，根據(jù)其16S rDNA序列特征設(shè)計出特異性，針對上述2株益生菌的靶標(biāo)序列，利用靶標(biāo)序列在復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中找到最有潛力的候選菌株，或以最小的支出集結(jié)大的菌株集合[30]。

日糧中添加枯草芽孢桿菌，調(diào)節(jié)腸道菌群，在動物生產(chǎn)中取得較好的應(yīng)用。櫻桃谷鴨孵化后28 d，飼喂含有枯草芽孢桿菌日糧比正常喂養(yǎng)的對照組的鴨的體重明顯增加，有相對較高的免疫器官重量(法氏囊、胸腺、脾)，并表現(xiàn)出更大的絨毛高度、絨毛高度與隱窩深度比值(十二指腸和空腸)，更淺的隱窩深度(P<0.05)。此外，在鴨胸腺和脾臟中檢測主要的促炎因子和抗病毒蛋白，在孵化后28 d飼喂益生菌的鴨比孵化后14 d飼喂益生菌的高。飼喂枯草芽孢桿菌的鴨經(jīng)過28 d的飼養(yǎng)，再注射大腸桿菌和新型鴨呼腸孤病毒，鴨的存活率分別為43.3%和100%，均顯著高于對照組的20.0%和83.3%?？傊嬍持刑砑涌莶菅挎邨U菌可以改善櫻桃谷鴨的生長性能、免疫反應(yīng)、抗大腸桿菌和呼腸孤病毒[31]。

4 展望

初生雛展示出滯后的正常菌群低濃度、低密度時空順序定植, 最有效、最無害的應(yīng)用是實現(xiàn)腸道菌群發(fā)展和形成過程的可控性，合理改善調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)水平。腸道菌群通過合成SCFAs、維生素等輔助宿主代謝系統(tǒng)和調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的發(fā)育和成熟，而宿主為腸道菌群提供生態(tài)環(huán)境和營養(yǎng)供給，兩者良性互作實現(xiàn)家禽的健康高效生產(chǎn)。