菊粉通過腸道菌群調(diào)控動(dòng)物脂代謝及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

黃 葦，黎力之，廖曉鵬，關(guān)瑋琨，黃 曉，張海波*，郭冬生*

（1.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西省高等學(xué)校硒農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，宜春市功能農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西宜春 336000；2.宜春學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，江西宜春 336000；3.青島市畜牧獸醫(yī)研究所，山東青島 266000）

菊粉作為一種天然果聚糖類碳水化合物，存在于自然界內(nèi)百合科、莧菜科、菊科及禾本科等大多數(shù)雙子葉和單子葉植物塊莖、塊根中，主要由果糖基通過β-（2-1）糖苷鍵連接組合成線性果糖聚合物，不能被消化酶直接水解[1-2]。菊粉具有改善腸道環(huán)境[3]、增強(qiáng)免疫力[4]和調(diào)節(jié)脂肪代謝[5]等功能。菊粉在回腸和盲腸經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸（Short Chain Fatty Acids，SCFA）、膽汁酸（Bile Acid，BA）和脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）等代謝產(chǎn)物，而這些代謝產(chǎn)物作為信號(hào)分子分別作用于G 蛋白偶聯(lián)受體（G Protein Coupled Receptors，GPCRs）、法尼醇受體（Farnesoid X Receptor，F(xiàn)XR）等信號(hào)通路調(diào)控動(dòng)物脂肪代謝[6-8]。鑒于菊粉對(duì)腸道菌群及代謝產(chǎn)物生成有重要調(diào)節(jié)作用，其在調(diào)控動(dòng)物脂代謝方面已成為極具應(yīng)用潛力的綠色添加劑?，F(xiàn)階段菊粉通過腸道菌群及其代謝產(chǎn)物調(diào)控脂肪代謝相關(guān)信號(hào)通路的系統(tǒng)綜述還較少。本文重點(diǎn)綜述了菊粉通過腸道微生物調(diào)控動(dòng)物脂代謝的作用機(jī)制及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用，為深入研究菊粉參與脂肪代謝通路的機(jī)制和畜牧生產(chǎn)提供參考。

1 菊粉通過腸道菌群對(duì)動(dòng)物脂肪代謝的影響

菊粉參與宿主脂肪代謝的調(diào)控包括直接調(diào)控和間接影響。直接調(diào)控為菊粉通過影響腸道中微生物菌群參與宿主脂肪沉積，間接影響為菊粉通過影響腸道微生物菌群代謝物（如SCFAs、BA 和LPS 等）影響動(dòng)物脂肪沉積。

1.1 菊粉通過腸道菌群對(duì)脂肪代謝的影響 菊粉因β-（2-1）糖苷鍵結(jié)構(gòu)的特殊性，不易被動(dòng)物消化酶直接分解，可被腸內(nèi)微生物發(fā)酵利用[2]。動(dòng)物攝入菊粉后，腸道內(nèi)有益菌豐度增加，如雙歧桿菌和嗜黏蛋白阿克曼氏菌[9]。Wu 等[3]利用菊粉飼喂仔豬后，發(fā)現(xiàn)盲腸厚壁菌門和擬桿菌門比例降低。其中嗜黏蛋白阿克曼氏菌數(shù)量增加可預(yù)防脂肪性肝炎、降低血清甘油三酯，減少脂肪沉積[10]。盲腸羅斯氏菌、雙歧桿菌、乳酸菌等腸道益生菌能緩解胰島素抵抗和降低血脂，改善機(jī)體脂肪代謝[11]。表明菊粉作為添加劑可有效改善腸道微生物結(jié)構(gòu)，增加益生菌豐度，調(diào)節(jié)動(dòng)物脂代謝。

1.2 菊粉通過菌群代謝產(chǎn)物對(duì)動(dòng)物脂肪代謝的影響 菊粉攝入后被乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬及糞桿菌屬等吸收利用，SCFAs 分泌增加[12]。Igarashi 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，高脂日糧添加菊粉飼喂小鼠12 周后，小鼠糞便中乙酸、丙酸和丁酸水平提高。SCFAs 作為信號(hào)分子，可激活GPCRs 通路中GPR43 和GPR41 特定細(xì)胞表面受體從而達(dá)到調(diào)節(jié)脂肪代謝的作用[6]。其中乙酸通過調(diào)節(jié)GPR43 控制脂肪代謝，抑制腎上腺素分泌，誘導(dǎo)脂肪分解[14]。當(dāng)機(jī)體內(nèi)乙酸達(dá)到一定濃度時(shí)，瘦素基因表達(dá)量上升[15]。瘦素主要存在于白色脂肪中，與能量代謝密切相關(guān)，瘦素分泌不足時(shí)機(jī)體會(huì)出現(xiàn)多種不良癥狀，如皮下脂肪堆積、免疫缺陷、食欲過盛等[16]。Song 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，菊粉通過腸道菌群介導(dǎo)的瘦素腺苷酸活化蛋白激酶（Adenylate Activated Protein Kinase，AMPK）信號(hào)通路對(duì)肥胖小鼠的代謝紊亂有治療作用。此外，Hiroko 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，GPR43 能影響胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，增加胰島素分泌，促進(jìn)糖脂代謝，降低血糖水平。丁酸激活GPR41 受體，誘導(dǎo)分泌腸道運(yùn)動(dòng)抑制激素-酪酪肽（Peptide YY，PYY）[19]。PYY 誘導(dǎo)絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen Activated Protein Kinase，MAPK）磷酸化激活MAPK 信號(hào)通路，促進(jìn)腸道上皮細(xì)胞生長(zhǎng)，調(diào)控機(jī)體能量代謝[20]。丙酸除經(jīng)GPCRs 通路調(diào)節(jié)糖脂代謝外，還誘導(dǎo)腦-腸軸信號(hào)傳遞，激活交感神經(jīng)系統(tǒng)，調(diào)控去甲腎上腺素、胰高血糖素和脂肪酸結(jié)合蛋白的分泌，參與三羧酸循環(huán)調(diào)節(jié)肝臟糖異生，進(jìn)而影響糖脂代謝[21]。綜上所述，菊粉介導(dǎo)下SCFAs 可調(diào)控脂肪代謝（圖1），但SCFAs 如何從外周神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信號(hào)對(duì)脂肪代謝產(chǎn)生影響還有待研究。

圖1 菊粉介導(dǎo)SCFAs 對(duì)脂肪代謝的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)

Wang 等[22]利用菊粉飼喂育肥豬發(fā)現(xiàn)，膽汁酸水平上升，肝臟甘油三酯含量降低，減少脂肪沉積。BA作為信號(hào)分子激活腸道、肝臟以及脂肪組織內(nèi)受體，調(diào)節(jié)膽固醇、甘油三酯等脂肪代謝[7]。BA 通過FXR/G 蛋白偶聯(lián)的膽汁酸受體（Takeda G-protein-coupled Receptor 5，TGR5）等通路對(duì)糖脂代謝進(jìn)行調(diào)控。一方面激活FXR，誘導(dǎo)肝臟清道夫受體B 類1 型表達(dá)并降低循環(huán)總膽固醇和高密度脂蛋白膽固醇的濃度，增加逆向膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)，還能支配肝臟糖異生，使低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白攝取增加[23]。Xia 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，日糧添加菊粉增加肉雞低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白水平，進(jìn)而減緩脂肪沉積。Huang 等[25]添加菊粉飼喂高脂飲食倉(cāng)鼠8 周后，血清甘油三酯和總膽固醇水平降低，有效改善脂肪代謝。另一方面BA 通過上調(diào)載脂肪蛋白CII、載脂蛋白e和磷脂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)，提高血清膽固醇和甘油三酯含量[23]。菊粉降低肝臟和血清總膽固醇合成關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子SET結(jié)合因子2和脂代謝酶基因表達(dá)，加快代謝物中BA 和中性甾醇的清除[26]。此外，BA 刺激骨骼肌和棕色脂肪組織中TGR5 信號(hào)通路，將II 型碘腺苷脫碘酶局部激活，活化甲狀腺素調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)能量代謝，而在肝巨噬細(xì)胞中，激活TGR5 會(huì)抑制LPS 所誘導(dǎo)的細(xì)胞因子產(chǎn)生[27]。菊粉促進(jìn)腸道菌群代謝BA，進(jìn)而激活FXR、TGR5 等信號(hào)通路，參與肝臟糖異生等能量代謝，但其是否影響腸道菌群其他分泌物，再控制機(jī)體本身膽汁合成分泌的機(jī)制還有待深入研究。

在JAK-STAT 途徑中，LPS 激活非受體型酪氨酸蛋白激酶2 型（Janus Kinase 2，JAK 2）受體，使信號(hào)傳導(dǎo)與活化轉(zhuǎn)錄因子3（Signal Transducer and Activator of Transcription 3，STAT 3）發(fā)生磷酸化，誘導(dǎo)前脂肪細(xì)胞中胞漿型磷脂酶A2（Cytosolic Phospholipase A2，cPLA 2）基因表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)前脂肪細(xì)胞增殖和脂肪合成[8]。研究發(fā)現(xiàn)，菊粉飼喂Ⅱ型糖尿病動(dòng)物模型，試驗(yàn)鼠血漿中LPS 含量顯著減少，炎性細(xì)胞因子IL-1和腫瘤壞死因子-α（Tumor Necrosis Factorα，TNF-α）表達(dá)降低，可有效抑制腸道炎癥發(fā)生[28]。另外，在AMPK 通路中，LPS 激活A(yù)MPK，增加cPLA 2基因表達(dá)，使相對(duì)獨(dú)立的前脂肪細(xì)胞和脂肪細(xì)胞產(chǎn)生通路及活性增加，導(dǎo)致脂肪細(xì)胞堆積[29]。王娟等[30]研究發(fā)現(xiàn)，菊粉通過上調(diào)AMPK表達(dá)量，降低大鼠體內(nèi)血脂、血糖和胰島素含量，證明菊粉可通過調(diào)控AMPK表達(dá)控制機(jī)體脂肪代謝。Grisouard 等[31]研究發(fā)現(xiàn)，LPS啟動(dòng)核因子κB 抑制劑激活酶β蛋白（IκB kinase beta protein，IKKβ）/核轉(zhuǎn)錄因子（Nuclear Factor-kappa B，NF-κB）通路后，激活I(lǐng)κBα 激酶并使其磷酸化，上調(diào)炎細(xì)胞因子IL-6和IL-8的mRNA 表達(dá)，引發(fā)炎癥反應(yīng)。菊粉還可以提高血清中胰高血糖素樣肽-1 水平，減少IL-6 分泌，抑制肝臟糖異生，降低胰島素耐受性，促進(jìn)機(jī)體對(duì)葡萄糖攝取和利用[32]。綜上所述，菊粉通過LPS 分別介導(dǎo)JAK-STAT、AMPK 和IKKβ/NF-κB 等信號(hào)通路對(duì)脂肪代謝進(jìn)行調(diào)控，但是菊粉抑制內(nèi)毒素分泌的機(jī)制相關(guān)文獻(xiàn)較少，菊粉介導(dǎo)的機(jī)體內(nèi)LPS 水平仍需要進(jìn)一步的研究論證。

2 菊粉在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

菊粉被腸道菌群分解產(chǎn)生SCFAs、BA、乳酸等分泌物，可增強(qiáng)機(jī)體免疫力，調(diào)控脂代謝，提高動(dòng)物生產(chǎn)性能。在家畜方面，Wang 等[33]研究發(fā)現(xiàn)，育肥豬日糧中添加0.5%菊粉能降低豬血清中膽固醇和血糖含量，促進(jìn)脂代謝，增大腰部眼肌面積，提高育肥期豬平均日增重和屠宰率。Robak 等[34]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在日糧中添加2%菊粉能引起育肥豬體內(nèi)腎皮質(zhì)、髓質(zhì)中20 和26 個(gè)蛋白點(diǎn)的表達(dá)變化，而添加4%菊粉導(dǎo)致腎皮質(zhì)和髓質(zhì)中44 和24 個(gè)蛋白點(diǎn)表達(dá)的變化，2 種菊粉添加量都能有效調(diào)控與能量代謝相關(guān)蛋白質(zhì)表達(dá)，如菊粉通過調(diào)控葡萄糖磷酸化酶和糖酵解酶活性影響腎臟糖異生進(jìn)而降低血糖濃度，對(duì)育肥豬腎臟健康有積極作用。對(duì)于斷奶仔豬，日糧添加菊粉可增加腸道內(nèi)乳酸菌數(shù)量，提高密封蛋白、緊密連接蛋白和黏蛋白等腸內(nèi)屏障功能相關(guān)基因表達(dá)量，加強(qiáng)腸道屏障作用[12]。Barszcz 等[9]在日糧中添加菊粉飼喂仔豬50 d 后，試驗(yàn)組豬體內(nèi)盲腸上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞數(shù)量增加，機(jī)體免疫功能增強(qiáng)。在反芻動(dòng)物方面，采用添加菊粉的日糧飼喂肉牛42 d，瘤胃SCFAs濃度增加，可促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收改善能量代謝，肉牛采食量、飼料利用率和日增重等生長(zhǎng)性能指標(biāo)均有顯著提高[35]。犢牛飼喂添加菊粉日糧56 d 后，試驗(yàn)組犢牛平均日增重高于對(duì)照組約0.7 kg，證明菊粉對(duì)牛生長(zhǎng)性能有正向作用[36]。在家禽方面，菊粉多用于提高肉雞、蛋雞的生產(chǎn)性能，增加產(chǎn)蛋率及延長(zhǎng)雞蛋保質(zhì)期。研究發(fā)現(xiàn)，相較于對(duì)照組，日糧中添加4%菊粉可改善肉雞腸道菌群結(jié)構(gòu)，增加乳酸菌和擬桿菌豐度，血清中甘油三酯含量降低31.3%，免疫球蛋白M 水平顯著增加，肉雞脂代謝和免疫系統(tǒng)功能得到改善，顯著提高日增重[24]。Shang 等[37]研究發(fā)現(xiàn)，添加15 g/kg 菊粉后蛋雞平均蛋重和產(chǎn)蛋率分別較對(duì)照組提高2.54%、3.09%。在蛋雞日糧中添加15～20 g/kg 菊粉后，蛋黃對(duì)1,1-二苯基-2-三硝基苯肼和2,2-聯(lián)氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二銨鹽自由基的清除活性提高，且蛋黃總酚含量和鐵還原力增加，延長(zhǎng)雞蛋保質(zhì)期[38]。Stefaniak 等[39]在孵化期間給雞蛋注射菊粉和乳酸菌的混合物，發(fā)現(xiàn)可提高孵化后雛雞血清中IgG，加強(qiáng)雛雞抗原免疫防御。目前，菊粉在畜禽動(dòng)物上的研究主要集中于增強(qiáng)機(jī)體免疫機(jī)能、調(diào)控脂代謝、改善動(dòng)物生產(chǎn)性能等方面，但菊粉能否提高畜禽肉、乳產(chǎn)品質(zhì)量等還有待深入研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

菊粉通過改善腸道菌群環(huán)境及其代謝物調(diào)控機(jī)體脂肪代謝能力。在菌群方面，菊粉通過增大厚壁菌門、擬桿菌門比例，加快機(jī)體消化作用。在菌群代謝物方面，菊粉通過影響代謝物含量參與脂肪代謝相關(guān)通路：①提高SCFAs 水平，激活GPCRs 途徑調(diào)控瘦素、胰島素和腎上腺素等激素分泌以及肝臟糖異生，減少脂肪沉積；②促進(jìn)次級(jí)BA 的合成，介導(dǎo)FXR/TGR5 通路降低機(jī)體總膽固醇和甘油三酯含量；③減少LSP 分泌，進(jìn)而抑制JAK-STAT、AMPK 和IκBκ/NF-B 通路表達(dá)，降低炎性因子與脂肪細(xì)胞合成。目前，菊粉在維護(hù)腸道健康、減少脂肪沉積方面的研究逐漸增多，其在調(diào)控畜禽生長(zhǎng)性能方面的潛力越來(lái)越明顯，但菊粉是否能夠改善棕色脂肪代謝、不同聚合度菊粉對(duì)脂肪代謝的調(diào)控機(jī)制研究尚淺。