環(huán)境溫度對動物腸道微生物菌群影響的研究進(jìn)展

郭新羽，沙玉柱，蒲小寧，呂衛(wèi)兵，劉 秀，胡 江，羅玉柱，王繼卿，李少斌，趙志東

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/甘肅省草食動物生物技術(shù)重點實驗室，蘭州 730070)

隨著微生物組學(xué)和生物信息學(xué)等新興學(xué)科的快速發(fā)展，人們對動物腸道菌群結(jié)構(gòu)、功能及其與宿主的相互作用有了全新的認(rèn)知。腸道微生物菌群由細(xì)菌、真菌、病毒和原生生物等組成，是以厭氧菌為主的復(fù)雜微生物群落。以人類腸道微生物組為例，經(jīng)過數(shù)百萬年的協(xié)同進(jìn)化與宿主共生，人體腸道內(nèi)的菌群含量數(shù)以億計，密度高達(dá)10個·g，大約包含超過300萬個基因。腸道微生物受母體因素和自身因素共同影響，母體健康狀況、分娩方式、飲食、應(yīng)激源、抗生素等都會影響腸道微生物群的狀態(tài)。腸道微生物通過其代謝產(chǎn)物影響宿主的能量代謝、行為、免疫、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和衰老機制。

環(huán)境溫度(ambient temperature)是一個重要的非生物環(huán)境變量，是構(gòu)成動物群落的組分，能夠影響動物對環(huán)境的適應(yīng)情況。溫度對微生物多樣性有重要的影響，研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度的變化會影響宿主腸道微生物的豐度及代謝產(chǎn)物的濃度。微生物通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)吸收代謝產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，如膽汁酸(bile acid，BA)、短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)、氨、酚、內(nèi)毒素等，作為微生物與宿主溝通的重要媒介，通過多種方式與宿主產(chǎn)生相互作用，包括調(diào)節(jié)糖脂代謝途徑、影響免疫細(xì)胞分化進(jìn)而維持宿主的生理平衡。溫度通過誘導(dǎo)腸道微生物菌群發(fā)生變化且對宿主適應(yīng)性產(chǎn)生影響，包括對腸道定植的抗性、宿主能量和營養(yǎng)同化以及宿主免疫的影響。腸道微生物菌群在冷暴露條件下產(chǎn)生顯著變化，這些冷微生物菌群(冷暴露條件下宿主腸道微生物菌群)的發(fā)酵活性和能量利用與宿主代謝有著明顯的關(guān)聯(lián)。綜上，在極端溫度條件下生活的動物，其腸道微生物可能存在明顯的特異性，這些受溫度誘導(dǎo)的微生物菌群在維持宿主健康和生長發(fā)育過程中扮演著不可或缺的角色。因此，深入研究并揭示腸道菌群對宿主的調(diào)控機制，對維持動物腸道健康和疾病防控具有重要意義。

1 腸道微生物對宿主產(chǎn)熱機制的影響

棕色脂肪組織(brown adipose tissue，BAT)和白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)不僅能促進(jìn)機體產(chǎn)熱，還能在寒冷暴露期間維持宿主核心體溫。WAT以甘油三酯(triglyceride, TG)的形式儲存能量，BAT分解脂類以產(chǎn)生熱量，兩類脂肪組織對調(diào)節(jié)宿主體溫都有重要的影響。Chevalier等發(fā)現(xiàn)，將冷微生物菌群移植到無菌小鼠體內(nèi)能增加宿主的胰島素敏感性，也能通過促進(jìn)WAT褐變和增加腸道吸收表面積來提高對冷刺激的耐受性，從而增加能量消耗和脂肪損失，進(jìn)一步提高宿主的抗寒冷能力。腸道微生物菌群也能夠參與體脂肪的形成，厚壁菌門與擬桿菌門的比例(Bacteroidetes/Firmicutes)被證明可以影響人類及小鼠的能量貯存和體脂含量，而Bacteroidetes/Firmicutes在不同環(huán)境溫度下存在著差異。Turnbaugh等在小鼠腸道菌群中的研究發(fā)現(xiàn)，擬桿菌門(Firmicutes)數(shù)量的減少與血液和組織中脂肪的增加有關(guān)。在不同溫度條件下，腸道微生物為適應(yīng)不同的環(huán)境條件會啟動一系列的產(chǎn)熱機制，供自身能量及宿主能量的利用(圖1)。然而，長時間處于寒冷環(huán)境的動物，在營養(yǎng)養(yǎng)分?jǐn)z取及能量吸收利用過程中，溫度與腸道的吸收能力并不呈穩(wěn)定的正相關(guān)，小鼠體內(nèi)阿克曼菌屬(-)的重新定植，可以通過逆轉(zhuǎn)細(xì)胞凋亡水平的持續(xù)下降，降低關(guān)鍵組織重塑、抗凋亡和葡萄糖攝取基因的表達(dá)，進(jìn)而防止腸道吸收的無限增加，以便在寒冷時最大限度地吸收熱量，最終使得溫度與冷誘導(dǎo)的腸道吸收能力并不呈正相關(guān)。微生物也可以通過其他信號通路對宿主體溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，微生物-腸-腦軸(microbial-gut-brain axis)是微生物與大腦交流互作的一種雙向通信系統(tǒng)，在冷馴化過程中，微生物-腸道-大腦通過cAMP信號通路相互作用，介導(dǎo)宿主能量攝入和產(chǎn)熱。冷暴露的微生物菌群增加了SCFAs及其游離脂肪酸受體2(FFAR2)的濃度，激活了cAMP-PKA-pCREB信號通路，增加了小腸和BAT中的去甲腎上腺素(noradrenaline，NE)濃度，進(jìn)一步增加了血清胃饑餓素(ghrelin)水平，導(dǎo)致宿主的能量攝入和產(chǎn)熱。而有關(guān)豬熱應(yīng)激的研究發(fā)現(xiàn)，熱暴露能夠增加豬的核心體溫，包括直腸溫度。Gabler等研究發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)激條件下胃腸道是最受影響的主要器官之一，環(huán)境溫度過高使血液重新循環(huán)到四肢以支持熱損失，從而使豬的腸道功能和完整性降低，進(jìn)一步增加熱暴露后2～6 h內(nèi)急性內(nèi)毒素血癥的風(fēng)險。因此，相關(guān)研究表明環(huán)境溫度過高對動物的健康、生產(chǎn)和福利會產(chǎn)生不利影響。

圖1 腸道微生物對宿主體溫的調(diào)節(jié)機制Fig.1 The regulatory mechanism of intestinal microflora on the host temperature

2 環(huán)境溫度對腸道微生物豐度及代謝產(chǎn)物的影響

2.1 對腸道微生物組成及豐度的影響

腸道微生物菌群具有較強的彈性，在應(yīng)對環(huán)境變化時發(fā)揮調(diào)節(jié)功能，溫度對腸道微生物的組成及代謝產(chǎn)物有著重要的影響。在不同溫度條件下，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物的變化對宿主產(chǎn)熱機制、消化系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)及適應(yīng)性有著重要的調(diào)節(jié)作用(圖2)。研究發(fā)現(xiàn)，低溫冷應(yīng)激條件會改變腸道微生物菌群的豐度。腸道微生物菌群在寒冷環(huán)境及溫暖環(huán)境有著不同的變化趨勢(表1)。在已鑒定的腸道菌群中，Bacteroidetes和Firmicutes是動物消化道微生物中的優(yōu)勢菌群，而Bacteroidetes和Firmicutes的數(shù)量占腸道菌群總量90%以上，其中專性厭氧菌數(shù)量約是需氧菌數(shù)量的1 000倍。Liu等在藏綿羊瘤胃菌群的研究中發(fā)現(xiàn)，寒冷季節(jié)Bacteroidetes豐度顯著增加，而Firmicutes顯著降低。Wang等發(fā)現(xiàn)，高原鼠兔在面臨食物短缺和溫度降低時，會降低腸道微生物多樣性和對食物的發(fā)酵能力來應(yīng)對冬季，這可能與Bacteroidetes在冬季的相對豐度較高有關(guān)。除這些優(yōu)勢菌群外，在反芻動物體內(nèi)某些菌屬如瘤胃菌科_NK4A214_group菌屬(_4214_)、uncultured_bacterium_f_Muribaculaceae菌屬、丁酸弧菌_2(_2)和琥珀酸菌屬()等在冷季(低溫)和暖季(高溫)條件下也存在顯著差異。Ramos-Romero等在大鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)低溫增加了梭狀芽孢桿菌亞群()和腸桿菌()的豐度，減少了乳酸桿菌()的豐度。

圖2 不同溫度條件下腸道微生物對宿主的調(diào)節(jié)機制Fig.2 The regulatory mechanism of intestinal microflora on the host under different temperatures

表1 不同環(huán)境溫度條件下腸道微生物菌群豐度的變化Table 1 Under different ambient temperatures, the changes in the abundance of intestinal microflora

在腸道微生物菌群熱應(yīng)激的相關(guān)研究中，Xiong等研究發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)激分別降低了豬擬桿菌門(Bacteroidetes)的相對豐度并增加了變形菌門(Proteobacteria)的相對豐度。Kohl和Yahn對處于熱應(yīng)激下的蝌蚪腸道菌群研究發(fā)現(xiàn)，溫暖環(huán)境顯著增加了腸道微生物菌群浮霉菌門(Planctomycetes)和分枝桿菌屬()的相對豐度。Horváthová等在等足類動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，腸道共生菌放線菌屬()的相對豐度隨溫度升高而降低。由此可以看出，受環(huán)境溫度的影響，腸道微生物菌群會發(fā)生顯著的變化，進(jìn)一步對宿主的生理及代謝活動起到一定的調(diào)節(jié)作用。

2.2 對腸道微生物代謝產(chǎn)物的影響

腸道微生物能產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，環(huán)境溫度的誘導(dǎo)會改變腸道微生物代謝產(chǎn)物的濃度，對維持和調(diào)節(jié)宿主活動有重要的作用。微生物代謝產(chǎn)物大致可分為兩類：1)經(jīng)腸道微生物直接對飼料成分進(jìn)行消化或發(fā)酵產(chǎn)生的代謝物；2)由腸道微生物群進(jìn)行生化修飾的宿主代謝產(chǎn)物。第一類標(biāo)志代謝產(chǎn)物，如SCFAs由小腸厭氧微生物通過發(fā)酵結(jié)構(gòu)性碳水化合物生成，具有促進(jìn)腸道黏液分泌、為結(jié)腸肌細(xì)胞提供能量等作用。低溫有利于微生物代謝產(chǎn)物SCFAs的產(chǎn)生，在冷應(yīng)激狀態(tài)下藏綿羊和小鼠腸道內(nèi)發(fā)現(xiàn)丙酸、丁酸及異戊酸有不同程度增加的現(xiàn)象。SCFAs在宿主體內(nèi)有著重要的作用，SCFAs可以擴散到細(xì)胞質(zhì)中，作為脂肪酸氧化(fatty acid oxidation，F(xiàn)AO)的底物，產(chǎn)生乙酰輔酶A(acetyl-CoA)并促進(jìn)三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, OXPHOS)。丁酸在轉(zhuǎn)化為丁酰輔酶A后，被動擴散到線粒體中，經(jīng)過β氧化后，參與TCA和OXPHOS產(chǎn)生能量。第二類標(biāo)志代謝產(chǎn)物，如次級膽汁酸(secondary bile acid)。能夠產(chǎn)生次級膽汁酸的細(xì)菌有擬桿菌屬()、乳酸菌屬()、雙歧桿菌屬()、梭菌屬()(XIVa和XI簇)和真桿菌屬()。而在冷應(yīng)激條件下，次級膽汁酸濃度受這些冷微生物菌群的影響顯著升高。次級膽汁酸在宿主體內(nèi)有著重要影響，作為G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(GPBAR1)和核受體亞家族1、H組成員4(NR1H4；也稱為FXR)的激動劑，可以調(diào)節(jié)樹突狀細(xì)胞(dendritic cell，DC)的功能，影響宿主免疫調(diào)節(jié)。

3 不同溫度條件下腸道微生物對宿主的影響

3.1 腸道微生物對宿主消化系統(tǒng)的影響

瘤胃上皮作為宿主與微生物相互作用的一個獨特場所，影響著整個機體對營養(yǎng)物質(zhì)的凈利用，而宿主與微生物群之間存在著顯著的相關(guān)性。如圖3所示，宿主的消化系統(tǒng)與腸道微生物的定植有關(guān)，腸道菌群可以通過多種途徑促進(jìn)宿主消化吸收以提高宿主消化率。在反芻動物的研究中發(fā)現(xiàn)黃牛瘤胃中Bacteroidetes的主要功能是降解碳水化合物和蛋白質(zhì)，F(xiàn)irmicutes攜帶許多與能量代謝相關(guān)的酶編碼基因，可以產(chǎn)生多種消化酶來分解各種物質(zhì)，從而幫助宿主消化和吸收營養(yǎng)物質(zhì)。北海道知床半島的野鹿可以從高纖維性食物中提取營養(yǎng)，并能夠在漫長的冬季生存下來與瘤胃微生物的定植有關(guān)，纖維素酶能分解高纖維性食物，但這種酶在反芻動物體內(nèi)必須由定植細(xì)菌產(chǎn)生。同樣地，小型食草動物主要依靠盲腸菌群消化纖維素和解毒植物毒素。在有關(guān)宿主消化系統(tǒng)的研究中，通過測定荷斯坦奶牛的干物質(zhì)消化率發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的升高，干物質(zhì)消化率有增加的趨勢，高環(huán)境溫度會提高干物質(zhì)消化率，可能是熱應(yīng)激抑制了瘤胃的流動性，延長了飼料在瘤胃中的停留時間，從而加速微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。

圖3 不同溫度條件下腸道微生物對宿主消化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機制Fig.3 The regulatory mechanism of intestinal microflora on the host digestive system under different temperatures

對單胃動物而言，宿主腸道內(nèi)定植的微生物菌群在適應(yīng)寒冷環(huán)境時會產(chǎn)生一系列的變化。研究發(fā)現(xiàn)處于冷應(yīng)激條件下的田鼠，其腸道微生物及代謝物影響了寒冷誘導(dǎo)的能量攝入和體溫調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)宿主的代謝和熱穩(wěn)態(tài)，這是由于冷應(yīng)激條件下定植在田鼠腸道內(nèi)的軟壁菌門(Tenericutes)、RF39菌門、乳酸菌門(Lactobacillaceae)、消化球菌門(Peptococcaceae)、梭菌門(Clostridiaceae)的含量較低，而毛螺菌門(Lachnospiraceae)含量高于溫暖條件下的田鼠。冷應(yīng)激條件下，仔豬通過增加瘤胃球菌科(Ruminococcaceae), 普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)和Muribaculaceae的豐度破壞仔豬腸道菌群平衡，影響宿主代謝生理。腸道微生物通過多種途徑提高宿主營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收和能量代謝，冷暴露期間宿主對于能量需求增加，這也使得冷微生物菌群通過誘導(dǎo)腸道絨毛和微絨毛長度增加、顯著提高腸道吸收表面積等變化來提高宿主消化率。

3.2 腸道微生物對宿主免疫系統(tǒng)的影響

腸道微生物菌群通過作用于腸道屏障對宿主起到保護(hù)作用，不同溫度條件下，腸道微生物對宿主免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機制如圖4所示。環(huán)境溫度通過誘導(dǎo)腸道微生物菌群對宿主免疫系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，研究發(fā)現(xiàn)，低溫可以降低大鼠體內(nèi)乳酸桿菌()和雙歧桿菌屬()的豐度。雙歧桿菌屬()、糞桿菌屬()和乳酸桿菌屬()等細(xì)菌也廣泛存在于新生反芻動物的空腸和回腸中，對提高機體營養(yǎng)物質(zhì)的消化與吸收、增強機體免疫及相關(guān)疾病預(yù)防等方面發(fā)揮作用。腸道微生物菌群能夠增強宿主腸道黏膜免疫系統(tǒng)維持機體健康，研究發(fā)現(xiàn)，嗜酸乳桿菌()通過黏附在腸上皮細(xì)胞上，在腸細(xì)胞表面形成一層生物屏障，可以減少大腸桿菌()對腸上皮細(xì)胞的黏附作用，增強屏障功能。益生菌(如乳酸菌或芽孢桿菌)作為一種非特異性免疫調(diào)節(jié)因子，通常作用于幼齡反芻動物小腸段，降低病原體對腸黏膜的黏附性，被認(rèn)為是穩(wěn)定腸道菌群平衡及抑制病原菌定植的有效手段。溫度對動物免疫系統(tǒng)有重要的調(diào)控作用，寒冷環(huán)境條件下，腸道微生物影響宿主體液免疫，對光周期和溫度處理的倉鼠研究發(fā)現(xiàn)，寒冷脅迫降低總脂肪量和白細(xì)胞數(shù)量，從而抑制倉鼠體液免疫。腸道菌群的定植還能誘導(dǎo)樹突狀細(xì)胞和組織細(xì)胞產(chǎn)生IL-1和IL-6，促進(jìn)初始B細(xì)胞(na?ve B細(xì)胞)分化為腸系膜中的淋巴結(jié)。腸道菌群還可直接通過微生物代謝產(chǎn)物影響宿主免疫，低溫能夠影響擬桿菌科(Bacteroidaceae)、普雷沃氏菌科(Para-prevotellaceae)等菌群的豐度，進(jìn)而影響SCFAs 和BA的濃度，而SCFAs(丁酸和丙酸)和一些次級膽汁酸(微生物轉(zhuǎn)化膽酸鹽產(chǎn)生的脫氧膽酸鹽)可以上調(diào)5-羥色胺產(chǎn)生的關(guān)鍵限速酶-色氨酸羥化酶(TPH1)的表達(dá)，對免疫細(xì)胞有重要影響。乙酸、丙酸和丁酸能夠通過抑制叉頭翼狀螺旋轉(zhuǎn)錄因子P3 (FOXP3)啟動子中的組蛋白去乙?；?HDAC)的活性來調(diào)節(jié)性免疫T細(xì)胞的擴增和抑制巨噬細(xì)胞復(fù)制影響免疫。

圖4 不同溫度條件下腸道微生物對宿主免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機制Fig.4 The regulatory mechanism of intestinal microflora on the host immune system under different temperatures

4 腸道微生物群對宿主其它功能的影響

除了對宿主消化代謝和免疫的影響，腸道微生物群的變化還會對宿主冷耐受性、壽命和繁殖特性及適應(yīng)性進(jìn)化產(chǎn)生一系列的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，宿主對冷耐受性的選擇可能導(dǎo)致腸道菌群的變化，一項關(guān)于羅非魚的研究發(fā)現(xiàn)，抗寒魚類的微生物群落對溫度變化具有較高的適應(yīng)能力，表明抗寒魚類的微生物群落是由宿主的選擇決定的。因此，根據(jù)羅非魚的耐寒性可以人工輔助選擇宿主。溫度驅(qū)動的腸道菌群變化也與宿主壽命有關(guān)，對普通蜥蜴的一項研究發(fā)現(xiàn)，溫度每升高2 ℃會導(dǎo)致蜥蜴?zhèn)€體腸道微生物群內(nèi)α-多樣性的下降，而α-多樣性與宿主死亡率呈負(fù)相關(guān)。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是溫度升高引起蜥蜴的共生菌和有益菌多樣性降低，進(jìn)而導(dǎo)致死亡率增加。腸道微生物也可以影響宿主健康的關(guān)鍵方面，對無菌果蠅進(jìn)行的菌種接種試驗表明，宿主腸道細(xì)菌菌株間的不同組合決定了宿主的關(guān)鍵生活史性狀，包括繁殖力、發(fā)育時間和死亡時間，繁殖能力越高的果蠅提早死亡的概率也越高。而以乳酸菌()為主導(dǎo)的陰道微生物群對宿主的生殖生理有著重要的影響。這些結(jié)果表明，熱應(yīng)激對腸道微生物群的破壞最終可能影響宿主的生長和繁殖特性。同樣地，腸道微生物群也驅(qū)動了家鼠的適應(yīng)性進(jìn)化，研究發(fā)現(xiàn)腸道細(xì)菌譜系在小家鼠物種中保留并隨著時間進(jìn)化而呈現(xiàn)多樣化。將不同種家鼠的腸道微生物移植到無菌家鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)外源腸道微生物減緩了宿主的生長速度并上調(diào)了巨噬細(xì)胞炎癥蛋白的表達(dá)。此外，外源腸道微生物增加了宿主肝的大小。這些結(jié)果表明，家鼠已經(jīng)適應(yīng)了其物種特異性的腸道菌群。由此可見，在動物的進(jìn)化過程中，腸道微生物菌群對宿主的適應(yīng)性也起著積極的作用。

5 小 結(jié)

腸道微生物菌群在動物生長發(fā)育過程中扮演著重要的角色，健康穩(wěn)定的腸道菌群可以促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，維持并改善腸道黏膜屏障的功能，進(jìn)而提高宿主免疫應(yīng)答水平。不同環(huán)境溫度下腸道微生物菌群豐度和代謝產(chǎn)物存在著顯著差異，這種差異能夠進(jìn)一步調(diào)節(jié)宿主的生理活動，包括對宿主體溫的調(diào)節(jié)、消化系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)及能量代謝的影響等。冷應(yīng)激條件下，腸道微生物的變化是宿主應(yīng)對極端環(huán)境的前提，冷微生物菌群通過在極端環(huán)境的生存優(yōu)勢增強宿主在冷環(huán)境中的適應(yīng)性。因此，通過探究溫度對腸道微生物的影響，掌握腸道微生物對宿主的適應(yīng)機制既有利于宿主產(chǎn)生有益的微生物菌群，又有利于宿主的健康。