菊粉對單胃動物腸道免疫功能的調(diào)節(jié)及應(yīng)用研究進(jìn)展

黃超勇，羅子林，黎力之，廖曉鵬，張海波，關(guān)瑋琨*，郭冬生*，陳志斌

（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)境重點實驗室，宜春學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，江西宜春 336000；2.江西東旺動物微生物有限公司，江西宜春 336000）

菊粉是混合天然益生元，存在于菊苣、菊芋、蒲公英和土木香等植物塊莖及塊根中，主要由（1-2）糖苷鍵連接果糖單體形成低聚果糖，聚合度（DP）在2～60。DP 小于或等于10 的菊粉稱為果寡糖，又名短鏈菊粉，DP 大于10 則稱為長鏈菊粉。菊粉具有改善腸道健康、提高畜禽免疫力和降低飼料消耗比等多重功效，是一種天然飼料添加劑。研發(fā)高效、安全的植源性抗生素替代物，是現(xiàn)今動物營養(yǎng)研究的熱門方向。菊粉作為抗生素替代物，其以綠色、安全、無毒害等優(yōu)勢，在畜禽生產(chǎn)中逐漸受到重視。菊粉經(jīng)單胃動物結(jié)腸及其附近腸段吸收后，可增強機體免疫功能，改善動物腸道健康。菊粉對動物免疫調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)：一是菊粉有良好的益生效果，可優(yōu)化腸道菌群結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對機體腸道系統(tǒng)免疫功能的促進(jìn)；二是菊粉可提高動物體內(nèi)抗氧化酶含量及活性，增強腸道免疫防御功能，緩解機體氧化應(yīng)激損傷；三是菊粉經(jīng)腸道菌群代謝產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFAs），調(diào)節(jié)動物體膽汁酸（BA）代謝，介導(dǎo)G 蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體5（TGR5）和法尼醇Χ 受體（FΧR）等通路，增強動物免疫機能。目前，菊粉介導(dǎo)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物影響動物腸道免疫功能方面的系統(tǒng)綜述較少。因此，本文就菊粉對動物腸道免疫功能調(diào)節(jié)機制及其在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，以期為菊粉在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 菊粉生理功能

1.1 抗氧化功能 菊粉通過上調(diào)機體核因子E2 相關(guān)因子2（）、Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1（）表達(dá)，激活Nrf2/Keap1 抗氧化信號通路調(diào)節(jié)機體抗氧化酶活性，加速清除過量自由基，減緩動物氧化應(yīng)激。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加10.0 g/kg 菊粉飼喂杜×長×大斷奶仔豬21 d后，肝臟中和的mRNA 相對表達(dá)量分別提高93%、9%，過氧化氫酶（CAT）、總超氧化物歧化酶（T-SOD）活性分別提高15.79、0.19 U/mg prot，顯著降低了細(xì)胞膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛含量，提高機體抗氧化功能。利用15 g/kg 菊粉飼喂蛋雞56 d 后，1,1-二苯基-2-三硝基苯肼清除率提高21%，2,2-聯(lián)氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二銨鹽自由基活性減弱7.8%，肝臟SOD、CAT 和谷胱甘肽過氧化氫酶（GSHPx）等抗氧化酶含量及活性均顯著提高，增強機體總抗氧化力。菊粉五聚糖還可通過促進(jìn)蛋白激酶B（Akt）磷酸化，激活磷脂酰肌醇3 激酶（PI3K）/AKT 通路，上調(diào)內(nèi)皮型一氧化氮合酶和B 細(xì)胞淋巴瘤因子2 表達(dá)，抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Ca釋放，緩解氧自由基損傷。

1.2 維持腸道黏膜屏障完整 菊粉通常由-（2-1）糖苷鍵連接而成，可被乳酸桿菌、雙歧桿菌等腸道益生菌發(fā)酵利用，提高益生菌數(shù)量，改善腸道微生態(tài)。利用菊粉飼喂小鼠42 d 后，腸道雙歧桿菌科和乳酸桿菌科相對豐度顯著提高，腸道免疫應(yīng)答增強；菊粉還增加瘤胃菌科及擬桿菌目S24-7 群豐度，提高腸道丁酸鹽含量，促進(jìn)宿主免疫系統(tǒng)發(fā)育。菊粉在調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，促進(jìn)抗炎因子產(chǎn)生，增強腸黏膜屏障防御功能。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧中添加2%菊粉飼喂小鼠21 d 后，糞便中雙歧桿菌和乳酸桿菌豐度顯著增加，腸上皮黏蛋白2（MUC2）和ZO-1 表達(dá)量分別提高55.6%和35.0%，白細(xì)胞介素（IL）-10 含量增加41%，可改善腸黏膜屏障完整性，維持機體腸道微生態(tài)穩(wěn)定。補充0.4 g/（kg·d）菊粉也可改善雌性小鼠免疫器官（胸腺和脾臟）分泌抗炎因子能力，促進(jìn)干擾素-（IFN-）、IL-10 和IL-12等抗炎因子產(chǎn)生，增強腸道黏膜屏障功能。

1.3 免疫調(diào)節(jié)功能 菊粉通過調(diào)節(jié)Toll 樣受體（TLR）2 和TLR4 活性，可激活免疫細(xì)胞發(fā)揮效用，實現(xiàn)機體免疫調(diào)節(jié)。Leonie 等發(fā)現(xiàn)，攝入100 mg/mL 菊粉可激活TLR2 調(diào)節(jié)外周血單核細(xì)胞活性，促進(jìn)抗炎因子IL-10 與IL-12 分泌，增強機體免疫力。研究表明，補充適量菊粉后，可抑制TLR4 與下游成員髓樣分化因子88（MyD88）結(jié)合，降低核因子B（NF-B）活性，刺激巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞，下調(diào)和腫瘤壞死因子-（）等炎性基因表達(dá)，促進(jìn)IL-10 生成。同時，菊粉被單胃動物攝入后，經(jīng)腸道菌群分解產(chǎn)生活性代謝物參與調(diào)控機體免疫。Monica 等以0.14 g/（kg·d）菊粉飼喂大鼠28 d 后，其盲腸和糞便中乳酸桿菌和雙歧桿菌相對豐度顯著增加，SCFAs 水平顯著提高，腸道pH 降低，抑制嗜膽菌屬和鏈球菌屬等多種病原菌定植，增強機體抵抗炎癥的功能。菊粉促進(jìn)動物肝臟BA 分泌，并經(jīng)腸道菌群代謝后生成次級BA，而次級BA 可誘導(dǎo)TGR5 調(diào)節(jié)NF-B 通路活性，平衡動物體內(nèi)促炎因子和免疫因子含量，調(diào)控機體炎癥發(fā)展方向。菊粉可顯著增加腸道益生菌相對豐度，抑制革蘭氏陰性菌增殖，減少脂多糖產(chǎn)生，降低NF-B 通路活性，下調(diào)促炎因子表達(dá)，提高腸道免疫機能。

2 菊粉代謝物對動物腸道免疫的調(diào)控機制

2.1 菊粉介導(dǎo)SCFAs 途徑調(diào)控動物腸道免疫 研究發(fā)現(xiàn)，肥胖小鼠日攝食3.01 g 菊粉70 d 后，雙歧桿菌和乳酸桿菌豐度顯著增加，乙酸、丙酸和丁酸含量分別提高23%、61%、45%。提高SCFAs 水平可激活G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs），并抑制組蛋白去乙?；福℉DAC）活性，減少促炎因子生成，調(diào)控腸道免疫反應(yīng)。SCFAs 與GPR41 結(jié)合后，可抑制促炎因子IL-2 和IL-6 分泌，緩解腸道有害物質(zhì)與致病菌侵入血液循環(huán)引發(fā)炎癥反應(yīng)；SCFAs 與GPR43 結(jié)合后，可通過叉頭樣轉(zhuǎn)錄因子3（FOΧP3）提高調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞數(shù)量和活性，抑制腸上皮過度炎癥反應(yīng)，增強腸道免疫功能；SCFAs 可激活GPR109A 抑制NF-B 通路，下調(diào)炎癥因子和表達(dá)，并活化調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（Treg），促進(jìn)抗炎因子IL-18 分泌。研究發(fā)現(xiàn)，在生長豬飼料中添加0.5%菊粉飼喂21 d 后，其腸道內(nèi)乙酸、丙酸和丁酸水平分別提高46%、7%和52%，回腸和盲腸黏膜和的表達(dá)顯著增加，下調(diào)-和表達(dá)。上述研究表明，菊粉可促進(jìn)SCFAs 產(chǎn)生，介導(dǎo)GPCRs 激活，抑制炎性細(xì)胞因子分泌，調(diào)節(jié)腸道黏膜免疫反應(yīng)。菊粉促進(jìn)腸道微生物產(chǎn)生SCFAs 后，還可抑制HDAC 活性，上調(diào)雷帕霉素靶蛋白（mTOR）表達(dá)，減少促炎因子產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，妊娠母豬飼糧中添加1.5%菊粉飼喂21 d 后，斷奶仔豬血液總SCFAs 含量顯著提高，機體內(nèi)HDACs 活性降低21%。利用0.5%菊粉飼喂生長肥育豬95 d 后，盲腸乳酸桿菌相對豐度增加，降低大腸桿菌含量，顯著增加乙酸和丁酸含量，上調(diào)mTOR 表達(dá)。而菊粉在單胃動物體內(nèi)代謝產(chǎn)生的SCFAs 通過抑制HDAC，介導(dǎo)mTOR 通路（單胃動物調(diào)節(jié)T 細(xì)胞分化的關(guān)鍵通路）的激活，可促進(jìn)T 細(xì)胞分泌IL-10，并誘導(dǎo)輔助性T 細(xì)胞（Th）1、17 的生成。此外，SCFAs 還可促進(jìn)T 細(xì)胞分化為效應(yīng)T 細(xì)胞和Treg，減弱動物炎癥反應(yīng)。綜上，菊粉經(jīng)腸道菌群代謝產(chǎn)生SCFAs，活化GPCRs及抑制HDAC 表達(dá)，激活mTOR 通路，促進(jìn)T 細(xì)胞分化及IL-10 等抗炎因子生成，降低TNF-、IL-2 和IL-6等炎性因子水平，增強腸道免疫機能。

2.2 菊粉介導(dǎo)BA 代謝途徑調(diào)控動物腸道免疫 研究顯示，補充菊粉可增加動物肝臟BA 合成，提高血液BA含量及腸道菌群相對豐度，促進(jìn)BA 早期解離及次級BA 合成。次級BA 是FΧR 的關(guān)鍵信號分子之一，基因敲除的小鼠比野生型小鼠更易出現(xiàn)免疫系統(tǒng)障礙，TNF-和IL-6 等腸黏膜炎癥因子表達(dá)水平顯著上升，表明FΧR 對免疫調(diào)節(jié)功能有促進(jìn)作用。與正常小鼠相比，炎性小鼠體內(nèi)-鼠膽酸、脫氧膽酸和石膽酸等含量均顯著降低，腸道表達(dá)下調(diào)，ZO-1 含量顯著降低，腸道炎癥細(xì)胞因子IL-1、IL-6 及TNF-水平升高。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧添加5%菊粉飼喂仔豬72 d 后，盲腸初級BA 和次級BA 分別提高19.83%、16.12%，回腸、盲腸和結(jié)腸表達(dá)量分別增加11%、200%和45%，結(jié)腸表達(dá)提高63%，腸道免疫得到增強。Jena 等發(fā)現(xiàn)，飼糧添加6%菊粉飼喂小鼠150 d 后，螺桿菌和相對豐度顯著降低，BA 合成限速酶膽固醇7-羥化酶活性減弱，及其靶基因小異二聚體伴侶表達(dá)上調(diào)，等炎性基因表達(dá)下調(diào)，緩解了腸道炎癥損傷。此外，TGR5 是次級BA 的主要受體之一。研究發(fā)現(xiàn)，菊粉促進(jìn)腸道微生物產(chǎn)生BA 后，免疫細(xì)胞和腸道組織中表達(dá)上調(diào)，胞內(nèi)信使環(huán)磷酸腺苷含量增加，可抑制LPS 誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分泌促炎因子，降低IB激酶磷酸化，下調(diào)表達(dá)，減弱NF-B 活性，減少促炎因子IL-1、IL-6、TNF-、IL-1分泌，提高機體抗病力。綜上所述，菊粉可促進(jìn)單胃動物體內(nèi)BA 的產(chǎn)生，不僅可增強TGR5 和FΧR 通路表達(dá)，還可促進(jìn)ZO-1 合成釋放，下調(diào)和-等促炎細(xì)胞因子表達(dá)，增強動物腸道免疫功能。

3 菊粉在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用

菊粉經(jīng)腸道菌群分解吸收后，可增強機體抗氧化能力，促進(jìn)腸道發(fā)育，增加營養(yǎng)物質(zhì)吸收效率，改善動物生產(chǎn)、繁殖性能。在家畜生產(chǎn)中，妊娠母豬飼糧添加1.5%菊粉飼喂42 d 后，其產(chǎn)仔時間平均縮短29 min，窩總產(chǎn)仔數(shù)增加0.33，死胎率降低1.5%，仔豬窩內(nèi)體重變異系數(shù)降低2.21%，表明菊粉具有改善妊娠母豬產(chǎn)仔性能方面的作用。此外，菊粉對腸道形態(tài)、杯狀細(xì)胞數(shù)量和黏膜二糖酶酶活性均有促進(jìn)作用。研究發(fā)現(xiàn)，補充菊粉后架子豬回腸絨毛高度增長10%，隱窩深度降低15%，結(jié)腸隱窩杯狀細(xì)胞數(shù)增加1 倍，回腸麥芽糖酶酶活性上升42%，空腸麥芽糖酶酶活性上升34%，提高了日增重及飼料轉(zhuǎn)化率。在家禽方面，飼用菊粉后，家禽體內(nèi)抗氧化酶在禽蛋中沉積，抗氧化能力提高，保鮮期延長。研究發(fā)現(xiàn)，蛋雞飼糧分別添加0、5、10、15、20 g/（kg·d）菊 粉，DPPH 和ABTS 自 由基清除能力增加，血清總抗氧化能力分別提高29% 和20%，且隨菊粉添加量增加，生產(chǎn)雞蛋鮮度顯著提高，當(dāng)菊粉濃度達(dá)20 g/（kg·d）時達(dá)到峰值，產(chǎn)蛋量增加0.06%。另外，肉仔雞飼料中菊粉添加水平與直腸糞臭素濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，說明菊粉對肉雞養(yǎng)殖過程中有害氣體產(chǎn)生具有抑制作用。在水產(chǎn)方面，菊粉可增加腸道相關(guān)指數(shù)（如菌的豐度），改善腸道形態(tài)，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)吸收，提高飼料消化率，改善生產(chǎn)性能。在尼羅非魚魚苗飼料中添加5 g/kg 菊粉84 d 后，腸道總菌群數(shù)量、乳酸桿菌數(shù)和雙歧桿菌數(shù)顯著增加，腸絨毛高度和杯狀細(xì)胞個數(shù)分別提高17%、27%，飼料轉(zhuǎn)化率上升10%，日增重增加4 g/d。飼糧中添加0.4% 菊粉飼喂凡納濱對蝦40 d 后，餌料系數(shù)降低0.14，增重率增加46%，腸壁肌肉厚度和腸絨毛密度顯著提高，腸道淀粉酶、CAT、SOD 及酚氧化酶活性分別增強37%、218%、21% 和62%。目前，菊粉在畜牧生產(chǎn)中的應(yīng)用多集中于單胃動物及水產(chǎn)方面，但菊粉能否提高反芻動物肉、乳品質(zhì)還有待深入探究。

4 總結(jié)與展望

在調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)方面，菊粉通過提高益生菌豐度，降低有害菌對腸道屏障損傷，改善腸道健康，增強機體免疫調(diào)節(jié)能力。在腸道菌群代謝物方面，菊粉通過調(diào)節(jié)代謝物含量參與機體免疫相關(guān)途徑：①提高SCFAs水平，通過調(diào)控GPCRs 途徑和HDAC 通路，調(diào)節(jié)T 細(xì)胞分化情況，控制促炎細(xì)胞因子IL-2、IL-6、TNF-、IL-18 分泌；②提高BA 含量，介導(dǎo)FΧR 通路和TGR5通路，抑制炎癥機體內(nèi)NF-B 活性及增強非炎癥機體內(nèi)免疫因子表達(dá)。目前的研究表明，菊粉在維護(hù)腸道健康、調(diào)節(jié)動物免疫機能、改善畜禽生產(chǎn)和繁殖性能方面有重要作用。但關(guān)于菊粉對單胃動物腸道免疫調(diào)控的機理研究仍處于初級階段，其是否參與介導(dǎo)除乳酸桿菌和雙歧桿菌以外的更多菌屬及其代謝產(chǎn)物調(diào)控腸道免疫，以及菊粉是否參與更多細(xì)胞因子調(diào)控腸道炎癥反應(yīng)等問題尚未明確，并且菊粉在畜牧生產(chǎn)中對改善反芻動物肉、乳品質(zhì)的研究和應(yīng)用較少，還需進(jìn)一步探究。