畜禽腸道菌群的營養(yǎng)代謝及其代謝產(chǎn)物研究進(jìn)展

李玉蓮，楊雪瑤，蔡翠翠，2

（1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院，寧夏固原 756000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院，陜西楊凌 712100）

腸道菌群是由微生物組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，它們維持著胃腸道的穩(wěn)態(tài)并通過產(chǎn)生生物活性代謝物來發(fā)揮作用。腸道微生物系統(tǒng)作為動物腸道內(nèi)最復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，其大量微生物參與其營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、分布、代謝以及機(jī)體的免疫，并影響動物生長和健康。腸道菌群的失調(diào)可引起多種疾病，如頑固性便秘、炎癥性腸病、腸易激綜合征和代謝綜合征等。因此，了解畜禽腸道菌群的營養(yǎng)代謝及代謝產(chǎn)物，對調(diào)節(jié)腸道菌群平衡對動物體健康有重要意義。

腸道菌群是研究其在宿主代謝和免疫（包括消化吸收、營養(yǎng)吸收、維生素合成和預(yù)防病原體定植）方面的熱點(diǎn)領(lǐng)域［1］。其與宿主的相互作用發(fā)生在許多層次上，包括復(fù)雜的信號通路和一系列微生物來源的生物分子，這些分子可以影響遠(yuǎn)端組織部位。如大量微生物產(chǎn)生的脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）可以增加腸道通透性，增加循環(huán)中的脂多糖水平，從而導(dǎo)致脂肪組織的低度炎癥反應(yīng)。研究表明，血漿中LPS 水平的增加可以改變內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)的色調(diào)，從而進(jìn)一步改變宿主的脂代謝水平，導(dǎo)致宿主過度進(jìn)食。多食可促進(jìn)脂多糖產(chǎn)生物質(zhì)的生長，最終形成惡性循環(huán)［2，3］。因此，腸道菌群與宿主脂肪組織和能量代謝的相關(guān)性需要進(jìn)一步深入研究。本研究探討了畜禽腸道菌群的營養(yǎng)代謝及其代謝產(chǎn)物的研究內(nèi)容及進(jìn)展，以期為相關(guān)的研究提供參考。

1 畜禽腸道菌群

動物腸道可為多種微生物提供良好的生活環(huán)境，研究發(fā)現(xiàn)在動物腸道中存在約500 種細(xì)菌，總數(shù)量高達(dá)1 014 個(gè)。腸道菌群是微生物多種群有機(jī)整體，腸道微生物與宿主共同構(gòu)成了相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境，互利共生［4］。有研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群的平衡有利于提高動物免疫力，保證動物體的健康。初生動物的腸道處于無菌狀態(tài)，之后細(xì)菌可從動物的口、鼻和肛門進(jìn)入到動物體消化道內(nèi)，2 h 便可從其腸道內(nèi)檢測到腸球菌、鏈球菌和葡萄球菌等需氧菌的存在［5，6］。不同種類動物的腸道微生物與相同動物不同腸道部位的微生物組成及數(shù)量均存在差異，日糧、環(huán)境、生理狀態(tài)、遺傳因素等均可影響動物腸道微生物的組成及數(shù)量。

雞大約在出生40 d 后腸道菌群達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，人大約在出生1 年后腸道微生態(tài)環(huán)境趨于穩(wěn)定。40日齡雞的腸道菌群主要由糞鏈球菌、大腸桿菌、擬桿菌亞種和乳桿菌屬亞種構(gòu)成，但其小腸內(nèi)的優(yōu)勢菌群為乳酸桿菌，其次是梭菌、糞鏈球菌和大腸桿菌；盲腸內(nèi)梭菌為優(yōu)勢菌屬，其次是梭桿菌屬、擬桿菌屬和乳桿菌屬［7］。

43 日齡健康仔豬腸道內(nèi)的優(yōu)勢菌群以乳桿菌、腸球菌和梭菌等厭氧或兼性厭氧菌為主，其次是雙歧桿菌，但其胃和十二指腸內(nèi)的優(yōu)勢菌群為雙歧桿菌，其次為乳酸桿菌；回腸內(nèi)的優(yōu)勢菌群為雙歧桿菌，其次為腸球菌；盲腸內(nèi)優(yōu)勢菌群為雙歧桿菌，其次為小梭菌；直腸中優(yōu)勢菌群為雙歧桿菌，其次為乳酸桿菌［8］。

反芻動物的瘤胃微生物復(fù)雜多樣，包括瘤胃細(xì)菌、厭氧真菌、古細(xì)菌和瘤胃原蟲，還有少量噬菌體，每克瘤胃內(nèi)容物中細(xì)菌數(shù)量為1 011 個(gè)，約有200 個(gè)種類；每克瘤胃內(nèi)容物中瘤胃原蟲105～106 個(gè)，覆蓋24 個(gè)屬；此外瘤胃內(nèi)還存在數(shù)量較少，但對營養(yǎng)物質(zhì)的發(fā)酵降解有重要作用的厭氧真菌［9］。

動物腸道菌群可促進(jìn)宿主對營養(yǎng)物質(zhì)（維生素、氨基酸、短鏈脂肪酸等）的消化、吸收和利用，并能夠抑制有害菌增長，阻止病原菌、致病菌的入侵，增強(qiáng)宿主免疫功能［10］。不同動物之間腸道菌群組成及數(shù)量差異較大，腸道菌群多樣性對動物生長以及健康均具有重要作用。

2 腸道菌群與營養(yǎng)物質(zhì)代謝

在日常飲食中，碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪是機(jī)體消耗的3 種宏量營養(yǎng)素，但它們在體內(nèi)不是完全被消化。一旦營養(yǎng)素的攝入量超過消化率，就可以逃逸初級消化，機(jī)體不能完全消化的飲食中的營養(yǎng)素就會作為微生物代謝的底物，產(chǎn)生發(fā)酵副產(chǎn)品，從而影響宿主健康。

2.1 腸道菌群與碳水化合物代謝

由于飲食對腸道微生物菌群變化的影響大，飲食結(jié)構(gòu)與短鏈脂肪酸（Short chain fatty acids，SCFAs）的組成密切相關(guān)。根據(jù)微生物群落在營養(yǎng)和生理需求方面的差異，特定的飼糧或促進(jìn)微生物群落的特定成員，或抑制其他成員。這些影響也可能直接影響SCFAs 的類型和豐度。對小鼠的研究表明，與瘦的個(gè)體相比，肥胖個(gè)體產(chǎn)生丁酸鹽微生物的宏基因組豐度較低。特別是在高脂肪飲食（High fat diet，HFD）飼喂后，乙酸和丙酸產(chǎn)生菌均被抑制［11］?？傮w而言，高脂飲食降低了腸道細(xì)菌的多樣性，尤其是那些參與SCFAs 生成的細(xì)菌，而高碳水化合物和高纖維飲食則有能力逆轉(zhuǎn)這一效應(yīng)［12］。在另一項(xiàng)研究中，Tay 等［13］比較了高碳水化合物、高纖維、低脂肪飲食（HC）與低碳水化合物、低纖維和高脂肪飲食（LC）對SCFAs 產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)無論是短期還是長期LC 處理，每種SCFAs，尤其是丁酸鹽都顯著下降。Fei 等［14］進(jìn)行了糞便微生物菌群移植和高纖維飲食試驗(yàn)，以研究微生物SCFAs 與宿主糖代謝的關(guān)系。無論采取何種干預(yù)措施來增加SCFAs 的產(chǎn)生，腸道生態(tài)失調(diào)得到改善，宿主的健康狀況得到恢復(fù)［15］。

2.2 腸道菌群與蛋白質(zhì)代謝

氨基酸分解代謝中，宿主對蛋白質(zhì)的消化代謝比碳水化合物和脂肪更易變，對蛋白質(zhì)的消化代謝受蛋白質(zhì)來源、食品加工等因素的影響。氨基酸發(fā)酵產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，包括胺、酚類、吲哚類和含硫化合物等有毒物質(zhì)，但是氨基酸代謝最豐富的終產(chǎn)物是SCFAs［16］。腸道菌群在氨基酸分解的起始步驟中發(fā)揮2 種重要作用，即脫氨生成羧酸和氨，或脫羧生成胺和二氧化碳。氨可以抑制線粒體耗氧量，減少腸上皮細(xì)胞（Intestinal epithelial cells，IECs）的SCFAs 代謝，因此過量的氨會對宿主產(chǎn)生負(fù)面影響。然而，宿主IECs 可以通過轉(zhuǎn)化為瓜氨酸和谷氨酰胺來控制氨濃度，所以尚不明確蛋白質(zhì)分解代謝的有毒界限。

含硫氨基酸中，含硫氨基酸蛋氨酸和半胱氨酸的分解代謝產(chǎn)生硫化氫和甲硫醇。許多不同的細(xì)菌物種在其基因組中均包含含硫氨基酸必需的降解酶，包括芽孢桿菌屬、梭狀芽孢桿菌屬和雙歧桿菌屬［17］。硫化氫可以甲基化為甲硫醇，然后甲基化為二甲基硫醚，這個(gè)過程是解毒過程，因?yàn)樾纬僧a(chǎn)物的毒性逐漸降低。甲硫醇也可以轉(zhuǎn)化為硫化氫，然后氧化為硫酸鹽以進(jìn)行解毒。硫酸鹽可被還原硫酸鹽的細(xì)菌利用，這是腸道硫循環(huán)的一部分。

芳香族氨基酸中，芳香族氨基酸降解可以產(chǎn)生多種吲哚和酚類化合物，它們可以作為毒素或神經(jīng)遞質(zhì)發(fā)揮作用。色氨酸（L-tryptophan，Trp）是哺乳動物必需的營養(yǎng)物質(zhì)，其內(nèi)源性代謝物參與腸道免疫穩(wěn)態(tài)和多種免疫疾病。Trp 的分解代謝可以產(chǎn)生色胺和吲哚［18］。吲哚是多種擬桿菌和腸桿菌科細(xì)菌產(chǎn)生的Trp 的主要細(xì)菌代謝物，在宿主防御中發(fā)揮重要作用。苯丙氨酸經(jīng)腸道菌群代謝可以產(chǎn)生苯乙胺和反式肉桂酸。苯乙胺可以通過促進(jìn)兒茶酚胺和5-羥色胺的釋放提高情緒和能量代謝，但是攝入過量苯乙胺會產(chǎn)生負(fù)面影響。有研究表明，苯乙胺在腸道內(nèi)的產(chǎn)生與克羅恩病的定位呈正相關(guān)，與糞大腸桿菌的相對豐度呈負(fù)相關(guān)［19］。

堿性氨基酸中，腸道內(nèi)的多種細(xì)菌如雙歧桿菌、梭菌、乳酸菌和鏈球菌等可以使堿性氨基酸脫羧形成胺副產(chǎn)物。精氨酸可以通過脫羧作用轉(zhuǎn)化為呱丁胺，還可以轉(zhuǎn)化為其他氨基酸，如鳥氨酸和谷氨酸，谷氨酸可以被脫氨生成4-氨基丁酸（4-Aminobutyric acid，GABA）。組氨酸分解代謝可產(chǎn)生組胺。

2.3 腸道菌群與脂質(zhì)分解代謝

新鮮水果、蔬菜、豆類和谷類富含膳食纖維，主要由植物多糖和木質(zhì)素組成。事實(shí)上，大多數(shù)哺乳動物不能產(chǎn)生消化這些復(fù)雜多糖所需的酶；因此，纖維素等纖維組分的降解主要依賴于宿主腸道內(nèi)微生物的代謝活動。在結(jié)腸中，膳食纖維由腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生，主要產(chǎn)出SCFAs，包括乙酸、丙酸和丁酸，其摩爾比約為60∶20∶20。每一種SCFAs 都可能是由不同菌株的細(xì)菌產(chǎn)生的，由每個(gè)物種所包含的相對獨(dú)特的代謝途徑介導(dǎo)［20］。研究表明，在不同的個(gè)體內(nèi)，腸道微生物群表現(xiàn)出獨(dú)特的模式，可以分為特定的類群，稱為“腸道型”［21］。個(gè)體腸道菌群的組成容易受許多內(nèi)外因素的影響，如個(gè)體差異、飲食攝入或抗生素暴露等，這些因素可能導(dǎo)致功能電位發(fā)生轉(zhuǎn)變，進(jìn)而影響SCFAs 的產(chǎn)生、組成和豐度。Ang 等［22］將人類樣本的糞便微生物菌群移植到C57BL/6J 無菌小鼠中，作為模擬人類腸道生態(tài)系統(tǒng)的工具，試圖揭示飲食成分與腸道微生物群落成員和功能之間的相互關(guān)系。給小鼠喂食不同類型的食物（低脂、高脂和低碳水化合物生酮飲食），然后研究其對腸道微生物的影響。在1 d 的飲食中，不同飲食組腸道菌群的初始結(jié)構(gòu)迅速改變，聚類分析也清楚地區(qū)分了高脂飲食和生酮飲食之間的微生物群落。此外，Reijnders 等［23］研究證明，當(dāng)肥胖人群的糞便微生物群落平衡被抗生素破壞時(shí)，糞便SCFAs 的總豐度、類型和分布都發(fā)生了顯著改變。研究表明，通過基因富集分析，高纖維飲食有助于增加腸道菌群中產(chǎn)生丁酸鹽的相關(guān)基因，而HFD 在轉(zhuǎn)錄水平上可以逆轉(zhuǎn)這些積極作用。這些發(fā)現(xiàn)可能進(jìn)一步揭示了飲食結(jié)構(gòu)如何影響腸道微生物產(chǎn)物，如SCFAs［24，25］。

3 腸道菌群代謝物的作用

機(jī)體的丙酮酸主要來自碳水化合物，是糖酵解途徑的終產(chǎn)物，在糖、氨基酸和脂肪的代謝聯(lián)系中起重要作用。宿主腸道微生物可以發(fā)酵丙酮酸產(chǎn)生琥珀酸、乳酸和乙酰輔酶A，這些中間產(chǎn)物可以進(jìn)一步代謝為SCFAs［26］。

SCFAs 包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸，是膳食纖維細(xì)菌發(fā)酵的產(chǎn)物。SCFAs 通過以下機(jī)制促進(jìn)宿主-微生物群代謝，它們很容易被用作產(chǎn)生宿主內(nèi)源性代謝物的碳源；作為激活宿主G-蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-coupled receptors，GPCRs）的信號分子，通過抑制組蛋白脫乙酰酶（Histone deacetylases，HDACs）影響宿主基因的表達(dá)［27］。SCFAs 可以通過減輕炎癥、改善自身免疫性疾病和過敏、維持腸道屏障和介導(dǎo)腸道病原體的定植抗性來增強(qiáng)宿主的健康，調(diào)節(jié)多個(gè)系統(tǒng)的功能，如腸道、神經(jīng)、內(nèi)分泌和血液系統(tǒng)。有證據(jù)表明，SCFAs 在維持腸道健康、預(yù)防和改善包括癌癥在內(nèi)的多種非傳染性疾病方面發(fā)揮了重要作用，作為關(guān)鍵介質(zhì)直接或間接在機(jī)體多個(gè)器官和組織中發(fā)揮著重要的生理作用。

腸道微生物分解Trp 產(chǎn)生含吲哚的代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物通過激活調(diào)節(jié)免疫的配體門控轉(zhuǎn)錄因子芳香烴受體（Aryl hydrocarbon receptor，AhR）來調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)。Trp 代謝產(chǎn)物對AhR 的刺激在很大程度上提高了抗炎反應(yīng)，有助于維持宿主-腸道微生物群的穩(wěn)態(tài)。Trp 代謝物能增加腸屏障功能。吲哚能夠通過增加頂端連接蛋白的表達(dá)來增加腸屏障功能，從而改善與腸道炎癥相關(guān)的疾病。5-羥色胺也是腸道微生物Trp 代謝的產(chǎn)物［28］。

次級膽汁酸中，原發(fā)性膽汁酸由肝臟產(chǎn)生，以溶解小腸中的膳食脂質(zhì)和脂溶性維生素。原發(fā)性膽汁酸主要循環(huán)回肝臟，但其中一小部分膽汁酸（約5%）進(jìn)入大腸，在腸道微生物的作用下進(jìn)一步代謝為次級膽汁酸。調(diào)節(jié)宿主代謝的2 種主要膽汁酸受體是G 蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1（G protein-coupled bile acid receptor 1，GPBAR1/TGR5）及法尼醇X 受體（Farnesoid X receptor，F(xiàn)XR）。膽汁酸的合成、代謝和在體內(nèi)的分布是通過膽汁酸、其受體FXR 和TGR5 以及與腸道微生物群之間的相互作用來調(diào)節(jié)的［29］。膽汁酸在脂質(zhì)平衡、碳水化合物代謝、胰島素敏感性及先天性免疫中發(fā)揮了重要作用。次級膽汁酸可以驅(qū)動肝癌，但也可以維持腸道屏障，防止腸道病原體的定植。

丙酮酸是由膳食纖維細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的，并可以進(jìn)一步還原生成乳酸。細(xì)菌丙酮酸和乳酸誘導(dǎo)小腸CX3CR1+單核細(xì)胞向腸腔伸出樹突，捕捉腸腔抗原，促進(jìn)抗原特異性免疫反應(yīng)，從而對沙門氏菌感染產(chǎn)生抵抗力［19］。乳酸、精胺和組胺對維持腸上皮細(xì)胞屏障完整性有重要意義。乳酸通過GPR81 依賴機(jī)制促進(jìn)腸干細(xì)胞分化。精胺和組胺通過抑制核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（NLRP3）炎癥小體降低IL-18 水平，從而降低腸道上皮屏障的完整性。

除了SCFAs 外，丙酮酸代謝的最終產(chǎn)物還有少量醇，包括乙醇、丙醇和2，3-丁二醇。醇類轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟，其中涉及轉(zhuǎn)化為SCFAs 的生理過程，在此過程會產(chǎn)生有毒醛。因此，高濃度的內(nèi)源性醇被認(rèn)為是導(dǎo)致非酒精性脂肪肝（Non-acoholic fatty liver disease，NAFLD）發(fā)生的因素。甲醇可作為甲烷和乙酰產(chǎn)生的底物，乙醇可與丙酸偶聯(lián)以發(fā)酵為SCFAs、戊酸。戊酸是研究較少的代謝物，但已證明它在體外和體內(nèi)都能抑制癌細(xì)胞的生長和某些梭菌的生長。微生物代謝物作為腸道微生物的信號，可以激活或抑制內(nèi)源性信號途徑，或作為宿主細(xì)胞的營養(yǎng)源。這些化學(xué)信使調(diào)節(jié)腸道微環(huán)境以耐受或不耐受特定的共生微生物［30，31］。

4 展望

動物健康是高效生產(chǎn)的前提條件，對機(jī)體的認(rèn)識長期集中在對營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收上，腸道菌群作為宿主重要的生態(tài)組成部分，通過多種信號途徑在維持宿主代謝和免疫方面發(fā)揮著重要作用。雖然腸道微生物對宿主某些生理功能的影響已被闡明，但這些研究為隨后的研究提供了指導(dǎo)，為克服肥胖和其他慢性炎癥疾病的微生物來源干預(yù)提供了指導(dǎo)。在眾多腸道微生物的積極作用中，維持腸道微生物穩(wěn)態(tài)已被越來越多的研究者重視，了解畜禽腸道菌群的營養(yǎng)代謝及其代謝產(chǎn)物的研究，對后續(xù)維持宿主腸道穩(wěn)態(tài)、改善機(jī)體健康具有重要意義。