提出酶制剂调控肠道微生物群落新理论
2022-03-25

近日,中国农业科学院北京畜牧兽医研究所饲用酶工程科技创新团队系统阐述了饲用酶制剂对肠道微生物群组成的影响,综合分析了酶在改善人类及动物健康应用领域的挑战及解决方案,提出了利用酶制剂调控肠道微生物群落的新理论,为合理选择和科学应用酶制剂奠定了理论基础。该综述文章发表在Cell综述系列子刊《微生物学进展(Trends in Microbiology)》上。

    在畜牧养殖业中,多种酶制剂被广泛添加到饲料中用于提高动物饲料消化率和生长性能。越来越多的研究表明,酶发挥的作用多与肠道菌群变化有关,然而利用特异性的酶调节肠道菌群进而治疗人类疾病及促进畜禽健康养殖的理论和研究却并未受到重视。

该文综合分析了口服酶制剂对肠道微生物群落构成产生的深远影响,总结了酶制剂影响肠道菌群的三种主要方式,即直接杀死肠道菌(如溶菌酶、葡萄糖氧化酶)、刺激特定肠道微生物增殖(如木聚糖酶、碱性磷酸酶)、干扰微生物网络(如淬灭酶)。文章还阐述了酶制剂在调控肠道菌群中的优势和在治疗人类疾病及促进畜禽健康养殖中的巨大潜力,分析了目前应用酶主动调控肠道菌群面临的主要挑战及解决方案,提出了通过构建靶向酶来精准调控肠道菌群的创新理论。

文章中国农业科学院北京畜牧兽医研究所苏小运研究员和姚斌院士共同完成。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和动物营养学国家重点实验室项目的资助。

 

调节猪肠道,首先要了解影响猪肠道微生物的因素

 

1、品种

研究表明人和小鼠的肠道微生物受遗传背景和环境因素的影响。猪肠道微生物同样受这两方面的影响。拟杆菌门,厚壁菌门,螺旋体门和变形菌门是荣昌猪和约克夏猪粪便微生物的优势菌群,但与约夏克猪相比,荣昌猪粪便微生物中厚壁菌门和螺旋菌门所占总菌群比率显著升高,拟杆菌门的丰度显著降低。这也是荣昌猪脂肪含量高的原因之一。通过扩增细菌16S rRNA基因V6-V8区序列进行DGGE分析指出,藏猪粪便中比长白猪有更丰富的微生物。对国内外不同品种的8个猪种的肠道微生物分析表明,肥胖型的中国地方猪种肠道菌群具有较高的相似性,含有较高比例的厚壁菌门和拟杆菌门,而瘦肉型的国外猪种之间也有一定的相似性,同时国内猪种肠道微生物的丰度高于国外猪种。上述研究表明了猪种是影响猪肠道微生物组成的因素之一。

 

2、日粮

膳食纤维是猪肠道微生物重要的底物,其对肠道功能的影响主要是通过猪后肠细菌的交互作用,包括肠道微生物群落组成的改变和发酵终产物的生产,来影响猪后肠对营养物质的消化吸收。日粮中提高膳食纤维水平可以增加分解纤维素和半纤维素活性的细菌。膳食纤维可以增加断奶仔猪大肠中有益菌的丰度,降低有害菌的丰度。哺乳仔猪日粮中添加苜蓿可增加盲肠和末端结肠中梭菌属和粪球菌属的数量,并且能够减少猪链球菌的数量;添加纯纤维素能够抑制盲肠中金黄色葡萄球菌的生长。其中粪肠球菌主要有产丁酸盐的作用,丁酸已被发现是一种健康促进代谢物,它可以诱导分化调节性T细胞,具有抗炎作用。而猪链球菌能够引起断奶仔猪的死亡。

蛋白也是重要肠道微生物的发酵底物。部分蛋白质在小肠中被发酵为小肽和氨基酸,而部分降解为支链氨基酸和一些有害物,如氨气,胺类物质和酚类化合物等,这些物质由许多细菌形成,例如拟杆菌属,丙酸杆菌属,链球菌属和梭菌属。例如支链氨基酸通过梭状芽胞杆菌通过Stickland反应大量产生。所以日粮中的蛋白水平对肠道微生物具有重要的影响。研究表明,日粮中添加酪蛋白可显著改善肠道内乳酸杆菌、双歧杆菌以及芽孢杆菌区系,增加肠道菌群的活性。高通量测序结果表明,用棉籽粕作为主要蛋白来源饲料饲喂仔猪,能够提高小肠微生物中有益菌的比例,如乳酸菌,梭菌等。

研究表明不同的脂肪含量可影响动物的肠道微生物数量及组成。荧光定量PCR结果显示,高脂日粮饲喂猪的肠道微生物中,拟杆菌属和肠杆菌属的数量显著升高,双歧杆菌和乳酸杆菌的数量则显著降低。低脂高纤维日粮促进有益菌和短链脂肪酸的产生,特别丁酸盐,而高脂低纤维日粮则促进对健康有负面影响的菌群。不同来源的脂肪酸也会对肠道微生物产生影响。研究椰子油、猪油和鱼油对盲肠的微生物数量影响时发现,与猪油相比,椰子油和鱼油可降低盲肠内容物中的大肠杆菌数量,减少大肠杆菌对猪的影响,增加乳酸杆菌和双歧杆菌数量。

 

3、抗生素

添加抗生素是维持和改善动物健康和饲料报酬最经济有效的方式,另外抗生素被广泛应用于畜禽疾病的治疗和预防。抗生素对猪肠道微生物有重要的影响。在ASP250抗生素复合剂对猪肠道微生物影响的研究中发现,添加ASP250 14天后,猪肠道微生物发生了显著的变化。给药组肠道中变形菌门从1%增加至11%,特别是大肠杆菌的数量;宏基因组分析显示,给药组肠道中与能量产生和转化相关的微生物功能基因增加。添加抗生素后虽然肠道微生物多样性增加,但是抗性基因的表达随之升高,增加了细菌的耐药性。16SrRNA V3区域焦磷酸测序结果显示,添加泰乐菌素后加速了猪肠道微生物菌群的定植和成熟,这种变化有利于提高猪的生产性能。卡巴多司是另一种在养猪产业广泛应用的抗生素,主要作用是防止猪腹泻和猪提高生产性能。16S rRNA测序结果表明,卡巴多司抑制由日粮引起的肠道大肠杆菌的生长,且作用效果迅速。上述研究表明使用不同的抗生素肠道微生物会发生不同的变化。虽然抗生素的使用可以促进肠道有益菌的生长抑制有害菌,但是过度依赖抗生素会提高病原菌的抗性,导致抗生素的使用效果下降。新一代测序技术的使用,能够准确的分辨出抗生素使用后肠道微生物的变化情况,对新型益生菌的开发提高了理论基础。

 

4、酶制剂

添加饲料酶制剂在促进生长和营养物利用效率的价值在动物生产中是公认的。酶制剂发挥作用的方式有以下几点:

1)降解日粮中不能被动物自身酶类水解的特殊化学键,如混合植酸盐;

2)消除细胞壁多糖,增加淀粉氨基酸矿物质的利用率;

3)分解日粮中的抗营养因子,如可溶性非淀粉多糖,植酸;

4)水解不溶性非淀粉多糖,提高后肠发酵能力从而提高总能的利用;

5)补充动物幼仔由于消化系统发育不成熟造成的内源酶不足,如脂肪酶,淀粉酶,蛋白酶等;

6)改善动物消化道环境。对酶制剂和动物肠道微生物的互作的研究,使我们更加深入了解了动物的生产性能与微生物之间的相互联系。在日粮中添加有淀粉酶、蛋白酶和木聚糖酶组成的复合酶制剂能提高仔猪增重和饲料转化率,增加胃中食糜粘度以及结肠中短链脂肪酸的浓度,同时增加了盲肠中乳酸菌的数目减少了结肠中大肠杆菌的数目。在断奶仔猪日粮中添加葡萄糖氧化酶可以提高猪的生产性能,增加血液中T3T4和生长激素的浓度,降低猪粪便中沙门氏菌的数量,促进肠道健康。35日龄开始添加木聚糖酶和β葡聚糖酶的混合酶制剂可以提高猪的生产性能,同时能够提高乳酸菌和枯草杆菌的数量,降低沙门氏菌和大肠杆菌的丰度,有利于肠道健康。

来源:微生物菌种技术及应用公众号