宮內(nèi)發(fā)育遲緩對(duì)仔豬腸道微生物的影響及營(yíng)養(yǎng)調(diào)控

孔祥峰 余祖功 劉 洋*

(1.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)生理與代謝過(guò)程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410125；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院，南京 210095)

在我國(guó)規(guī)?；B(yǎng)豬生產(chǎn)中，宮內(nèi)發(fā)育遲緩(intrauterine growth retardation，IUGR)的發(fā)生率高達(dá)15%～20%。通常將新生仔豬出生體重低于平均體重的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差或10%作為IUGR的判定標(biāo)準(zhǔn)[1]。新生IUGR仔豬的體重低、免疫力差、死亡率高，存活下來(lái)的IUGR豬則生長(zhǎng)發(fā)育緩慢、飼料轉(zhuǎn)化率低、肉品質(zhì)和繁殖性能差，大大增加了生豬養(yǎng)殖的成本?，F(xiàn)有研究表明，仔豬IUGR的發(fā)生與母豬子宮容量、胎盤(pán)大小及功能、母體給胎兒的營(yíng)養(yǎng)成分和氧氣供給、孕體對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分的利用效率等因素有關(guān)[2]。其中，子宮容量不足和母豬營(yíng)養(yǎng)不良/過(guò)剩是導(dǎo)致IUGR的主要因素。

腸道是抵抗病原入侵的重要屏障，對(duì)維持動(dòng)物機(jī)體健康具有重要意義。腸道菌群的早期定植與動(dòng)物腸道先天性免疫和屏障功能的成熟以及生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)[3]，現(xiàn)有研究表明，IUGR新生仔豬的腸道發(fā)育和屏障功能受損嚴(yán)重，并且導(dǎo)致IUGR仔豬腸道疾病的發(fā)生，降低其生長(zhǎng)性能[4]；IUGR仔豬腸道微生物的早期定植、結(jié)構(gòu)組成、代謝特征與正常體重仔豬明顯不同[1]。研究顯示，飼糧添加植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)可恢復(fù)營(yíng)養(yǎng)不良模型無(wú)菌鼠的生長(zhǎng)性能[5]。由此可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群來(lái)改善IUGR動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文從腸道微生態(tài)角度綜述了IUGR仔豬腸道微生物的定植規(guī)律和代謝特征以及益生菌、益生元、氨基酸、植物提取物等功能物質(zhì)對(duì)IUGR仔豬腸道微生態(tài)的調(diào)控作用及可能機(jī)制，為改善IUGR仔豬的腸道健康和生長(zhǎng)發(fā)育提供參考。

1 IUGR對(duì)仔豬腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)和免疫功能的影響

腸道是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化與吸收的重要場(chǎng)所，也是機(jī)體內(nèi)最大的免疫器官和內(nèi)分泌器官，腸道健康對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。新生IUGR仔豬的小腸發(fā)育不全、腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能受損，表現(xiàn)為小腸的重量、長(zhǎng)度和腸絨毛表面積降低，腸絨毛呈鋸齒狀；腸道消化酶活性顯著降低，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收減少，生長(zhǎng)性能遠(yuǎn)低于正常體重仔豬[6]。

此外，IUGR仔豬腸系膜淋巴組織的功能受損，機(jī)體免疫力降低[7]。IUGR仔豬腸道中決定T細(xì)胞分型的叉狀頭轉(zhuǎn)錄因子3(Foxp3)和GATA結(jié)合蛋白3(GATA3)表達(dá)量升高，改變了仔豬T細(xì)胞的分型和數(shù)量以及仔豬血液中T輔助細(xì)胞(CD4+)/T抑制細(xì)胞(CD8+)的比值，影響機(jī)體的免疫力，易發(fā)生壞死性腸炎等腸道疾病[8]。有研究表明，IUGR仔豬腸系膜淋巴結(jié)中CD8+T細(xì)胞比例降低，空腸和回腸中CD4+和CD8+T細(xì)胞以及主要組織相容性復(fù)合物-Ⅱ類基因表達(dá)下調(diào)，說(shuō)明IUGR仔豬腸道黏膜免疫功能受損與T淋巴細(xì)胞亞群的失衡有關(guān)[9]?？傊琁UGR可導(dǎo)致仔豬腸道免疫功能受損，這可能是IUGR仔豬高死亡率的重要原因。

2 IUGR對(duì)仔豬腸道微生物定植規(guī)律和代謝特征的影響

豬的腸道微生物群落數(shù)量龐大，可產(chǎn)生具有多種生理調(diào)節(jié)作用的分子，包括短鏈脂肪酸(SCFA)、膽汁酸和生物胺等[10]。有研究表明，IUGR仔豬與正常體重仔豬的腸道菌群結(jié)構(gòu)組成和代謝特征存在顯著差異，并且IUGR仔豬的生長(zhǎng)發(fā)育與腸道菌群組成和多樣性的變化密切相關(guān)[11]。

2.1 IUGR仔豬小腸微生物的定植規(guī)律和代謝特征

出生12 h的IUGR仔豬腸道中定植的微生物依次為厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)和放線菌門(mén)(Actinomycetes)。與正常體重仔豬相比，7和21日齡的IUGR仔豬空腸微生物α多樣性和擬桿菌門(mén)豐度均明顯降低，21日齡時(shí)空腸顫桿菌克屬(Oscillibacter)豐度顯著降低，而28日齡時(shí)空腸大腸桿菌(Escherichiacoli)和志賀氏桿菌的豐度升高[12]。此外，IUGR還降低了仔豬空腸變形菌門(mén)(Proteobacteria)的豐度，增加了厚壁菌門(mén)和乳桿菌屬(Lactobacillus)的豐度[1]；增加了7日齡仔豬回腸微生物的α多樣性以及布勞特氏菌屬(Blautia)、瘤胃球菌科UCG-008(Ruminococcaceae UCG-008)、擬桿菌屬(Bacteroides)和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)等菌屬的豐度[13]，降低了21日齡仔豬回腸厚壁菌門(mén)和雙歧桿菌屬的豐度，增加了大腸桿菌、變形菌門(mén)和巴氏桿菌屬(Pasteurella)的豐度?？傊?，與正常體重仔豬相比，IUGR仔豬的小腸菌群組成無(wú)明顯差異，但一些腸道菌群的豐度發(fā)生了顯著改變，未來(lái)通過(guò)篩選這些差異菌并進(jìn)行無(wú)菌動(dòng)物驗(yàn)證，有助于改善IUGR仔豬的腸道健康。

厚壁菌門(mén)的主要代謝產(chǎn)物是丁酸，擬桿菌門(mén)的主要代謝產(chǎn)物是乙酸和丙酸[14]，瘤胃球菌屬的主要代謝產(chǎn)物是甲酸和乙酸等。另外，厚壁菌門(mén)的豐度與飲食中的能量攝入有關(guān)[15]。微生物功能預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，IUGR上調(diào)了仔豬回腸微生物中與蛋白質(zhì)折疊及相關(guān)加工、組氨酸代謝、無(wú)機(jī)離子轉(zhuǎn)運(yùn)、碳水化合物消化吸收等相關(guān)基因的豐度。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，IUGR仔豬回腸中雙歧桿菌屬、糞球菌屬(Coprococcus)和布勞特氏菌屬等菌屬的豐度與促炎細(xì)胞因子含量呈正相關(guān)，布勞特氏菌屬、瘤胃球菌科UCG-008和糞球菌屬3等菌屬的豐度與乙酸含量呈負(fù)相關(guān)，而布勞特氏菌屬、糞球菌屬3等菌屬的豐度與丁酸含量呈正相關(guān)[14]。腸道菌群可發(fā)酵腸道內(nèi)容物中的物質(zhì)生成各種代謝產(chǎn)物，IUGR可能通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群來(lái)改變仔豬腸道代謝物的產(chǎn)生，提示飼糧中添加篩選到的有益代謝物可能是改善IUGR仔豬腸道健康的途徑之一。

綜上所述，IUGR改變了小腸微生物的多樣性和豐度及其代謝活性，進(jìn)而影響仔豬的腸道健康，提示恢復(fù)小腸微生態(tài)的平衡可緩解IUGR給仔豬造成的副作用。

2.2 IUGR仔豬大腸微生物的定植規(guī)律和代謝特征

豬大腸中的微生物數(shù)量龐大，占腸道微生物總量的70%以上。有研究表明，IUGR仔豬盲腸和結(jié)腸厚壁菌門(mén)占比明顯高于、擬桿菌門(mén)占比明顯低于正常體重仔豬，并且腸道微生物的多樣性降低；此外，IUGR仔豬結(jié)腸內(nèi)容物中鏈球菌屬(Streptococcus)、瘤胃球菌科UCG-008和布勞特氏菌屬的豐度顯著增加，狹義梭菌屬1(Clostridiumsensustricro1)、土孢桿菌屬(Terrisporobacter)和副擬桿菌屬(Parabacteroides)的豐度顯著降低；另外，通過(guò)正常體重仔豬和IUGR仔豬盲腸微生物體外交叉發(fā)酵回腸食糜發(fā)現(xiàn)，IUGR仔豬回腸食糜的產(chǎn)氣量更高[16]?？傊?，IUGR可改變仔豬大腸微生物的組成、豐度和發(fā)酵能力，提示干預(yù)IUGR仔豬大腸微生物平衡可能是改善IUGR仔豬大腸健康的有效途徑。

SCFA是微生物發(fā)酵腸道內(nèi)的膳食纖維、抗性淀粉和支鏈氨基酸等產(chǎn)生的[17]，與腸上皮細(xì)胞的能量供給密切相關(guān)。有研究表明，IUGR降低了7日齡仔豬結(jié)腸中丙酸、異丁酸和支鏈脂肪酸的含量，21日齡仔豬結(jié)腸中乙酸、異戊酸和直鏈脂肪酸含量以及28日齡仔豬結(jié)腸中乙酸、丙酸、丁酸和直鏈脂肪酸的含量[17]。SCFA是維護(hù)腸道健康的重要代謝產(chǎn)物，可提高肝臟抗氧化酶活性和線粒體功能，增強(qiáng)IUGR仔豬的機(jī)體抗氧化能力，緩解IUGR仔豬的肝臟損傷[13]。總之，IUGR改變腸道內(nèi)SCFA的含量與大腸微生物群組成和豐度的改變密切相關(guān)，可能是導(dǎo)致IUGR豬腸道細(xì)胞受損和代謝功能異常的原因之一。

次級(jí)膽汁酸是腸道微生物的另一類重要代謝產(chǎn)物。擬桿菌、梭菌、乳酸菌、雙歧桿菌和李斯特菌等可產(chǎn)生膽汁酸水解酶解除甘氨酸或?；撬崤c膽汁酸的偶聯(lián)[18]；豬去氧膽酸可調(diào)節(jié)斷奶仔豬腸道上皮細(xì)胞的增殖和分化，激活空腸上皮細(xì)胞Wnt信號(hào)通路；鵝脫氧膽酸可促進(jìn)小腸黏膜保護(hù)和屏障功能相關(guān)的基因表達(dá)[19]。因此，膽汁酸是潛在的可用于調(diào)節(jié)豬腸道微生態(tài)的重要物質(zhì)，但對(duì)IUGR仔豬腸道健康和生長(zhǎng)性能的改善作用還有待進(jìn)一步研究?？傊?，IUGR改變了腸道微生物的結(jié)構(gòu)組成和多樣性，引起腸道內(nèi)膽汁酸代謝的變化，這可能是導(dǎo)致IUGR仔豬腸道功能降低、易發(fā)生腸道疾病的重要原因。

3 飼糧干預(yù)對(duì)IUGR仔豬腸道微生態(tài)的調(diào)控作用及可能機(jī)制

仔豬階段是改善IUGR豬腸道健康和生長(zhǎng)性能的主要窗口期，益生菌、益生元、氨基酸、植物提取物等功能物質(zhì)對(duì)IUGR仔豬的調(diào)控作用明顯。

3.1 益生菌與益生元

益生菌和益生元在調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)方面發(fā)揮著重要作用。例如，乳桿菌、雙歧桿菌、芽孢桿菌和屎腸球菌等通常被認(rèn)為對(duì)動(dòng)物的機(jī)體健康有益[20]。現(xiàn)有研究表明，在母豬飼糧中添加益生菌可促進(jìn)子代腸道有益菌的定植，減少壞死性腸炎的發(fā)生率和死亡率[21]；添加解淀粉芽孢桿菌和羅伊氏乳桿菌復(fù)合制劑可提高仔豬腸道瘤胃球菌的豐度，降低大腸桿菌和衣原體的豐度，增加仔豬糞便中甲酸、乙酸和乳酸的含量，進(jìn)而改善仔豬的腸道健康[22]；添加解淀粉芽孢桿菌可通過(guò)改善腸道黏膜結(jié)構(gòu)和緊密連接蛋白表達(dá)激活Toll樣受體信號(hào)通路，提高腸上皮細(xì)胞屏障和免疫功能[23]。

益生元是一類可選擇性地促進(jìn)腸道有益菌生長(zhǎng)或代謝的物質(zhì)[24]?，F(xiàn)有研究表明，在妊娠和哺乳期母豬飼糧中添加直鏈玉米淀粉可通過(guò)改變腸道菌群組成增加乳汁營(yíng)養(yǎng)成分含量，從而改善仔豬生長(zhǎng)性能[25]；飼糧中添加10%苜蓿草粉75 d可提高哺乳期母豬的采食量和腸道SCFA含量，降低IUGR仔豬的發(fā)生率[26]；瓜爾膠聯(lián)合預(yù)糊化糯玉米淀粉飼糧可調(diào)節(jié)母豬腸道微生物組成，提高仔豬出生重，降低IUGR的發(fā)生率[27]。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，母豬繁殖性能的改善與腸道微生物群組成的改變和膽酸代謝穩(wěn)態(tài)的改善有關(guān)[15]。

因此，母體補(bǔ)充益生菌或益生元是改善IUGR仔豬腸道菌群和機(jī)體健康的一種有效手段，其主要通過(guò)改善母豬腸道健康和生產(chǎn)性能并且影響子代腸道菌群的定植，減少I(mǎi)UGR仔豬的數(shù)量，改善其健康狀況。

3.2 氨基酸

氨基酸是腸道黏膜的主要能量底物，是腸道屏障關(guān)鍵蛋白的限制性成分，可調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答和氧化應(yīng)激[28]。豬乳中游離谷氨酰胺的含量在所有游離氨基酸中增幅最大，可促進(jìn)新生兒小腸的生長(zhǎng)發(fā)育[29]?，F(xiàn)有研究表明，給21日齡IUGR仔豬補(bǔ)充谷氨酰胺(每千克體重添加1 g)14 d可提高其生長(zhǎng)性能，改善腸道黏膜形態(tài)與功能，降低促炎細(xì)胞因子含量，提高抗炎細(xì)胞因子含量，誘導(dǎo)腸道熱休克蛋白70(HSP70)表達(dá)，進(jìn)而保護(hù)腸上皮細(xì)胞免受損傷[30]；飼糧中添加5.2 g/kg的蛋氨酸28 d可提高IUGR仔豬空腸絨毛高度、腸絨毛面積和還原型谷胱甘肽含量，降低IUGR仔豬空腸丙二醛和蛋白質(zhì)羰基含量以及腸上皮細(xì)胞的凋亡[31]，進(jìn)而改善IUGR豬的腸道健康[32]；飼糧中添加1.2 g/kg的乙酰半胱氨酸14 d可減輕氧化應(yīng)激引起的IUGR仔豬空腸黏膜線粒體腫脹，緩解IUGR仔豬腸道損傷，其機(jī)制可能是抑制了空腸黏膜線粒體產(chǎn)生超氧陰離子，恢復(fù)了氧化-還原狀態(tài)和線粒體功能[33]。由于IUGR仔豬內(nèi)源性精氨酸合成較低，因此在泌乳母豬飼糧中添加精氨酸可促進(jìn)低出生體重仔豬的生長(zhǎng)發(fā)育，這與精氨酸通過(guò)哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號(hào)通路激活胎盤(pán)蛋白質(zhì)合成并促進(jìn)小腸發(fā)育有關(guān)[34]?？傊?，補(bǔ)充功能性氨基酸可改善仔豬的抗氧化能力和免疫功能，增強(qiáng)仔豬腸道屏障功能，進(jìn)而提高IUGR仔豬腸道健康。然而，目前關(guān)于飼糧添加氨基酸對(duì)IUGR仔豬腸道菌群影響的相關(guān)研究較少，尚有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.3 植物提取物

植物提取物包括多酚、揮發(fā)油、多糖、有機(jī)酸和皂苷等物質(zhì)，具有安全、高效、綠色等優(yōu)點(diǎn)，可作為飼料添加劑應(yīng)用于動(dòng)物生產(chǎn)中[35]。姜黃素是傳統(tǒng)藥物姜黃中的一種成分，具有抗菌、消炎和抗衰老等功效。飼糧中添加200 mg/kg姜黃素可顯著改善IUGR豬空腸總超氧化物歧化酶活性，降低空腸丙二醛含量，通過(guò)核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)/Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1(Keap1)途徑減輕IUGR豬的空腸損傷[36]。飼糧中添加80 mg/kg雙氫青蒿素28 d可改善IUGR仔豬的腸道形態(tài)，增加絨毛高度和絨毛寬度[37]；提高小腸抗氧化酶活性，降低丙二醛含量，通過(guò)Nrf2/抗氧化反應(yīng)元件(ARE)信號(hào)通路減輕IUGR誘導(dǎo)的腸道氧化損傷，改善腸道微生態(tài)平衡[38]。此外，飼糧中添加300 mg/kg白藜蘆醇14 d可通過(guò)促進(jìn)Nrf2轉(zhuǎn)錄提高空腸超氧化物歧化酶的活性和表達(dá)，增加IUGR仔豬盲腸擬桿菌門(mén)、普雷沃氏菌屬、糞桿菌屬和副擬桿菌屬的豐度，抑制變形菌門(mén)、大腸桿菌和放線菌屬的生長(zhǎng)[39]?？傊?，植物提取物主要通過(guò)增強(qiáng)腸道抗氧化能力和免疫能力、改善腸道微生態(tài)平衡來(lái)促進(jìn)IUGR仔豬的腸道健康。

4 小結(jié)與展望

腸道微生物在調(diào)節(jié)腸道代謝和機(jī)體健康、促進(jìn)宿主生長(zhǎng)發(fā)育等方面具有重要作用。而IUGR引起的仔豬腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能損傷，是造成IUGR仔豬腸道微生物定植規(guī)律和代謝特征發(fā)生改變的主要原因，并進(jìn)一步擾亂了仔豬腸道微生態(tài)的平衡，最終導(dǎo)致IUGR仔豬腸道功能紊亂和生長(zhǎng)性能下降。

目前關(guān)于IUGR的防治方案較多，包括“寄養(yǎng)”和飼喂高蛋白質(zhì)飼糧，以及在飼糧中添加益生菌、益生元、氨基酸和植物提取物等功能性添加劑。雖然取得了一定的效果，但由于IUGR的潛在致病機(jī)制復(fù)雜，各種方案的防治效果不一。近年來(lái)隨著高通量檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用，逐漸揭示了IUGR仔豬腸道微生物與宿主的部分互作關(guān)系，同時(shí)篩選了一些與IUGR相關(guān)的微生物及其代謝產(chǎn)物，未來(lái)可通過(guò)無(wú)菌動(dòng)物的糞菌移植技術(shù)來(lái)驗(yàn)證其因果關(guān)系。此外，針對(duì)IUGR豬的腸道微生物定植規(guī)律、結(jié)構(gòu)組成和代謝特征，今后可通過(guò)調(diào)節(jié)IUGR豬的腸道微生態(tài)來(lái)改善其腸道功能，進(jìn)而促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育。另外，鑒于母源微生物可垂直傳遞給子代，也可以根據(jù)“母子一體化”理論通過(guò)調(diào)節(jié)母豬的腸道微生物來(lái)改善子代的腸道微生態(tài)，進(jìn)而發(fā)揮IUGR仔豬的生長(zhǎng)發(fā)育潛能。