氧化应激与母仔猪肠道菌群的互作及其营养调控

郝翔宇，王 浩，李绮琪，郑雪玥，伍子放，谭成全

（华南农业大学动物科学学院，广东广州510642）

由于养殖业规模化和集约化的发展，生猪饲养过分集中、个体空间严重不足、养殖环境恶化等问题逐步加重，高温、缺氧及刺激性气体等都会对生猪机体代谢造成负面影响，使其需氧量增加，代谢异常，影响其综合体质，破坏动物机体内氧化和抗氧化系统平衡，引发氧化应激，导致母猪繁殖力降低，淘汰率增加，种用年限下降。繁殖周期内母猪氧化应激将进一步传递给后代，加上仔猪自身经历多种氧化应激损伤，尚未成熟的抗氧化系统难以有效的清除过量的自由基，导致肠道氧化应激的发生及肠道菌群生态平衡被打破 （赵珂立，2011；EP等，2006）。本文探讨氧化应激对母仔猪肠道菌群稳态的影响及其互作效应，并综述促进母仔猪肠道健康和缓解氧化应激营养调控策略，以期为降低母仔猪氧化损伤，改善肠道健康，提高母猪年生产力提供理论依据和技术支撑。

1 氧化应激的概念

氧化应激状态是因为机体内的高活性分子物质，如活性氧（ROS）或活性氮（RNS）过多或机体清除高活性分子物质效率降低而引起的病理状态。动物机体内的ROS或RNS与脂质、蛋白质、碳水化合物和DNA等有机大分子物质进行氧化反应，使它们的结构和性质改变，使细胞的结构和功能受到损伤 （赵珂立，2011；Berchieri-Ronchi等，2011）。一般生物体内的自由基包括超氧阴离子自由基（O2-）、过氧化氢（H2O2）、过氧化氢自由基（HOO-）等。

2 母仔猪氧化应激与肠道菌群的互作

2.1 繁殖周期内母猪氧化应激与肠道菌群的互作

2.1.1 繁殖周期内母猪的氧化应激 在正常的生理状况下，母猪代谢过程中会产生必需的ROS，但机体的抗氧化系统会及时清除掉过量的ROS，使机体内的ROS处于相对稳定的状态，但在母猪繁殖周期中，母体在妊娠期及泌乳期自身代谢强度增加，导致体内ROS水平显著增加，使母猪受到氧化应激的风险也显著提高。在母猪正常的怀孕过程中，胎儿需要从母体获取营养，在妊娠后期，胎儿生长速度加快，其所需营养物质增加导致母体代谢强度增加，母体血液中甘油、游离脂肪酸和丙氨酸含量上升 （Burton等，2010），表明母体内ROS产生量增加。在母猪泌乳阶段，为满足仔猪营养需要，母猪处于严重的分解代谢状态，导致母猪体内产生过量的ROS，氧化应激增加 （Tan等，2015）。另有研究表明，在母猪繁殖周期内，环境应激（热应激和社会应激）会导致氧化应激加剧，与群居妊娠母猪相比，位于限位栏中的母猪机体自由基大量产生，造成抗氧化和氧化系统失衡，进而导致氧化损伤，氧化应激增加 （Wolter等，2003）。综上所述，在母猪的繁殖周期中，尤其是妊娠后期以及泌乳期普遍存在氧化应激。

2.1.2 氧化应激与母猪肠道菌群的互作 动物体内定植大量的肠道菌群，氧化应激产生过量的ROS会导致肠道结构破坏，肠黏膜缺血缺氧性损伤，肠道菌群稳态易被打乱 （Assimakopoulos等，2004），进而导致营养吸收受阻，严重影响猪的采食量、体增重及繁殖性能。此外，氧化应激通过改变肠道内环境作用于肠道菌群，导致大肠杆菌、粪链球菌、葡萄球菌等条件性致病菌大量增殖，并抑制乳酸杆菌、双歧杆菌等益生菌的增殖 （O'Mahony等，2015）。肠道氧化应激也可导致大肠杆菌等致病菌进入内环境，引发炎症反应，炎症因子激活巨噬细胞，后者在吞噬致病菌的过程中产生大量的ROS，进而导致乳酸杆菌等有益菌在肠道的定植和生物学功能的发挥受到抑制 （李超等，2014），肠道内条件性致病菌丰度增加，母猪更易受到氧化损伤，产生氧化应激 （Wang等，2018）。有报道指出母猪抗氧化能力与拟杆菌呈正相关而与链球菌呈负相关，也有研究证明拟杆菌的相对丰度可影响母猪的氧化应激 （Zhang等，2017），有益菌可通过产生相应的代谢产物进而维持肠道内氧化和抗氧化系统的稳态，如瘤胃球菌的代谢产物丁酸可作为结肠黏膜的营养来源，缓解肠道内的氧化应激 （Wang等，2018）。

2.2 仔猪出生及断奶氧化应激与肠道细菌的互作

2.2.1 仔猪出生及断奶氧化应激 仔猪出生时，外界环境与母体子宫内环境不同，且仔猪的呼吸方式由分娩前的被动呼吸变为分娩后的自主呼吸，多因素的骤变导致新生仔猪线粒体呼吸系统及其他生理代谢系统产生大量的自由基，而新生仔猪本身的抗氧化系统仍处于发育阶段，其清除ROS的能力十分薄弱 （Jain，2016），使新生仔猪易产生氧化应激。有研究表明，在仔猪出生当日，其血液中氧化应激标志物丙二醛（MDA）含量达900 pmol/mg，蛋白质及核酸氧化产物含量也最高；在仔猪出生7 d后，其血液中MDA含量下降至200 pmol/mg，另外仔猪出生时体内的抗氧化物酶活性较低，但在第7天时抗氧化物酶的活性显著升高（Yin等，2013）。由此可知仔猪出生会产生较多的ROS并增加仔猪氧化应激的可能性。

现代集约化养猪业中仔猪常采取在21～24 d断奶，然而因断奶过程中仔猪的营养来源从母乳到饲料的转变及饲养环境的改变导致仔猪出现断奶应激。有研究表明仔猪血液中MDA、一氧化氮（NO）及H2O2含量在断奶第3天后显著增加，调节ROS生成的肿瘤蛋白53有上升趋势 （Zhu等，2012）。而谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和超氧化物歧化酶 （SOD）等抗氧化物酶活性受到抑制（Luo等，2016）。可见断奶应激会进一步诱导仔猪氧化应激的发生。

2.2.2 氧化应激与仔猪肠道菌群的互作 断奶后仔猪肠道菌群发生显著变化，有益菌（乳酸菌）丰度明显下降，而仔猪条件致病菌（大肠杆菌）丰度增加 （Xu等，2014），有研究表明仔猪肠道内乳酸杆菌和双歧杆菌丰度与SOD及GSH-Px等抗氧化酶的活性呈显著正相关，但与MDA及H2O2含量呈显著负相关，表明肠道菌群丰度的变化与肠道内的抗氧化物以及自由基水平有关 （Xu等，2014）。过量的氧自由基可显著抑制机体肠道双歧杆菌等有益菌增殖，但对潜在病原菌无显著影响，且易加剧机体炎症反应 （David等，2014）。氧化应激导致仔猪回肠、盲肠和直肠中的大肠杆菌数量显著增加，而乳酸杆菌的数量显著降低，盲肠中的双歧杆菌数量显著降低 （Xu等，2014），仔猪产生的氧化应激会引起肠道菌群结构的变化，从而对肠道造成损伤。由于仔猪肠道功能发育不健全，未消化的蛋白质经肠道致病菌发酵会产生有毒胺（金立志等，2016），从而导致仔猪体内GSH含量降低，氧化应激增加 （Pieper等，2012）。肠道有益菌可将日粮纤维发酵为短链脂肪酸（SCFA）（Tian等，2017），SCFA可作为信号分子进而降低仔猪氧化应激 （Han 等，2016）。

3 营养干预对母仔猪氧化应激和肠道菌群的影响

3.1 植物提取物对母仔猪氧化应激和肠道菌群的影响 植物提取物的抗氧化特性可不同程度的修复和缓解氧化应激对机体的肠道损伤。研究报道止痢草油抗氧化效应的成分为香芹酚和麝香草酚，其可有效地清除ROS，增强肠道内SOD及GSH-Px的活性，促进肠道内有益菌的增殖，抑制条件致病菌的增殖 （Wei等，2015）。 邹轶（2017）研究表明，在饲粮中添加止痢草油，可降低母猪妊娠后期和分娩当天MDA及8-羟基脱氧鸟苷 （8-OHDG）含量，激活IPEC-J2细胞转录因子Nrf2，提高SOD及GSH-Px的活性和母猪妊娠后期的抗氧化能力，抑制NADPH酶的表达，降低ROS的产生，进而缓解母猪的氧化应激。妊娠母猪饲喂止痢草油饲粮增加了粪便中乳酸杆菌的数量并降低了大肠杆菌的数量，表明止痢草油可在有效抑制病原菌增殖的同时相对保护有益菌，维护肠道菌群区系的相对稳定 （Tan等，2015）。断奶仔猪试验中，饲喂仔猪香芹酚-麝香草酚日粮可显著降低仔猪肠道氧化应激和大肠杆菌数量，提高乳酸杆菌相对丰度 （Wei等，2017）。异黄酮具有活性酚羟基，可与活性氧自由基结合并使其失活，从而阻断自由基反应，缓解猪氧化应激 （高开国等，2016）。饲喂哺乳母猪含大豆异黄酮的饲粮，显著提高了母猪泌乳21 d的总抗氧物能力 （TAOC）和过氧化物酶 （CAT）活性，显著降低了MDA含量 （王志龙等，2016），并使肠道内条件致病菌（大肠杆菌）的数量显著降低，而有益菌（乳酸杆菌）数量显著升高 （李方方等，2015）。另有研究表明，在日粮中添加大豆异黄酮可显著降低断奶仔猪肠道内条件致病菌（大肠杆菌）的丰度，极显著的提高有益菌 （双歧杆菌和乳酸杆菌）的丰度（李方方等，2015），另外，还可抑制ROS的产生，增强内源性抗氧化物酶（SOD）的活性 （黄琳等，2011）。

植物提取物自身作为抗氧化物质，可直接清除体内过多的ROS进而缓解母仔猪的氧化应激，也可作为信号分子调控机体抗氧化物相关基因的表达，促进抗氧化物（SOD等）的产生和分泌，增强机体的抗氧化能力，从而维持肠道菌群及氧化和抗氧化系统的稳态。

3.2 日粮纤维对母仔猪氧化应激和肠道菌群的影响 日粮纤维无法被高等动物自身酶解，只能经肠道菌群酵解，不同来源纤维的发酵性差异显著。日粮纤维对母仔猪的氧化应激及肠道菌群的影响取决于纤维自身的理化性质如发酵性。高发酵性纤维可改变肠道菌群结构，减少氧化应激。有研究表明，高发酵性纤维显著增加了断奶仔猪肠道中的菌群多样性，尤其是乳酸杆菌属的数量（Konstantinov等，2004）。不被酶解的日粮纤维经肠道菌群发酵产生SCFA（如乙酸、丙酸和丁酸等（Kim等，2018）。SCFA通过刺激使肠道上皮细胞增殖，并产生酸性环境抑制病原性菌（如沙门氏菌和大肠杆菌等）的增殖，维持肠道菌群的稳态（Montagne等，2003）。据报道，仔猪饲喂玉米抗性淀粉日粮可以降低肠道内pH并增加SCFA浓度，减少蛋白质发酵有毒物质的产生，并可有效地增加肠道有益菌（乳酸杆菌等）的数量 （He等，2017）。妊娠母猪饲喂2.2%魔芋粉的日粮与对照组相比，前者在分娩当天GSH-Px的浓度显著增加，ROS和8-OHDG水平显著降低，肠道中乳酸菌的丰度显著提高，母猪氧化应激降低（谭成全，2016）。在仔猪试验中，高发酵性纤维日粮会使断奶仔猪肠道内条件性致病菌数量增加 （金立志等，2016），可能是由于仔猪发酵能力较差，高发酵性纤维未被完全分解，在肠道内累积，导致肠道菌群的紊乱。弱发酵性纤维不能为有益菌提供营养，但抑制有害菌的能力更强。有研究指出，用高木质素的黄花马尾松粉日粮及低木质素的麦麸日粮分别饲喂仔猪，结果表明，前者在减少大肠菌群数量上比后者更有效 （Schedle等，2008），这可能是因为未发酵消化纤维与肠道中大肠杆菌互作，从而加速有害菌排出体外 （金立志等，2016）。

高发酵纤维可促进有益菌增殖并抑制条件致病菌增殖，并可通过肠道菌群代谢产物如SCFA等信号分子激活抗氧化应激信号通路从而发挥抗氧化作用。高发酵性纤维的利用与动物肠道菌群发酵能力有关，其会对发酵能力差的仔猪产生不利影响。弱发酵性纤维主要抑制病原菌增殖，从而维持肠道菌群稳态，减少有毒产物的生成，缓解氧化应激。

3.3 功能性氨基酸母仔猪氧化应激和肠道菌群的影响 功能性氨基酸对降低母仔猪氧化损伤及维持肠道菌群的稳态有着重要的作用。主要包括谷氨酸（或谷氨酰胺）、精氨酸和半胱氨酸。谷氨酸可显著提升仔猪体内SOD、T-AOC及NO的浓度，显著降低血清中MDA水平（Yin等，2015）。谷氨酸是谷胱甘肽（GSH）的前体物质，其可从肠腔进入肠细胞，合成GSH，增强抗氧化能力，并可降低有害菌的入侵几率，缓解断奶应激对肠道造成的损伤并维持肠道菌群的相对平衡 （Lv等，2018）。有研究表明，谷氨酰胺可促进NO合成酶的合成进而使NO浓度增加，谷氨酰胺是肠道上皮细胞主要营养物质 （孔祥峰等，2009）。添加谷氨酰胺可抑制猪大肠杆菌利用谷氨酸，提高谷氨酸的浓度 （Zhao等，2013）。在妊娠母猪试验中，谷氨酰胺可促进磷酸戊糖途径的活性，从而提高母猪体内NADPH及GSH的水平，缓解氧化应激（林刚，2014）。另有报道精氨酸可显著改善仔猪的氧化损伤 （Zheng等，2013）。在氧化应激状态下，给猪补充精氨酸可以降低猪的氧化应激损伤，增加GSH的水平，增强抗氧化能力。饲喂补充精氨酸饲粮的母猪在21 d血液中NO的浓度上升（Guo等，2017），机体肝脏抗氧化酶的活性显著提高，过氧化物的释放及脂质过氧化物反应受到抑制 （Galli，2012）。补充精氨酸会减少回肠细菌对谷氨酸的利用，但会增加大肠杆菌对谷氨酸及谷氨酰胺的利用 （Dai等，2012）。半胱氨酸可合成N-乙酰半胱氨酸（NAC），后者可与ROS作用并清除自由基，从而提高NO的浓度，NAC可合成GSH进而增强抗氧化能力 （Zafarullah等，2003）。据报道，经NAC治疗的仔猪体内GSH增加而ROS降低 （Johnson等，2007）。猪半胱氨酸摄入及代谢缺陷可能会导致氧化应激，补充半胱氨酸则可有效地增加猪空肠黏膜中的GSH浓度，缓解氧化应激 （唐天悦等，2018；Heather等，2003）。 另有研究表明，半胱氨酸与谷氨酰胺均可使肠道乳酸菌数量恢复到正常水平并抑制大肠杆菌的繁殖，使ROS水平恢复正常 （Xu等，2014）。

功能性氨基酸可直接影响抗氧化物的合成，进而影响机体抗氧化系统的活性，或通过调节信号分子的产生进而调节抗氧化系统。功能性氨基酸可以有效地清除机体内多余的氧自由基，维持氧化和抗氧化系统的稳态，同时部分氨基酸可作用于肠道，降低肠道内有害菌的数量，促进有益菌的增殖。

4 小结

母猪在繁殖周期内易发生进程性氧化应激。仔猪在出生及断奶两个关键时期因环境和营养供给方式的改变，使其体内产生大量的ROS从而发生氧化应激。母仔猪产生的氧化应激进一步导致其肠道菌群的稳态被打破，肠道屏障和功能受损，影响猪只健康状况和性能。母猪繁殖周期内氧化应激与肠道菌群失衡的因果关系及对繁殖泌乳性能的作用机理；妊娠期母猪肠道菌群及其代谢产物变化是否介导免疫调节而影响母乳质量；仔猪肠道发育未完善，日粮发酵程度及其产物对其肠道菌群及肠道功能的影响等还需进一步研究。