马肠道微生物组成及影响因素的研究进展

陶金山，苏少锋，张建强，吴海青，赵俊利，呼 和，杜 明，李雅静，芒 来，赵一萍

（1.内蒙古农业大学动物科学学院/内蒙古自治区马属动物遗传育种与繁殖重点实验室/农业农村部马属动物遗传育种与繁殖科学观测实验站/内蒙古农业大学马属动物研究中心，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031）

马在不同饲养（驯养和圈养）条件下，肠道微生物群发生改变［1］。 马肠道微生物群在参与机体生理功能以及免疫形成等方面有一定的作用［2］。 肠道益生菌的菌群结构遭到破坏， 会对神经内分泌系统和免疫系统产生负面影响［3］，从而导致肠易激综合征和炎症性肠病的发生［4］。 另外，微生物群结构的改变可能导致宿主的保护性黏膜层结构恶化［1］。 目前，国内外关于反刍动物肠道微生物的研究比较广泛且深入， 但对马肠道微生物的研究十分有限。 马肠道内各微生物菌群相互作用及其与宿主的联系还缺乏深入了解。为此，笔者对马肠道不同部位的微生物组成以及影响马肠道微生物群变化的各类因素进行综述， 以期为改善马肠道营养健康、 开发马健康监测和疾病预防工具提供科学依据，也为马肠道微生物研究提供新的视角。

1 马肠道微生物组成特征

马是单胃、后肠发酵的非反刍食草动物［5］，胃肠道结构由前肠道和后肠道组成（见图1），肠道内99%以上的细菌是厌氧菌，这些厌氧菌组成的微生物群贡献了机体63%～68%的能量。 马肠道细菌丰度和组成不同可能与马肠道区域不同相关［6］。在马肠道内， 厚壁菌门 （Firmicutes）、 放线菌门（Actinobacteria）、变 形 菌 门（Proteobacteria）、拟 杆菌门（Bacteroidetes）和疣微菌门（Verrucomicrobia）为优势菌群， 厚壁菌门在碳水化合物及氨基酸的运输和代谢中有着重要作用［4，7］。 虽然马肠道内定植着许多菌群， 但是有研究表明马消化道相邻区段的肠道菌群差异较小［8］，而这些肠道微生物与宿主营养、生理、健康和行为息息相关，所以该方面的研究极具科研价值。

图1 马消化道结构

1.1 马前肠道微生物组成

前肠道是马消化系统的重要组成部分， 由胃和小肠（十二指肠、空肠和回肠）组成［9］。

1.1.1 马胃内微生物 马胃拥有丰富多样的黏膜微生物群，以乳杆菌属（Lactobacillus）、链球菌属（Streptococcus）以及八叠球菌属（Sarcina）细菌为主的微生物群最为丰富［10］。 从马胃部分离的乳杆菌属和链球菌属细菌数量为108～109CFU/mL［11］，此外， 还有数量较少的梭状芽孢杆菌属（Clostridium）、变形杆菌属（Proteus）、念珠菌属（Candida）、伪单胞菌属（Pseudomonas）和葡萄球菌属（Staphylococcus）细菌［5］。乳杆菌属和链球菌属细菌可以显著降解淀粉以及可溶性碳水化合物（water soluble carbohydrates，WSC），生成有机酸［8］。 但微生物发酵产生的有机酸过多则会导致黏膜损伤［12］。

1.1.2 马小肠微生物 马小肠黏膜和腔内的微生物众多，活菌数在106～107CFU/mL，且大多数具有蛋白水解活性，以链球菌属细菌数量最高［5］。 有文献报道， 马的十二指肠和空肠的细菌数量为2.90×106CFU/g，回肠的细菌数量为38.4×106CFU/g［13］。马的十二指肠中微生物菌群主要是乳杆菌属细菌，而大肠杆菌（Escherichia coli）和链球菌属细菌主要分布在回肠［14］。 在门水平上，变形菌门在十二指肠中更丰富，螺旋体门（Spirochaetes）主要分布在十二指肠和回肠中， 梭状芽孢杆菌门（Clostridium）主要分布在回肠中［8］。 研究表明，从马小肠中分离鉴定出的分段丝状细菌（segmented filamentous bacteria）， 优先定植于回肠上皮细胞，无致病性，但可刺激免疫系统，进而增强动物对肠道病原体的抵抗力［15］。

1.2 马后肠道微生物组成

马后肠道由盲肠、结肠和直肠组成，总容量约为200 L。 马后肠道微生物群在抵御病原体侵入、中和毒素、 调节免疫蛋白表达等方面具有突出作用［13，16］。 马后肠道微生物主要通过发酵碳水化合物产生短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）以满足机体能量需求［17］，其中，纤维素分解菌（cellulose degrading bacteria） 被认为是马后肠道中最重要的功能性微生物［18］。

1.2.1 马盲肠微生物 马盲肠是非常重要的消化器官。 盲肠内主要含有蛋白分解菌（proteolytic bacteria）、淀粉分解菌（starch decomposing bacteria）、葡萄糖分解菌（glucose decomposing bacteria）、纤维素分解菌、半纤维素分解菌（hemicellulose decomposing bacteria）等［5］。 研究表明，马盲肠和结肠中挥发性脂肪酸（volatile fatty acid，VFA）的含量分别为97.4 mL 和25.6 mL，从而得出马盲肠的微环境比结肠的微环境更有利于微生物的生长和发酵的结论［14］。

1.2.2 马结肠微生物 马结肠和盲肠的微生物多样性非常相似［19］。研究表明，马右腹结肠总细菌数量最大，此外，马粪便的微生物群与左腹结肠的微生物群相似［6］。 马右腹结肠和右背结肠的厌氧真菌浓度明显高于其他部位［2］。 结肠中的疣微菌门相比胃中更丰富，纤维菌属（Cellulomonas）细菌含量在马大结肠、小结肠中更高［8］。

2 影响马肠道微生物群的主要因素

影响马肠道微生物群变化的因素诸多， 与动物相关的因素有年龄、性别、情绪等，另外还有外部因素，如疾病、运输、锻炼、营养与管理、社会关系、益生菌及补充剂、药物等。 应激反应是改变肠道微生物组成和总数的主要因素［3］，在轻微的应激作用下，肠道及肠道菌群的健康/状态可能会受到不同程度的影响。

2.1 动物相关因素

年龄与性别是影响马肠道微生物多样性的关键因素， 马肠道微生物多样性会随着年龄的增长而增加［20］。 研究表明，马的年龄与拟杆菌属（Bacteroides）和蓝细菌属（Cyanobacteria）细菌的数量呈正相关， 而与厚壁菌门和疣微菌门的数量呈负相关［4］。 马肠道中的分段丝状细菌在肠道的定植也可能与年龄有关［15］。此外，母马和公马的肠道微生物群落丰度有着显著差异［13］。

肥胖是影响马肠道微生物群的又一因素。 在马匹减重后，肠道内厚壁菌门和软壁菌门（Tenericutes）的相对丰度显著降低，而拟杆菌门细菌丰度在减重后无显著变化， 但拟杆菌门与厚壁菌门比值在减重后升高， 纤维素分解菌与厚壁菌门的比例增加［21］。

情绪因素同样影响马匹肠道微生物群。 在马情绪中，易怒和兴奋是造成腹痛的重要原因［22］。在同伴离开后马匹会感到紧张， 同伴分离还可能影响断奶期间马驹体内的微生物群，如链球菌属、副球菌属（Paracoccus）、普雷沃菌属（Prevotella）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）细菌［4］。马肠道菌群随情绪变化十分敏感， 肠道微生物在调节焦虑方面有着巨大潜力。

2.2 疾病因素

疾病显著影响马肠道微生物多样性。 马消化道疾病主要是由病原体感染引起的［23］。 沙门菌属（Salmonella） 细菌和大肠杆菌可导致马腹泻和败血症［24］。 马腹泻样本中常见的细菌包括艰难梭状芽孢杆菌（Clostridium difficile）、沙门菌属细菌和梭状芽孢杆菌属细菌。 酵母菌属（Saccharomyces）微生物也可能与马腹泻有关［18］。 发生腹泻的马匹肠道中毛螺菌科（Lacetospiraceae）和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）细菌减少［25］。 罹患结肠炎的马匹肠道中拟杆菌门最丰富且丰度增加，梭杆菌属（Fusobacteria）细菌较健康马更多［1］。 马腹绞痛病例中肠道内的普雷沃菌属和毛螺菌科细菌减少，拟杆菌属细菌增加［25］。 患有马草病（equine grass sickness，EGS）的马肠道内拟杆菌门和变形菌门细菌增加，厚壁菌门和疣微菌门细菌减少［1］。

与马腹部脓肿相关的细菌包括假结核棒状杆菌（Corynebacterium pseudotuberculosis）和 链 球 菌属细菌等； 与马腹膜炎相关的细菌包括芽孢杆菌属（Bacillus）、拟杆菌属、梭状芽孢杆菌属、肠杆菌科（Enterobacteriaceae）、链球菌属、葡萄球菌属和红球菌属（Rhodococcus）细菌［5］。 非结核分枝杆菌（non-tuberculous mycobacteria）可感染马，临床症状表现为慢性腹泻和腹侧水肿等［26］。 马肠道菌群与诸多肠道疾病的发生机制的关系还有待深入研究。

目前，在马疾病的治疗中，粪便微生物群移植（fecal microbiota transplantation，FMT） 已 广 泛 使用， 该方法可通过向患有慢性腹泻的马匹鼻胃管灌入处理过的粪便液， 以恢复马肠道正常的微生物群结构［7］，从而达到治疗疾病的目的。

2.3 运输和锻炼因素

运输和锻炼与马肠道菌群应激反应相关。 运输已被多次证明会给马带来巨大的压力， 使肠道微生物多样性发生改变，引起肠道疾病［3］。 马匹运输过程中，乳杆菌属细菌丰度有所增加，普雷沃菌属细菌丰度有所下降［4，27］。 此外，锻炼的类型和强度会影响马肠道菌群的组成［28］。 剧烈运动可能会增加马体内的密螺旋体属（Treponema）微生物和梭状芽孢杆菌属细菌的丰度。

2.4 营养因素

饲粮组成对肠道微生物多样性的影响显著。富含纤维的饲粮需经过肠道微生物消化， 产生的挥发性脂肪酸是马匹每日能量的主要来源［8，18］。在进食3 h 后， 经过消化的食料可到达盲肠和结肠部，适宜的环境有益于真菌、原生动物以及厌氧菌降解半纤维素和果胶［29-30］。 纤维含量过高的饲粮会影响马盲肠微生物群结构， 如纤维菌属细菌会明显增加［31］。此外，淀粉含量过高的饲粮会引起马肠道微生物群变化，产淀粉酶细菌、乳酸菌［特别是发酵乳杆菌（Lactobacillus fermentum）、德氏乳杆菌（Lactobacillus delbrueckii）、黏膜乳杆菌（Lactobacillus mucosae）、 罗 伊 乳 杆 菌（Lactobacillus reuteri）、唾液乳杆菌（Lactobacillus salivarius）、黄体链球菌 （Streptococcus lutetiensis） 和马链球菌（Streptococcus equi）］的数量上升［5，32］。 这又导致胃肠道内产生过量乳酸和挥发性脂肪酸（尤其在胃中），从而造成大肠的pH 值下降，制约了有益且不耐酸的纤维素分解菌的增殖［1］，同时，酸耐受能力较差的细菌大量死亡， 乳酸过量沉积会导致酸中毒［33］。 此外，脂肪是重要的能量来源，当其含量超过阈值，就会破坏肠道中微生物菌群的平衡［5］。

饮食改变可导致马产生不良反应，主要由适应饮食结构的微生物群结构变化导致。 控制马饲粮中的纤维和淀粉比例可显著调控马肠道微生物群结构。在未来，马用饲粮在畜牧业的研究势必更加深入。

2.5 益生菌及补充剂

目前， 益生菌及补充剂在预防和治疗马肠道疾病中至关重要。商用益生菌通常由乳杆菌属、双歧杆菌属 （Bifidobacterium） 及肠球菌属（Enterococcus）细菌组成，这些细菌在成年马肠道微生物群中也扮演着重要角色［7］。 马乳酒样乳杆菌（Lactobacillus kefiranofaciens）、卷曲乳杆菌（Lactobacillus crispatus）、约氏乳杆菌（Lactobacillus johnsonii）、罗伊乳杆菌和唾液乳杆菌已广泛应用于马产业， 在促进宿主生长和抵抗肠道疾病方面发挥了有益作用［5］。 马用饲粮中添加活酵母菌可显著提高饲料消化率及生产性能，增加采食量，减少消化道致病菌数量， 同时减少马业生产对环境的负面影响［20，34-35］。另外，常见的马用益生元（低聚果糖和菊粉等）在胃肠道中被微生物发酵降解，可促进盲肠和结肠中乳酸菌的生长，减少肠道微生物群失衡的风险［12］。研究表明，以沙柳醇（杨柳提取物）作为补充剂，可在一定程度上改变马肠道微生物群［36］。

也有文献报道， 使用益生菌治疗马胃肠道疾病后，马匹发病率没有变化。 因此，在益生菌研究中，菌株的选择、不同菌株的组合以及菌株的添加浓度等因素共同影响其益生效果。后续研究中，可开发马源益生菌，广泛应用到马产业，其下游产品也对人体有利。

2.6 抗生素

如今， 抗生素的使用是一个值得重视的全球性问题。 马科研究协调小组（Equine Research Coordination Group）曾发表一份用于警告马滥用抗生素以及产生耐药性细菌威胁的白皮书［5］。 长期使用抗生素治疗， 可导致耐药微生物增加、 过敏反应、肠道微生物紊乱（诱发腹泻和结肠炎）以及采食量减少等不良影响［5，18，24］。 研究表明，抗生素破坏了马肠道微生物群并促进沙门菌和艰难梭状芽孢杆菌的增殖［18］。母马使用低剂量的红霉素后，发现感染艰难梭状芽孢杆菌［37］。 使用头孢噻呋等抗生素治疗马病时，马肠道中纤维素分解菌、乳杆菌含量下降，沙门菌及艰难梭状芽孢杆菌含量上升［18］。目前， 抗生素在马匹上的滥用和潜在危害严重制约着马业的健康发展。

2.7 驱虫剂

马业生产中，寄生虫感染（以囊口虫为主）是长期存在的疾病［38］。目前，广泛使用驱虫剂控制寄生虫感染。有报道称，马匹感染寄生虫与肠道微生物的组成差异是相关的［39］，寄生虫的驱除可引起显著的炎症反应，但另有报道称，炎症反应相对温和［38］。研究表明，马肠道内拟杆菌门的丰度与线虫感染有关，而在连续使用5 d 芬苯达唑（fenbendazole）和1 d 伊维菌素（ivermectin）后，厚壁菌门含量最多， 拟杆菌门次之（拟杆菌门数量呈下降趋势）［1，38］。可见，驱虫剂的研究在马业发展中是至关重要的。

3 小结

目前， 常规技术分离培养马肠道微生物是非常困难的。 在未来可将世界各国马肠道微生物研究中产生的大量数据整合在一个公开的数据平台， 以便世界范围内的马肠道微生物科研人员从中受益［40］。当前，马肠道微生物群的研究多集中于营养、耐药性、疾病和生活方式因素相互关系，今后， 还可以进一步对马肠道微生物组进行高通量表征，从而制定诊断测试、预防措施和适当的治疗措施［13］。 增加对马肠道微生物群多样性方面的研究对于提高马匹抵抗入侵病原体的能力， 以及提升马肠道健康水平具有积极影响和重要意义，这会是一个极具潜力和价值的研究方向。