马属动物胃肠道微生物多样性区系影响因素的研究进展

郭 荣，孙玉江,2，张国梁，黄娇娇，刘书琴*

（1.青岛农业大学动物科技学院，山东青岛 266109；2.东营职业学院，山东东营 257091）

马属动物包括马、驴、骡等，属于单胃草食动物，拥有独特的解剖结构和饮食类型。与反刍动物最大的区别就是马属动物属于后肠发酵，不能像反刍动物的瘤胃一样进行食物消化，但马属动物的肠道十分发达，尤其是盲肠。马属动物具有发育良好的后肠结构，其潜在长度和体积超过4.5 m 和110 L，约为前肠体积的15.95 倍。

微生物区系是指生物体包含有微生物的器官所共同组成的微生物组，而微生物区系的组成结构也会因环境因素以及宿主的健康程度发生大幅度的变化。近80%的肠道微生物无法用传统方法分离出来，且微生物在肠道不同部位分布也不同，这是由于不同部位的氧气程度、酸碱程度、温度都不同，造成各个部位菌株种类不同，其中大肠中的细菌数最多。肠道微生物群构成一个复杂的生态系统，除在消化功能中发挥作用外，肠道微生物群还在免疫功能、肠-脑连接和行为以及糖尿病和肥胖症等中发挥作用，然而在某些情况下它也可能成为肠道病原体。马属动物在品种、年龄和胃肠各区室微生物群组成的不同以及个体的可变性，使得很难做出概括，其主要原因在于对胃肠道微生物菌群的组成受众多因素影响。本文主要综述了品种、年龄、饮食和疾病等对马驴胃肠道微生物群的影响，对改善马驴胃肠道微生态环境、预防与控制马驴疾病的发生提供参考。

1 不同品种对胃肠道微生物的影响

胃肠道内部的微生物与其宿主存在着互利共生的关系，不同品种体内微生物的组成存在异同。在蒙古马和纯血马的研究中发现，厚壁菌门（Firmicutes）（蒙古马中的56%，纯血马中的53%）和拟杆菌门（Bacteroidetes）（蒙古马为33%，纯血马为32%）是2 种马体内最丰富和主要的种，并且细菌群落组成相似，其中互养菌门（Synergistetes）、浮霉菌门（Planctomycetes）、变形菌 门（Proteobacteria）、TM7 门（TM7）和绿弯菌门（Chloroflexi）在蒙古马中的含量显著低于纯血马；密螺旋体属（）在蒙古马中的含量最高（蒙古马为43%，纯血马为29%），相比之下，蒙古马的颤螺旋菌属（）、丝状杆菌属（Fibrobacter）、甲烷粒菌属（）和琥珀酸弧菌属（Succinivibrio）水平较低；在75 个属中，有30 个属在2 个品种间有显著差异。品种是诱发某些临床状况的内在因素，如阿拉伯马容易发生肠绞痛，而矮种马更容易患葡萄糖耐受不良、肥胖症和代谢综合征，不同品种间肠道微生物差异可能会增加肠绞痛的风险或刻板行为的发生率。

Liu 等通过高通量测序V3-V4 区16s rDNA 基因来分析野驴和家驴的肠道微生物群，结果表明，野驴的干物质消化率显著高于家驴，2 组之间的多样性没有显著差异，但多样性差异显著；野驴的拟杆菌门和厚壁菌门2 个优势门显著高于家驴，而野驴中的瘤胃菌科_NK4A214（Ruminococcaceae_NK4A214）、考拉杆菌属（）、粪甾烷寡烯类群（Coprostanoligenes）、毛螺菌科_XPB1014（Lachnospiraceae_XPB1014）和阿克曼菌（Akkermansia）显著高于家驴；统计比较表明，40 种不同的代谢途径表现出显著差异，其中29 条途径在野驴体内高于家驴，主要包括氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢；值得注意的是，野驴比家驴拥有相对更复杂的细菌网络，这可能反映了肠道细菌群落通过物种相互作用的特定生态位适应。总体结果表明，野驴在干物质消化、肠道微生物群落组成和功能方面均优于家驴，野驴有其独特的肠道菌群以适应青藏高原的高海拔。以上差异除品种因素影响外，不同海拔地区有着不同的环境条件，可能地理海拔条件对胃肠道微生物也有一定的影响。

2 不同年龄对胃肠道微生物的影响

新生马的肠道微生物群很复杂，初生时微生物通过母乳及其他途径定居在新生幼畜的胃肠道中，其内的微生物群落重新组成，初生时的胃肠道环境有利于特定厌氧菌生长，并且肠道中的微生物在后来的生长发育中起主导作用。新生马在子宫环境中时，其胃肠道中没有共生微生物，微生物的定居过程从出生开始，一直持续到断奶。随着母马的奶成分变化或从牛奶向饲料饮食的过渡，新生马消化微生物群不断适应饮食需求和食物类型的变化。Satokari 等从新生马的脐带和胎粪中分离出了链球菌属（）和肠球菌属（）。Faubladier 等分析了从出生到1 岁的5 头马驹的粪便样本，结果表明在出生至30日龄阶段后肠的微生物群迅速变化，30 日龄到1 岁变化趋于平缓；Costa 等使用11 对母马-马驹的样本，在产后第1 天从母马和马驹中纵向收集粪便样本，并定期再次收集，持续到马驹 9 个月大，结果表明微生物群从马驹出生达到相对稳定需要60 d。Lindenberg 等研究表明，肠道微生物群的相对稳定性在产后50 d 内达到。造成胃肠道微生物差异的原因可能是取样时间和喂养方法不同，分娩方式和母乳喂养对肠道微生物群的发育和功能的影响也很大。

Xing 等对不同年龄驴粪便样本的功能预测，对不同年龄组的肠道微生物群进行表征，发现与成年驴（≥7 个月）相比，幼驴（≤3 个月）肠道微生物群的多样性和丰富性差异显著，且随着年龄的增长而增加，但在第1 个月微生物组成有明显变化；拟杆菌门、乳杆菌属（）和臭杆菌（Odoribacter）数量有减少的趋势，而链球菌的比例随着年龄增长而显著增加；就功能预测而言，不同年龄组粪便中路径的相对丰度有显著差异。微生物群落的组成和结构在每个年龄组都有独特的特征，这与微生物群落的功能稳定性相一致。随着驴龄增加，粪便中微生物的多样性增加，说明年龄是微生物演替的关键因素，这意味着母乳成分影响最初肠道微生物群的组成。

3 胃肠道不同部位菌群的特征及比较

马属动物是食草性非反刍动物，具有高度分隔的胃肠道（Gastrointestinal Tract，GIT），可利用多种植物纤维。GIT 的每个部分都有一个独立的生态系统，其微生物群的组成和功能对动物健康和代谢非常重要。

Costa 等研究发现，马肠道的细菌种群组成在各区室差异很大，尤其是在较低的分类学水平上，而相邻的部位彼此更相似，但是黏膜组成与内腔含量不同；在较高的分类学水平下，粪便样品可能是代表远端部位发生变化的有用样品，重要的是要考虑到这些部位区域之间存在的差异，尤其是在较低的分类学水平上。Su 等对比蒙古马胃肠道不同位置的菌群发现，不同GIT 区域的微生物群落组成有显著差异：小肠和大肠的微生物群落结构显著不同，盲肠和结肠的微生物群落结构相似；在前肠中，厚壁菌门（65%）和变形菌门（23%）最丰富，而厚壁菌门（45%）和拟杆菌门（42%）在后肠中最常见。Liu 等研究发现，德州公驴GIT 不同部位具有丰富多样的微生物，后肠微生物的丰富度和多样性远高于前肠，并且沿着GIT 的不同微生物区系在功能上与不同GIT 位点相应的生理功能是相容的，前肠中的微生物在碳水化合物新陈代谢方面更活跃，而后肠中的微生物在氨基酸新陈代谢方面更活跃。刘桂芹等对德州公驴前后肠内容物肠道菌群组成多样性和功能预测进行分析，发现驴前后肠各个部位菌群的多样性与其丰富程度差异极显著；后肠段各个部位的内容物菌群的丰富程度和种类多样性均显著优于前肠，具有发酵纤维素的疣微菌属等菌群基础；前肠微生物主要具有氮代谢、动物寄生虫和共生体清除功能、发酵作用等功能，后肠主要为厌氧和好氧作用、氮呼吸、硫细菌等功能，为驴营养代谢及科学的饲养管理提供理论支持。方雷等研究新疆驴盲肠、腹结肠、背结肠中固相食糜细菌组成多样性，结果表明，不同肠道固相食糜细菌条带组成上有相似区域，也有各自的特异条带，盲肠和腹结肠的固相食糜细菌的群落多样性丰富，显著高于背结肠。这几个研究的共性特征为后肠微生物的丰富度和多样性高于前肠，前肠和后肠的最主要的新陈代谢方面不同。

4 营养与管理对肠道微生物的影响

4.1 高纤维和高淀粉 饮食是不同物种之间细菌多样性的主要驱动力。在人类中，富含动物蛋白和脂肪的饮食导致粪便微生物群中厚壁菌门数量增加，而高植物的饮食纤维导致拟杆菌门和纤维素及木聚糖降解物的数量增加。基于培养的微生物学证明，与高纤维饮食相比，高淀粉饮食的马乳杆菌和链球菌数量增加，同时纤维素分解菌数量减少。Warzecha 等报道了与饲喂低淀粉饮食马的盲肠相比，饲喂高淀粉饮食马的盲肠帕拉普氏菌科（Paraprevotellaceae）、韦氏菌科（Veillonellaceae）和乳杆菌科（Lactobacillaceae）丰度更高，并且链球菌科（Streptococcaceae）丰度有增加的趋势，在瘤胃菌科（Ruminococcaceae）中也观察到了减少的趋势。当马被喂以富含淀粉的食物时（每顿大于1g/kg 体重），大量淀粉在前肠中未被酶促淀粉分解消化，到达后肠时淀粉被发酵，产生更多乳酸。因此，盲肠和结肠酸碱度的降低可归因于代谢淀粉产生乳酸的细菌类群增加，为有益的纤维分解菌增殖创造了不良条件，这可能是影响正常消化的一个风险因素。

马的消化系统适合长期食用少量的高纤维饮食。但在训练过程中，通常饲喂高淀粉和低纤维饮食，这可能会引起后肠微生物紊乱和肠道疼痛。Destrez 等研究的饮食压力是从高纤维饮食（100%干草）到渐进式低纤维和高淀粉饮食（从90% 干草和10% 大麦到5%干草和43%大麦）；饮食压力引起结肠总厌氧菌、乳酸利用菌和淀粉分解菌浓度显著增加；当给马饲喂43%～57%的干草大麦饮食时，马保持警惕的时间往往与社交能力测试中盲肠和结肠淀粉分解菌的浓度呈正相关，与新恐惧症测试中利用盲肠乳酸和结肠淀粉分解菌的浓度呈正相关。Broom假设压力可以引起动物一系列反应，包括一系列免疫反应，例如包括粒细胞的增殖和活化。Willing 等研究发现，仅含纤维的饮食会导致更稳定的微生物群落和更低的乳酸菌，这与胃肠疾病有关。这些相关性研究表明饮食引起的微生物群调节可能影响马的行为并引发疾病。

4.2 干草类型 Sorensen 等分析了食用苜蓿和无芒雀麦干草对成年马盲肠和直肠微生物群的影响，结果显示饲喂苜蓿的马直肠 pH 高于盲肠，而饲喂无芒雀麦干草的马直肠 pH 低于盲肠；在盲肠和直肠中苜蓿导致的总挥发性脂肪酸（VFA）浓度比溴甲烷高；并且无论干草类型如何，盲肠中的VFA 浓度和拟杆菌丰富度均比直肠高；且与盲肠样本相比，直肠中的多样性更大。Daly 等研究显示，喂养浓缩饲料马的结肠样本中拟杆菌科细菌含量高于纯草饮食的马。有研究显示，与饲喂浓缩物的马相比，草食马体内的纤维杆菌和乳杆菌科细菌数量更多，这些菌会降解纤维，并可能受到酸性环境抑制。Julliand 等报告称，与葵花籽粕颗粒相比，饲喂脱水苜蓿颗粒的马粪便样本中的淀粉分解菌、果胶分解菌和乳酸利用菌增加。总之，各采样位置和干草类型的微生物群落结构各不相同，发酵参数和细菌丰度受干草类型和后肠取样位置的影响。

4.3 断奶方式 断奶会使饮食及方式突然改变，而在马身上，肠道微生物群是否在调节断奶应激反应所涉及的生理机制中起关键作用尚不清楚。Mach 等评估了渐进（P 组）或突然（A 组）断奶方法对肠道微生物群组成的影响，并研究了6 个年龄层（产前30 d、断奶后第0、3、5、7 和30 天）的不同宿主表型和肠道微生物群组成，结果显示，与P 组相比，在断奶前属于普雷沃氏菌属（）、副普雷沃氏菌属（）和乳球菌属（）的有益物种在A 组中更丰富，表明A 组的肠道微生物群更适合断奶；而链球菌在断奶后表现出相反的模式，研究表明无论采用何种方法，断奶都会影响马驹肠道微生物群组成。相反，Lindenberg 等研究发现断奶对马驹微生物组成没有影响，断奶前后血液中促炎和抗炎细胞因子的基因表达无明显变化，产后50 d 内肠道微生物群达到相对稳定。造成结果不同的原因可能是马驹断奶通常在4～6 月龄，但牛奶到固体食物的转变是渐进的，因为大多数马驹在断奶前就已经开始摄入固体食物。

5 疾病对肠道微生物的影响

5.1 结肠炎 马和驴是典型的单胃食草动物，几乎所有的食草动物都使用粗纤维作为肠道中的发酵底物。肠道微生物群的紊乱会导致马的许多疾病，最明显的是马驹的结肠炎。Costa 等将健康马与未分化结肠炎马的粪便微生物群进行比较，发现健康马体内的厚壁菌门占优势（68%），其次是拟杆菌门（14%）和变形菌门（Proteobacteria）（10%）；在结肠炎马中，拟杆菌门（40%）最丰富，其次是厚壁菌门（30%）和变形菌门（18%）。肠道内优势菌种的改变被证明与结肠炎有关，然而将肠道微生物多样性与结肠炎联系起来的机制仍有待阐明。此外，肠道通透性降低或“肠漏”也可能导致微生物数量改变。健康马和患有结肠炎马之间微生物组的显著差异表明结肠炎不仅仅是由单一病原体引起的，而是一种与主要微生物群紊乱引起肠道有关的疾病。病原体诱导的屏障功能障碍可能导致肠道中其他细菌增殖的减少或增加。

5.2 椎板炎 各种因素可能导致马出现临床椎板炎，例如摄入过量淀粉、与过度放牧茂盛牧场有关的果聚糖摄入过多以及糖皮质激素的使用和肠绞痛也可能导致椎板炎的发作。Steelman 等对从粪便中分离出细菌的基因进行焦磷酸测序，以表征健康马和患有慢性椎板炎的马的后肠细菌群落，结果显示细菌群落以厚壁菌门（69.21%健康马，56.72%椎板炎马）和疣微菌门（18.13%健康马，27.63%椎板炎马）为主；椎板炎马组中每个个体的OTUs 比健康马组多，同时梭菌属丰度存在差异，其中椎板炎马组中最丰富的属是链球菌属、梭菌属和密螺旋体属；后肠核心菌群主要由链球菌属组成。这些数据为以后研究慢性椎板炎的发生和发展奠定了基础。

5.3 寄生虫与驱虫药 放牧的马很容易被寄生虫群落感染，主要是线虫感染。肠道中寄生虫的物理存在会改变肠道微生物群的活性和组成。Clark 等使用20 个无寄生虫的雌性威尔士小马，10 个对寄生虫敏感（S），10 个对寄生虫具有抵抗力（R），发现在无寄生虫条件下R 和S 小马显示出不同的免疫学特征和微生物组成；暴露于自然感染后，R 小马在放牧92 d 和132 d 后表现出较低的粪卵计数（Fecal Egg Counts，FEC）并且单核细胞和嗜酸性粒细胞维持在较高水平，而淋巴细胞则在S 小马中持续存在；尽管在寄生虫感染过程中2 组马肠道菌群的整体多样性和结构相似，但S小马表现出细菌减少，如乳球菌、梭菌属XIVa 和毛螺旋菌科家族成员，这可能是由于在放牧第92 天黏膜稳态遭到破坏。根据这一假设，假单胞菌属（）和弯曲杆菌属（）等病态生物增加，以及几种预测的免疫途径变化，包括病原体感染、脂质代谢和信号转导的激活，对于调节免疫系统和能量至关重要。肠道寄生虫容易引起营养不良，消瘦多食，异食癖和发育障碍等，引起肠道的物理损伤和导致胃肠道微生物菌群的变化等，对引起寄生虫感染最主要的影响因素还需进一步研究。

在马身上，驱虫治疗是导致肠绞痛的一个因素，这可能是由于驱虫治疗改变了胃肠道微生物群。对马用驱虫药芬苯达唑治疗后，肠道中的拟杆菌的相对丰度降低。Walshe 等的研究也报告了类似的结果，即对于任何年龄组和治疗药物种类（芬苯达唑或莫西沙星），肠道中的拟杆菌的相对丰度都有所下降。除了驱虫药对细菌种群有直接影响之外，寄生虫可能改变粘蛋白的产生，这可能导致肠道细菌营养环境改变。Kunz 等研究表明，莫西克汀和吡喹酮降低了微生物多样性，而多样性不变，在21 个分类组的丰度中发现显著差异，但作者认为驱虫治疗后对胃肠道微生物群没有重大影响。Daniels 等研究结果显示莫西克汀没有显著改变菌群多样性，而13 种不同的OTU 在治疗组和对照组之间有所不同。虽然驱虫药对菌群没有显著影响，但其能使菌群多样性和丰度下降，另外用药时间长短也是影响的一个因素，不能排除长时间用药对胃肠道微生物产生的影响，提示应该合理控制用药时间。

5.4 肥胖和马代谢综合征 随着现代管理方式和高能量饲料的供应，肥胖症成为马的一个严重的、越来越普遍的健康问题。Biddle 等研究发现，与健康马相比，患肥胖症马的肠道微生物群落更加多样化，肠道微生物群落的相对丰度较高，类杆菌和放线杆菌的数量较少；研究指出特定的细菌物种可能是马患肥胖症和瘦弱的标志，特别是与血液分析结果和肥胖呈正相关的细菌群，其中包括：丁酸弧菌属（）、普雷沃氏菌属、布劳特氏菌属（）、丹毒丝菌科（Erysipelotrichaceae）以及毛螺菌科（Laospirillaceae）。这些结果是揭开肥胖症和瘦马肠道群落之间的代谢差异，并设计有针对性的微生物干预策略的重要第一步。然而，这项研究没有对饮食进行控制，而饮食是微生物组成的主要驱动力。

Morrison 等进行了单一小马品种的饮食控制研究，发现患肥胖症马的粪便微生物群在细菌种类方面更加多样化，这与Biddle 等的研究结果一致。但Morrison 等研究表明肥胖症组的拟杆菌和放线菌数量增加，而Biddle 等研究显示上述分类群减少。这些差异可能是由于Biddle 等研究中有更多的异质性人群和多样化饮食，而Morrison 等更严格地控制了研究设计。这表明微生物群可能在体重调节的生理学中起重要作用，建议用粪便移植进入肠道，进一步研究其微生物组成来确定是否有明显的相似效果。

Elzinga 等研究显示，马代谢综合征（Equine Metabolic Syndrome，EMS）马和健康马的整体群落结构存在差异；EMS 马与XI 梭菌（Clostridium cluster XI）、疣微菌门和乳杆菌属（）等未分类成员增加以及毛螺菌科、黄杆菌科（Flavobacteriaceae）和红螺菌科（Rhodospirillaceae）等未分类成员的减少有关。此外，EMS 马表现出粪便微生物多样性的降低。虽然这项研究确定了EMS 马和健康对照之间粪便微生物群组成的差异，但尚不清楚当瘦马和有肥胖症马保持相同饮食时这些差异是否会持续存在。

6 小结

动物胃肠道有着数量庞大且种类丰富的微生物群落，不仅影响营养物质的消化和吸收，还参与调控宿主的多项生理功能包括疾病发生，二者达成共生可促进动物机体健康，从而有利于而提升动物生产力。马属动物在饲养时应注意外界环境以及结合本物种的特性来加强对其的合理管理，比如合理饮食、断奶方式和时间、防止寄生虫感染和合理使用驱虫药等。并且对于深层次信号传导机制的研究还有较大空白，还不能确定影响微生物群落结构的主导因素是饲粮还是宿主基因型，所以还需要研究者对肠道微生物进行大量深层次的研究，这对改善马驴胃肠道微生态环境、预防与控制疾病的发生有重要的理论指导意义。