植物精油对鸡抵御沙门氏菌感染作用的研究进展

陈继发

(宜春学院生命科学与资源环境学院，宜春336000)

在全球范围内，沙门氏菌病是家禽生产中最常见的细菌性疾病之一，给养禽业造成重大经济损失。同时可污染整个家禽生产链，通过肉、蛋等途径转移给人类，引起食源性疾病。如何有效控制沙门氏菌感染已成为全球养禽业面临的重要课题。近年来，随着生物安全体系的完善、沙门氏菌净化工作的推动、“全进全出”饲养模式的实施以及新型疫苗的应用，我国在鸡沙门氏菌病防控方面已取得一定成效，但仍有部分地区出现严重的沙门氏菌感染问题[1]。在集约化家禽养殖中，抗生素在防治沙门氏菌感染方面发挥了重要作用。随着饲料“禁抗”的全面实施，养殖业迫切需求天然抗菌物质。植物精油(plant essential oils, PEO)作为饲用抗生素替代品之一，已在家禽生产中取得良好应用效果，其主要作用体现在减少肠道致病菌数量、降低死淘率、提升机体健康水平、促进生长以及提高生产性能等[2-5]。据报道，PEO主要通过作用于细菌细胞膜以及进入细胞内部2种途径发挥抑菌杀菌作用[6-7]；且还能干扰细菌群感知系统，抑制毒力因子产生[8]。研究表明，PEO对沙门氏菌感染鸡具有显著保护作用[9-11]。本文就PEO的抗菌活性、抗菌机制及其在防治鸡沙门氏菌感染上的研究成果进行综述，以期为PEO应用于鸡沙门氏菌病的防治及健康养殖提供参考。

1 PEO的抗菌活性及其作用机制

研究表明，牛至精油[12]、百里香酚[13]、丁香酚[14]、丁香醛[15]和茶树精油[16]等均能显著抑制沙门氏菌生长繁殖，且部分PEO之间存在协同作用[17]。Zhao等[14]研究指出，丁香酚可引起鼠伤寒沙门氏菌形态发生改变，菌毛结构受损，并显著下调Ⅲ型分泌系统(type Ⅲ secretion system, T3SS)毒力因子(hilA、hilD、sipA等)和Ⅰ型菌毛黏附因子(fimA、fimH、fimD等)的表达水平。吕强华[15]报道，丁香醛能够显著抑制沙门氏菌T3SS调节蛋白(hilA)和入侵相关效应蛋白(sipA、sipB和sipC)的表达。茶树精油可使沙门氏菌的碱性磷酸酶活性和胞外蛋白含量增加，生物膜形成受到抑制，鞭毛动力下降[16]。此外，Zhao等[18]通过体外试验表明，丁香酚能够显著抑制鼠伤寒沙门氏菌对RAW 264.7和IEC-6细胞的侵袭及黏附，并抑制IEC-6和DF-1细胞中鼠伤寒沙门氏菌的增殖。综上所述，多种PEO可以抑制沙门氏菌生长，且能减弱沙门氏菌毒力，降低其侵袭和黏附能力。PEO的抑菌作用与其含有多酚类、醛类、醇类和酮类等活性成分有关，其中多酚类物质的抗菌活性最强。PEO抗菌的可能机制如下：1)降解细菌细胞壁，破坏细胞形态结构[6]；2)影响细菌细胞膜渗透性，破坏细胞膜完整性，引起细胞膜电位变化[19]；3)导致细菌细胞内蛋白质、核酸和ATP等物质泄漏[7]；4)降低呼吸酶活性，抑制细菌呼吸酶系统[7]。

2 PEO对沙门氏菌感染鸡抗氧化能力的影响

沙门氏菌可诱导家禽机体产生大量自由基，造成组织氧化损伤。PEO能够提高血清抗氧化酶活性、降低脂质过氧化产物含量、增强肠道抗氧化功能、缓解因病原菌感染诱发的氧化应激。Coles等[20]研究表明，Lippiaoriganoides精油可以显著提高肉鸡血清超氧化物歧化酶活性，减轻沙门氏菌等造成的氧化损伤。Moharreri等[21]研究指出，饲粮添加0.5、1.0、2.0 g/kg包被复合PEO(含有百里香酚、薄荷精油、夏香薄荷精油和黑胡椒精油)能够显著上调肉鸡回肠超氧化物歧化酶mRNA表达水平，下调回肠诱导型一氧化氮合酶mRNA表达水平，提高血清和胸肌1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除活性，降低血清和胸肌丙二醛含量，进而改善沙门氏菌感染肉鸡的抗氧化状态及生长性能。综上所述，PEO可能通过提升机体抗氧化能力而缓解鸡沙门氏菌感染症状。PEO抗氧化活性的机制主要包括以下几点：1)多酚类成分与活性氧、活性氮等自由基结合，可将自由基清除或使其活性降低[22]；2)酚羟基可作为脂肪氧化进程中超氧自由基的供氢体，阻断脂质过氧化链式反应，抑制脂质过氧化[23]；3)酚羟基与过渡金属离子生成稳定的螯合物，抑制金属离子诱发自由基的生成[24]；4)萜烯类成分通过调控Kelch样ECH关联蛋白1(Keap1)/核因子-E2相关因子2(Nrf2)/抗氧化反应元件(ARE)信号通路，提高机体抗氧化酶活性[25]。

3 PEO对沙门氏菌感染鸡免疫功能的影响

肝脏和脾脏是家禽免疫系统的重要组成部分，沙门氏菌感染可导致鸡肝脏、脾脏肿大及其功能异常。血液中谷丙转氨酶(ALT)和谷草转氨酶(AST)是评估肝脏功能的重要指标，通常二者活性异常升高提示肝细胞受损。研究表明，饲粮添加牛至精油[9]、复合PEO(含有大蒜精油、柠檬精油、百里香酚和桉树精油)[10]和包被复合PEO(含有百里香酚、薄荷精油、夏香薄荷精油和黑胡椒精油)[21]显著降低了沙门氏菌感染鸡血清ALT、AST活性。Ibrahim等[26]研究指出，饲粮添加1.0%百里香酚和0.5%、1.0%百里香酚纳米乳剂可以显著缓解沙门氏菌诱发的肉鸡肝脏病变。此外，Zhao等[14]报道，丁香酚能够显著降低沙门氏菌感染肉鸡肝脏指数和脾脏指数。以上研究说明，PEO对沙门氏菌诱发的鸡肝脏、脾脏损伤具有保护作用。

PEO可以通过调节机体炎症因子平衡及免疫因子水平发挥抵御沙门氏菌感染的作用。Laptev等[10]研究表明，复合PEO(含有大蒜精油、柠檬精油、百里香酚和桉树精油)能够显著提高沙门氏菌感染蛋鸡血清免疫球蛋白(Ig)A、IgM、IgG含量及血清杀菌活性。Ibrahim等[26]报道，饲粮添加1.0%百里香酚和0.5%、1.0%百里香酚纳米乳剂显著降低了肉鸡脾脏促炎因子白细胞介素(IL)-2、IL-6 mRNA表达水平，显著上调抑炎因子IL-10、IgA和黏蛋白-2 mRNA表达量，缓解沙门氏菌诱导的肉鸡脾炎。Olfati等[27]研究指出，饲粮添加200 mg/kg包被百里香酚显著降低了沙门氏菌感染肉鸡血清IL-1β、IL-2、IL-6和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)含量。此外，包被复合PEO(含有百里香酚、薄荷精油、夏香薄荷精油和黑胡椒精油)对沙门氏菌诱导的肉鸡血清IgA、IgG含量显著升高具有改善作用，维持机体正常的免疫水平[21]。

4 PEO对沙门氏菌感染鸡肠道屏障功能的影响

4.1 PEO对沙门氏菌感染鸡肠道微生物屏障的影响

沙门氏菌感染会破坏鸡肠道正常菌群平衡，降低肠道微生物多样性[28-29]。PEO能够抑制沙门氏菌生长，减少沙门氏菌在肠道内定植，调节肠道菌群结构，提高微生物多样性[10,30]。Moharreri等[21]研究发现，饲粮添加0.5、1.0、2.0 g/kg复合PEO(含有柠檬精油、百里香酚、香芹酚、茴香精油)显著提高了沙门氏菌感染肉鸡回肠和盲肠乳酸菌数量，饲粮添加1.0、2.0 g/kg包被复合PEO(含有百里香酚、薄荷精油、夏香薄荷精油和黑胡椒精油)显著抑制了沙门氏菌在肉鸡回肠和盲肠内定植。Laptev等[10]研究表明，饲粮添加复合PEO(含有大蒜精油、柠檬精油、百里香酚和桉树精油)可以提高沙门氏菌感染肉鸡回肠微生物β多样性，改善肠道菌群结构。Ibrahim等[26]研究指出，饲粮添加1.0%百里香酚和0.5%、1.0%百里香酚纳米乳剂显著降低了沙门氏菌感染肉鸡回肠肠球菌、鼠伤寒沙门氏菌数量，提高了乳酸菌数量，下调了回肠鼠伤寒沙门氏菌invA基因表达水平。此外，Hamed等[31]也报道，饲粮添加0.1%百里香酚和0.01%百里香酚乳剂能够显著降低肉鸡回肠内容物和粪便中沙门氏菌数量。以上研究表明，PEO通过杀灭沙门氏菌等致病菌或抑制其在肠道内生长，间接为乳酸菌等有益菌的增殖创造有利条件，对沙门氏菌诱导的鸡肠道菌群失调具有显著改善作用。

4.2 PEO对沙门氏菌感染鸡肠道物理屏障的影响

沙门氏菌感染可引起鸡肠道病变，如肠绒毛萎缩、微绒毛消失，并伴有水肿、炎细胞浸润、充血及隐窝增生等[18,32]，而PEO能够显著缓解沙门氏菌诱发的鸡肠道黏膜损伤。Moharreri等[21]研究指出，饲粮添加0.5、1.0、2.0 g/kg包被复合PEO(含有百里香酚、薄荷精油、夏香薄荷精油和黑胡椒精油)显著提高了沙门氏菌感染肉鸡回肠绒毛高度、绒毛宽度和绒毛高度/隐窝深度值，降低隐窝深度。Abudabos等[9]研究表明，饲粮添加1.0 g/kg牛至精油显著提高了沙门氏菌感染肉鸡回肠绒毛高度，一定程度上提高了回肠绒毛总面积和绒毛宽度。Ibrahim等[26]报道，饲粮添加1.0%百里香酚和0.5%、1.0%百里香酚纳米乳剂对沙门氏菌诱发肉鸡肠道损伤具有显著保护作用。PEO对肠道黏膜的保护效应与其抗菌活性有关，可以减少致病菌在肠道内定植，降低致病菌及毒素对肠道造成的损伤；同时，肠道致病菌数量减少，意味着其同宿主争夺营养物质的竞争力减弱，使更多养分供宿主利用，有益于小肠绒毛发育及再生。

沙门氏菌感染会破坏鸡肠上皮细胞间的紧密连接结构，提高肠道通透性，而PEO能够维持肠上皮屏障功能的完整性。Ibrahim等[26]研究表明，饲粮添加0.5%、1.0%百里香酚和百里香酚纳米乳剂显著提高了沙门氏菌感染肉鸡盲肠闭锁蛋白(Occludin)、连接黏附分子(JAM)、闭合蛋白-1(Claudin-1)mRNA表达水平，饲粮添加0.5%、1.0%百里香酚纳米乳剂还显著提高了盲肠闭合小带蛋白-1(ZO-1)mRNA表达量。Zhao等[18]研究指出，饲粮添加50 mg/kg丁香酚显著上调了肉鸡十二指肠紧密连接蛋白(ZO-1、Claudin-1和Occludin)的表达，改善了十二指肠物理屏障功能，减轻了沙门氏菌感染造成的肠道黏膜损伤。Moharreri等[21]报道，饲粮添加0.5、1.0、2.0 g/kg包被复合PEO(含有百里香酚、薄荷精油、夏香薄荷精油和黑胡椒精油)显著提高了沙门氏菌感染肉鸡回肠OccludinmRNA表达水平。此外，Zhao等[18]研究发现，饲粮添加50 mg/kg丁香酚可以显著降低肉鸡心脏、肝脏、肺脏、脾脏及肾脏中沙门氏菌数量，减少沙门氏菌在内脏器官中蓄积。综上所述，PEO可通过保护肠道黏膜结构及维持肠上皮细胞紧密连接结构完整性，改善沙门氏菌感染鸡肠道物理屏障功能，减少致病菌的“移位”。

4.3 PEO对沙门氏菌感染鸡肠道化学屏障的影响

黏蛋白2是肠道杯状细胞所分泌黏液层中含有的一种分泌型黏蛋白，在防御病原体入侵及拮抗致病菌黏附等方面发挥重要作用[33]。Ibrahim等[26]研究表明，饲粮添加0.5%、1.0%百里香酚和百里香酚纳米乳剂显著提高了沙门氏菌感染肉鸡肠道黏蛋白2 mRNA表达水平。鸡抗菌肽，又称鸡β-防御素，能够直接杀死病原菌，并可调节宿主固有免疫功能。Laptev等[10]研究指出，复合PEO(含有大蒜精油、柠檬精油、百里香酚和桉树精油)可以显著上调沙门氏菌感染蛋鸡回肠鸡β-防御素-10基因(AvBD10)的表达。以上研究提示，PEO可能通过促进肠道黏蛋白及β-防御素的表达，改善沙门氏菌感染鸡肠道化学屏障功能。完整的肠黏膜上皮细胞结构与功能有利于杯状细胞分泌黏液层，PEO可抑制或杀灭致病菌，维护肠道黏膜结构与功能的完整性，因而有助于肠道黏蛋白的分泌。另外，黏蛋白的合成与分泌受炎症因子的调节[34]，PEO上调黏蛋白的表达也可能与其抑制肠道促炎因子(TNF-α、IL-1β、IL-2、IL-6)产生[14,18]有关。

4.4 PEO对沙门氏菌感染鸡肠道免疫屏障的影响

PEO对沙门氏菌诱发的肉鸡肠道炎症具有显著的缓解作用。Zhao等[18]研究指出，饲粮添加50 mg/kg丁香酚显著降低了肉鸡十二指肠Toll样受体4(TLR4)和髓样分化因子88(MyD88) mRNA表达量，抑制NF-κB p65和NF-κB抑制因子α(IκBα)的磷酸化，下调促炎因子(TNF-α、IL-1β、IL-2、IL-18)mRNA表达水平，减轻沙门氏菌造成的肉鸡肠道炎症。Zhao等[14]也报道，丁香酚可以显著降低沙门氏菌感染肉鸡十二指肠TNF-α、IL-6和IL-18 mRNA表达量。TLRs是宿主细胞识别各种病原微生物的主要模式识别受体，沙门氏菌是TLR4免疫监视的主要对象。TLR4识别沙门氏菌后，通过MyD88依赖型途径激活NF-κB信号通路，诱导下游炎症因子合成与释放，引发肠道炎症。PEO能够抑制或杀灭沙门氏菌，导致与TLR4特异结合的配体减少，TLR4/NF-κB信号通路被激活的几率下降，进而促炎因子表达降低，最终肠道炎症反应减少。此外，Ibrahim等[26]研究表明，饲粮添加1.0%百里香酚纳米乳剂显著上调了沙门氏菌感染肉鸡盲肠脂肪酸结合蛋白2(FABP2)mRNA表达水平。FABP2可协调细胞内脂质反应，并与机体代谢和炎症信号通路密切相关，肠道内FABP2表达量的提高有助于调节肠道菌群平衡及抑制肠道炎症[35]。

5 小结与展望

PEO作为一种安全、有效的抗生素替代品，不仅可以抑制或杀灭致病菌，还能改善机体抗氧化与免疫性能，维持肠道屏障功能。但PEO种类繁多，不同种类PEO抑菌效果存在较大差异，同一种类不同提取工艺的作用效果也有所不同。另外，复合PEO的抑菌作用是否比单一PEO更好，PEO发挥抵御致病菌作用及其调节肠道健康的机制尚未阐明，为提高PEO的应用效果以及促进其在养殖业中推广应用，今后还需在以下几个方面开展研究：1)开发更多种类PEO，筛选具有选择性抑菌作用的PEO，并探究其发挥选择性抗菌作用的机制；2)优化PEO提取工艺，提高精油得率及抗菌活性，借助包被技术、纳米乳化技术等提升PEO稳定性及缓释性能；3)利用组学和现代分子生物学等技术，研究PEO抵御致病菌感染与调节动物肠道功能的作用及分子机制；4)研制高效的复合PEO，探究PEO与其他抗生素替代品的联用效果，开发新型肠道健康调节剂。随着PEO提取和加工工艺的不断优化、复配研究的不断推进及其在抵御致病菌感染与调节肠道健康方面研究的不断深入，PEO及其复配产品将在动物疫病防控及健康高效养殖等方面发挥重要作用。