猪肠道微生物影响因素、作用机制及其对养殖效益影响的研究进展

袁帅统 张 才，2

（1．河南科技大学河南省动物福利与健康养殖国际联合实验室，河南 洛阳 471000；2．河南省肉羊繁育工程技术研究中心，河南 洛阳 471000）

微生物群是存在于宿主动物体内和表面所有微生物的总称[1]。肠道包含的微生物数量、种类最多。肠道微生物群由细菌、病毒、寄生虫、真菌、古生菌和原生生物构成[2]。据调查，哺乳动物肠道可容纳约1 014种微生物，包括500～1 000 个独特物种，与宿主形成协同关系[3-4]。调控肠道微生物群可以改善宿主的营养代谢水平和免疫力，可以提高动物的生产性能。但在生猪养殖中，肠道微生物群与肠道健康的关系尚未得到充分探索。

近年来，16S rRNA基因的扩增与二代测序技术相结合，能够深入探索猪肠道微生物组成[5]。16S rRNA 基因测序揭示了微生物群落的复杂分类学特征，有助于了解猪肠道微生物群的功能及其对猪胃肠道生理和代谢的潜在贡献[6]。文章概述了猪肠道微生物群的影响因素以及肠道微生物及其代谢产物对肠道健康的作用机制，为提高生猪养殖效率提供参考。

1 猪肠道内微生物

猪胃肠道内共生了大量的细菌和其他微生物，其中拟杆菌门（Firmicutes）和厚壁菌门（Bacteroides）在猪的肠道中占有优势地位[7]。厚壁菌门的梭菌属（ClostridiumPrazmowski）、 乳杆菌 （Lactobacillus beijerinck）和链球菌（Streptococcus）是猪小肠内的优势菌种；厚壁菌门的乳杆菌属和梭菌属在十二指肠空肠段中占有着优越地位；厚壁菌门的梭菌属和变形菌门（Proteobacteria）的埃希氏菌（Escherichia）属是回肠段的优势菌种； 在大肠段， 分布着双歧杆菌（Bifidobacterium）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）、链球菌属和乳杆菌属；在盲肠-结肠段，主要分布着普氏菌属（Prevotella）。此外，猪肠道中还分布小克里斯滕森氏（Christensenellaceae） 、 丁 酸 梭 菌 （Clostridium butyricum）、棒杆菌属（Corynebacterium） 和颤杆菌（Oscillibacter）等菌群。

猪的生长受肠道微生物的调控和影响，这些肠道微生物可以帮助机体合成必需氨基酸，调节脂肪代谢，提高肠道运动能力，促进肠道毛细血管生成和激活免疫系统[8]。肠道微生物群还通过其代谢产物防止病原菌定植，保护肠道上皮屏障免受病原体的附着和侵害，抑制有害细菌的过度生长，从而降低猪对肠道疾病的易感性[9]。

2 影响猪肠道微生物的因素

肠道微生物群在宿主中发挥各种作用，包括调控营养代谢、调节免疫和抵御病原体。肠道微生物群在猪生命早期开始定植，其组成和分布具有很强的时间及空间特异性。在猪的成年期，共生核心微生物群保持相对稳定，但个体之间仍存在差异。目前，很难确定肠道微生物群的最佳组成，但对肠道微生物与宿主代谢稳态以及猪肠道微生物影响因素的研究对提高猪的免疫功能、预防肠道疾病至关重要。

2.1 生理阶段

据报道，对分娩后6 h内收集的仔猪胎粪样本进行分析后发现，肠道微生物组的定植从子宫内开始，胎粪微生物组很可能从母猪垂直传播而来[10]。研究发现，人类胎儿肠道微生物的定植是从子宫而来[11]。尽管这些研究提供了肠道微生物起源的观点，但哺乳动物在胎儿期是否无菌仍存争议，子宫内微生物定植对宿主发育的生物学影响仍有待研究。

与胎儿期情况不同，新生仔猪在接触外界环境的多种微生物后，肠道微生物会有序地定植。肠杆菌属（Enterobacter）、肠球菌属（Enterococcus）和葡萄球菌属（Staphylococcus）等需氧和兼性厌氧菌首先在肠道中定植[12]。随着氧气的消耗，肠道微环境逐渐转变为厌氧状态，这为特定厌氧菌的定植提供了得天独厚的条件。在哺乳期，乳酸杆菌和链球菌在仔猪小肠中占优势，但断奶后肠道环境突然发生变化，导致菌群重建。有研究表明，断奶期间肠道菌群的α 多样性存在明显差异，植物性饮食后α多样性进一步增加[9]。

除了微生物多样性的改变之外，仔猪断奶期间粪便微生物群的组成也发生了显著变化。在每个生理阶段肠道微生物的组成也大不相同。生长肥育猪，最丰富的门是厚壁菌门和拟杆菌门，其占群落的90%以上。在科水平上，断奶仔猪中拟杆菌科和肠杆菌科的相对丰度逐渐下降，但韦荣菌科（Veillonaceae）、普雷沃菌科（Prevotaceae）、乳杆菌科（Lactobacillus）和瘤胃球菌科（Ruminococcus）的相对丰度增加。在属水平上，断奶会导致拟杆菌属的减少以及乳酸杆菌和普氏菌属的增加[13]，原因可能是拟杆菌属利用母乳中的单糖和寡糖，而普氏菌降解植物日粮中的植物多糖。因此，新生仔猪的肠道从基本无菌状态迅速转变为密集的微生物种群，最终转变为相对稳定、成熟的微生物群落。

2.2 肠道环境

肠道环境是微生物定植的因素之一[14-15]。肠道不同区段也影响微生物的定植。由于局部环境变化[16-17]，猪肠道中不同生态位的微生物群落具有空间异质性，由于管腔内容物的快速转化和消化酶的存在，近端小肠不适合细菌定植[18]，细菌数量相对较少，十二指肠和空肠中最丰富的属是乳酸杆菌和梭菌属。由于中性pH值、氧气含量降低以及适合微生物生长的化合物含量降低，回肠末端的细菌发生了改变，链球菌（17.73%）和未指明的梭菌科属（17.10%）是回肠中最丰富的属；在结肠中，最主要的属是普氏菌属，在近端和远端分别占40.90%、34.99%[16]。

微生物分布的差异体现在消化道的纵向和轴向结构上[16]，这是由于微生物种群对不同物理化学条件的反应。由于氧气从上皮毛细血管扩散到肠黏膜，在黏膜中形成了富氧微环境，富集了微需氧螺杆菌科（Helicobacteraceae）和弯曲杆菌科（Campylobacteriaceae），而专性厌氧菌来自普雷沃菌科、毛螺菌科（Lachnospira）、瘤胃球菌科和韦荣氏菌科，在盲肠腔内含量丰富[16,19]。

2.3 饮食因素

除了宿主基因型、免疫状态和肠道环境，饮食也会影响肠道微生物群[1]。食物中碳水化合物和蛋白质含量的改变，会导致肠道微生物谱发生快速变化。蛋白质的数量和质量对肠道菌群具有直接影响[20-21]。含有高水平蛋白质的饮食会使肠道转运时间更长和微生物群多样性更高，低蛋白日粮可以通过增加毛螺菌科、普雷沃菌科和韦荣菌科等菌群[22]。膳食纤维虽然不能被动物内源性消化酶消化，但也可调节微生物群落的丰度[23]，维持肠道环境的稳态[24-25]。在饲粮中使用纤维优化猪的肠道健康越来越受到关注，但不同来源、类型和水平的膳食纤维效果不同。

3 肠道微生物代谢产物对猪肠道健康的作用机制

影响猪肠道微生物的因素多种多样，肠道环境、生理阶段以及饮食的差异均可以对肠道微生物的定植起决定性作用。肠道微生物是调控肠道健康的重要参与者。肠道微生物及代谢产物可以通过不同通路改善肠道健康，直接或者间接参与肠道稳态的调控和机体健康的保障。

3.1 短链脂肪酸对猪肠道健康的作用机制

短链脂肪酸也叫挥发性脂肪酸（SCFA），结肠中SCFA 的90%～95%为乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，肠道微生物群发酵形成了大量的SCFA[26]，同时SCFA 可以抑制消化道中的有害菌的繁殖，调整胃肠酸碱度，保护肠道黏膜。SCFA 可以通过各种途径影响宿主的代谢[27]。SCFA 受体属于G 蛋白偶联受体（GPCR）[28]，包含GPR43、GPR41 和GPR109。SCFA 通过调节肠道黏蛋白的分泌量调节和保护肠道黏膜屏障[29]。Chen 等[30]研究表明，SCFA 可以增强猪肠道中组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的生物活性，抑制核转录因子κb（NFκB）的表达，抑制肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）、白细胞介素-18（IL-18）等的分泌。醋酸和丙酸可通过影响GPR43 上的调叉头框转录因子P3（FOXP3）促使T淋巴细胞增殖，从而提高抗炎细胞因子白细胞介素-10（IL-10）的分泌。而丁酸盐则能够激活GPR109A，通过抑制促炎因子白细胞介素-6（IL-6）、白细胞介素-17（IL-17）的生成分泌，增强树突状细胞和巨噬细胞抵抗炎症的作用。

SCFA还通过氧化作用的方式为小肠黏膜上皮细胞供给能量[31]，维持胃肠屏障功能以改变肠黏膜形态，从而减少有害菌对胃肠的黏附和破坏，保持肠黏膜的完整性。研究表明，给断奶仔猪饲喂SCFA更有利于仔猪肠道健康和发育[32]。

3.2 胆汁酸对猪肠道健康的作用机制

胆汁酸（BA） 包含胆酸（CA） 和鹅去氧胆酸（CADA）。CADA和CA为初级胆汁酸，均储存在肝脏的胆囊中，主要的生物学作用为帮助脂质及脂溶性维生素水解、消化和吸附。动物在消化食物时，会增加胆囊素的分泌，作用于胆囊，使其缩小，促进胆汁分泌在小肠中用于消化。次级胆汁酸由小肠中的初级胆汁酸在胆汁酸水解酶以及拟球菌（Bacteroides）、梭形芽孢球菌（Clostridium）、双歧杆菌（Bifidobacterium）、乳酸菌和李斯特菌（Listeria）[7,33-34]的共同作用下产生，如脱氧胆汁酸（DCA）和石胆酸（LCA）[35]。

BA 可刺激母猪小肠G 蛋白偶联胆汁酸受体（GPBAR），促进胰高血糖素样肽-1（GLP-1）和GLP-2的分泌。基础饲粮中加入CDCA可以刺激GPBAR，促进GLP-1和GLP-2产生，GLP-2可加快母猪胃肠黏膜的修复与生长[36]。小肠黏膜损伤后，需要经过肠黏膜屏障功能的恢复与重建、创伤通道的构建及通路形成以及小肠隐窝的重建。前列腺素E2（PGE2）的分泌受DCA 的调控和影响，主要表现为抑制作用。在肠黏膜屏障功能恢复的过程中，PEG2下降可以帮助建立伤口通路，DCA可以通过法尼醇X 受体（FXR） 抑制浆型磷脂酶A2（Cpla2）的分泌（和PEG2 合成相关），从而促进创伤通道的构建及通路形成[37]。BA还能够刺激FXR，防止由化学因素诱发的小肠炎症从而缓解结肠炎症，增强小肠上皮细胞通透性，降低杯状巨噬细胞的损伤。

3.3 维生素对猪肠道健康的作用机制

维生素是生物体维持正常生理代谢必不可少的营养成分，参与机体生命活动的各个环节，与代谢、疾病、健康密切相关。肠道微生物参与多种维生素的合成，如维生素B3、维生素B12、维生素K等，同时肠道微生物也受维生素的影响和调控。

Lee等[38]研究表明，维生素A可以影响并调控肠道菌群，维持肠黏膜的完整性，提高动物机体和肠道的免疫功能[18]。在动物的肝脏与肾脏中，维生素D 被两次羟基化，转化为1,25-二羟基基维生素D[1,25(OH)2D3]具有生物活性，其活性由维生素D受体（VDR）调控。VDR在肠道中表达，具有参与小肠上皮跨细胞钙转运的作用[39]。研究表明，当VDR 不足时，小肠跨细胞电阻明显降低，小肠上皮细胞连接的紧密性也受到损伤，小肠黏膜通透性提高，表明VDR 的降低可能与小肠屏障损伤相关[40]。此外，维生素D还通过VDR促进非受体蛋白酪氨酸磷酸酶2（PTPN2）的表达降低肠黏膜的通透性，从而改善肠道健康[41]。

3.4 吲哚类化合物对猪肠道健康的作用机制

色氨酸（TRP）是猪的必需氨基酸之一，参与猪的生长代谢。TRP 通过肠道微生物在猪肠道中产生吲哚及吲哚代谢产物，包括吲哚丙烯酸、吲哚乳酸、吲哚-3-乙醛和吲哚-3-乙酸。猪肠道中的大肠杆菌、拟杆菌、梭形芽孢球菌、乳酸菌杆菌均能够把TRP 转化为吲哚及其代谢产物，如大肠杆菌和拟球菌均能够将TRP转化为吲哚，TRP也可以被乳酸杆菌转化为吲哚乳酸[42]。

在猪小肠中，芳香烃受体（AHR）与增强机体免疫力、降低炎症水平息息相关，同时也参与机体适应性免疫和小肠黏膜屏障作用。色氨酸能够启动AHR 信息通道，释放IL-22，从而抑制致病菌入侵消化道，减轻肠道炎症和维持肠道健康。TRP 能够启动猪肠蛋白质中的雷帕霉素受体（mTOR）蛋白信息通道，提高防御素表达水平[43]。

4 益生菌调控肠道微生物对生猪养殖效益的影响

猪肠道微生物在宿主营养代谢中起重要作用，包括碳水化合物、氨基酸和脂质代谢。肠道不同部位的微生物群在各种营养物质的代谢中表现能力不同。关于在饲粮中添加益生菌调控肠道微生物群改善猪的营养代谢水平和免疫力、提高生产力的研究较多。

4.1 提高猪的生产性能

在饲粮中添加益生菌可以有效改善肠道微生物，提高猪的生产性能。有研究表明，饲喂含有乳酸菌的饲粮，仔猪肠道中厌氧菌数量显著提高，好氧细菌及产气荚膜梭菌数量显著降低，仔猪的料重比显著降低，日增重显著提高[10]。蒋加进等[44]研究表明，在猪群热应激状态下，基础饲粮中添加益生菌（主要由酵母菌及乳酸菌构成）后，猪的腹泻情况明显改善，肠道中大肠杆菌数量也显著降低，饲料利用率得到提高。师丽刚[45]研究表明，给感染大肠杆菌病的猪饲喂双歧杆菌和乳酸菌的饲料可以改善猪肠道健康，提高免疫力，改善生长性能。

4.2 促进瘦肉生成

肠道微生物也可以调节宿主脂质代谢[46-48]。肥胖仔猪的脂肪生成、脂质氧化、能量利用和分配、蛋白质和氨基酸代谢以及胃肠道微生物发酵等代谢途径与瘦猪不同[41]。低脂猪的拟杆菌门丰度较高，而厚壁菌门的丰度较低。张慧等[49]研究发现，在饲粮中添加益生菌可以有效增加育肥猪的眼肌面积，降低背膘厚度，为优质猪肉产品的开发提供了参考。

4.3 缓解断奶应激

仔猪断奶后的自主采食量显著减少、生长发育迟缓、腹泻和疾病风险增加，尤其是大肠杆菌和沙门菌感染增加。研究表明，在饲粮中添加干酪乳杆菌亚种后，断奶仔猪的日增重显著增加，且在哺乳期开始饲喂比在断奶期给予更能够有效地促进断奶仔猪体重增长，饲料转化率更高[50-51]。研究发现，生猪肠道中较高的乳酸杆菌属和较低的大肠杆菌数量更有利于维持仔猪肠道健康，缓解断奶应激，提高生长效率[25]。

5 结论

猪肠道中的微生物种类和数量受生理阶段、饮食和肠道环境的影响。肠道微生物及其代谢产物通过相互作用调节猪肠道健康，提高了生猪养殖效率。目前，关于肠道微生物和宿主相互作用的研究越来越多，但对有利的肠道微生物群以及肠道菌群平衡的定义并没有达成共识。肠道微生物及其代谢产物在动物机体复杂的通信网络中发挥重要作用，但与营养物质代谢相关的特定微生物、宿主肠道的作用机制以及对宿主免疫功能的调控机制还需进一步研究，为生猪肠道稳态、预防疾病、提高生产效率提供参考。