豬胃腸道微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性分析,微生物論文

豬胃腸道微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性分析,微生物論文內(nèi)容摘要：我們國家作為畜牧業(yè)大國,正在經(jīng)歷養(yǎng)殖動(dòng)物健康和畜產(chǎn)品質(zhì)量的升級。調(diào)節(jié)腸道菌群被以為是能夠減少動(dòng)物疾病的發(fā)生、提高飼料轉(zhuǎn)化率及控制抗生素不當(dāng)使用的有效手段。文章綜述了微生物組技術(shù)在豬腸道微生物研究中的應(yīng)用,相信這些基礎(chǔ)研究成果對實(shí)際生產(chǎn)養(yǎng)殖會(huì)產(chǎn)生有益的指導(dǎo),并進(jìn)一步促進(jìn)精準(zhǔn)畜牧的發(fā)展和我們國家養(yǎng)殖業(yè)的總體水平的提高。本文關(guān)鍵詞語：微生物組;豬;腸道微生物;豬是我們國家畜牧業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分,建立合適開展豬胃腸道微生物組研究的技術(shù)體系,系統(tǒng)深切進(jìn)入揭示品種(遺傳型)、飼養(yǎng)管理對胃腸道微生物組成和代謝的影響及途徑,研究胃腸道微生物與宿主的互作機(jī)制,研發(fā)能夠提高飼料資源轉(zhuǎn)化利用效率和生產(chǎn)性能、加強(qiáng)胃腸道功能與宿主健康、提升養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量、改善肉產(chǎn)品品質(zhì)的微生物組應(yīng)用技術(shù),能顯著降低或者消除抗生素使用量促進(jìn)生態(tài)養(yǎng)殖,整體提升我們國家畜禽養(yǎng)殖科技水平,顯著提高我們國家畜禽養(yǎng)殖效益、保障畜禽產(chǎn)品安全、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)人類健康。1微生物組微生物組是指一個(gè)特定環(huán)境或者生態(tài)系統(tǒng)中全部微生物及其遺傳信息,包括其細(xì)胞群體和數(shù)量、全部遺傳物質(zhì)(基因組),它界定了涵蓋微生物群及其全部遺傳與生理功能,其包括了微生物與其環(huán)境和宿主的互相作用。2微生物組的研究方式方法微生物遍布于人體所有與外環(huán)境相通器官,尤以腸道微生物數(shù)量諸多,對人體有著非常重要的生理意義。但因其種類繁多、體型微小,增加了對其全面、深切進(jìn)入認(rèn)識的難度。隨著分子生物學(xué)、基因組學(xué)、生物信息學(xué)等學(xué)科的興起,大大促進(jìn)了微生物組研究技術(shù)的發(fā)展。微生物組研究的重點(diǎn):一是多樣性,包括分離、鑒定種類及定量;二是活性,即微生物在其所處環(huán)境中起何種功能作用。圍繞這一主題,微生物組研究方式方法可概括為傳統(tǒng)檢測方式方法、構(gòu)建基因文庫法、遺傳指紋圖譜技術(shù)、分子雜交技術(shù)和DNA測序技術(shù)等。高通量測序技術(shù)的發(fā)展使得研究者能夠在對不同生態(tài)位的微生物群落構(gòu)造和功能進(jìn)行整體研究與分析,宏基因組學(xué)技術(shù)相比于之前研究方式方法具有很強(qiáng)的優(yōu)越性,它能夠獲得愈加全面的微生物群落信息,幫助人們把握豬微生物組的全貌。當(dāng)前常用的高通量測序方式方法主要是以Illumina公司發(fā)展的為代表的第二代測序方式方法,以及以Pacbio公司為代表的第三代單分子測序方式方法。通過結(jié)合微生物分離培養(yǎng)與高通量擴(kuò)增子測序,宏基因組測序(shotgun)以及宏轉(zhuǎn)錄組測序,進(jìn)而對豬微生物組進(jìn)行全面的群落構(gòu)造與多樣性分析,功能基因注釋與預(yù)測分析,在特定時(shí)空條件以及不同條件處理的基因表示出情況分析來全面揭示豬微生物組與健康,豬病發(fā)生與防治,促進(jìn)仔豬生長的關(guān)系。3豬腸道微生物的構(gòu)成仔豬腸道微生物區(qū)系隨宿主日齡增加逐步變得復(fù)雜多樣,且構(gòu)成一個(gè)相對動(dòng)態(tài)平衡、穩(wěn)定的微生態(tài)系統(tǒng),對宿主的生長和健康起著重要作用。豬在出生前胃腸道沒有細(xì)菌,出生24h內(nèi),腸道內(nèi)定植了雙歧桿菌、乳酸桿菌、大腸桿菌、腸球菌等細(xì)菌。隨著日齡的增長,微生物的多樣性與豐富度隨之提高。育肥豬腸道內(nèi)以厭氧菌(雙歧桿菌、乳酸菌等)為主,約占99%,少量為需氧菌或兼性厭氧菌。定植在宿主腸道內(nèi)的微生物及其代謝產(chǎn)物能夠不同程度地影響營養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收、利用。同樣,不同的膳食水平也會(huì)制約著微生物的生長與增殖。營養(yǎng)物質(zhì)與微生物之間存在著互作機(jī)制,互相影響,共同進(jìn)化,維持著腸道微生態(tài)平衡。4微生物組的應(yīng)用4.1豬胃腸道微生物群落構(gòu)造及多樣性分析地球上存在超過55個(gè)細(xì)菌門類,但只要擬桿菌門和厚壁菌門這兩個(gè)深層進(jìn)化門類的菌群在胃腸道中占優(yōu)勢,這表示清楚動(dòng)物胃腸道是一個(gè)相對獨(dú)立的環(huán)境,其微生物組成與其他生態(tài)環(huán)境有明顯差異不同。Lamendella等(2018)對豬糞便微生物宏基因組進(jìn)行shotgun測序的研究表示清楚,豬糞便微生物中占主導(dǎo)地位的是厚壁菌門和擬桿菌門,華而不實(shí)Prevotellaspp.占優(yōu)勢,與其他動(dòng)物宏基因組數(shù)據(jù)的比擬發(fā)現(xiàn),豬糞便菌群的門類分布與牛瘤胃和雞盲腸最為類似。Yan等(2021)在長白豬與梅花豬仔豬的研究中發(fā)現(xiàn)相比于梅花豬,長白豬仔豬的結(jié)腸粘膜中短鏈脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及受體的表示出更高層次,而膽汁酸受體表示出更低;鑒定出8個(gè)細(xì)菌屬及16個(gè)細(xì)菌物種,在2種仔豬結(jié)腸中的相對豐度存在差異,這些細(xì)菌與結(jié)腸膽汁酸及短鏈脂肪酸的濃度密切相關(guān)。Ramayocaldas等(2021)利用網(wǎng)絡(luò)分析的方式方法初次揭示了豬腸道菌群的互相作用,構(gòu)建了以屬水平微生物和OTU為單位的互相作用網(wǎng)絡(luò),并與人腸道菌群的互相作用進(jìn)行了比擬。對518頭60日齡健康仔豬的腸道菌群進(jìn)行聚類,并結(jié)合體重和平均日增重等產(chǎn)量性狀,利用Arumugam等開發(fā)的腸型分析算法對518個(gè)小豬樣品的腸道微生物進(jìn)行分析,結(jié)果顯示小豬腸道菌群主要分為2個(gè)類似腸型的類型:第一類為PEA,密螺旋體屬是PEA聚類群的優(yōu)勢菌;第二類為PEB,普氏菌屬是PEB聚類群的優(yōu)勢菌。聚類結(jié)果與小豬的平均日增重相關(guān)(P=0.027),不受小豬的性別、生產(chǎn)批次及核心家族影響。4.2豬不同發(fā)育階段胃腸道微生物的變化研究動(dòng)物胃腸道正常微生物區(qū)系在動(dòng)物營養(yǎng)、健康、防病、免疫等方面發(fā)揮著重要作用。仔豬哺乳階段是腸道菌群快速建立的階段,而斷奶會(huì)導(dǎo)致仔豬腸道菌群發(fā)生宏大的改變。豬腸道內(nèi)含有細(xì)菌、真菌、病毒等多種微生物,種類不同的微生物根據(jù)一定的比例組合,各微生物間互相協(xié)同與拮抗,在質(zhì)和量上構(gòu)成一種生態(tài)平衡。在人體微生物組研究中,已有從嬰兒到老年時(shí)期不同年齡的人體菌群變化研究。那豬的腸道菌群隨年齡怎樣變化?Chen等(2021)討論了豬不同年齡的腸道菌群構(gòu)造變異,分別在仔豬斷奶前10天,斷奶日,斷奶后10天,斷奶21天收集新鮮糞便,通過16S測序分析表示清楚仔豬在斷奶后,腸道菌群快速改變,并在10天內(nèi)到達(dá)相對穩(wěn)定的水平,多樣性隨時(shí)間增長顯著增加;仍在接受哺乳的仔豬的腸道菌群主要由梭桿菌屬、乳桿菌屬、擬桿菌屬、埃希氏菌屬/志賀氏菌屬、巨型球菌屬組成;斷奶后的仔豬的腸道菌群主要由Blautia、梭菌屬XIVa、Paraprevotella等菌屬組成。Zhao等(2021)選取1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月以及6個(gè)月大的豬作為試驗(yàn)對象,檢測微生物在豬腸道中的動(dòng)態(tài)變化,結(jié)果表示清楚高年齡段豬糞便中厚壁菌門微生物比例顯著高于低年齡段,并且在豬發(fā)育經(jīng)過中,微生物組成趨于穩(wěn)定;在成年豬中,腸道不同位置微生物組成差異顯著。PCA主成分分析結(jié)果表示清楚1月大豬中微生物組成與其他三個(gè)年齡段顯著不同,而6月大豬的不同胃腸道樣本可因?qū)偎轿⑸锝M成聚為3類:小腸(空腸和結(jié)腸)、大腸(回腸和盲腸)和糞便。Koenig等(2018)關(guān)于嬰兒腸道微生物的研究指出兒童腸道微生物群落在2.5歲后基本趨于穩(wěn)定。高通量測序的宏基因組技術(shù)為研究各個(gè)發(fā)育階段微生物提供了充足的數(shù)據(jù)支持,使得整個(gè)發(fā)育階段微生物變化脈絡(luò)愈加清楚明晰完備,且研究愈加簡單易行。4.3豬腸道微生物與機(jī)體營養(yǎng)代謝4.3.1日糧組成對豬胃腸道微生物的影響近年來,動(dòng)物科學(xué)家開場對動(dòng)物飼養(yǎng)策略的優(yōu)化以及動(dòng)物健康狀況的改善進(jìn)行深切進(jìn)入的微生物組研究。Tilocca等(2021)采用16SrRNA基因測序和宏蛋白組學(xué)方式方法對飲食改變引發(fā)的豬糞便微生物群的構(gòu)造和功能變化進(jìn)行分析,OTU豐度和蛋白質(zhì)定量分析發(fā)現(xiàn),以第一天為零點(diǎn),第1、2周為代謝期,第3、4周為平衡期;僅在平衡期時(shí),菌群因CaP的添加量不同而表現(xiàn)出顯著差異;以大豆或豌豆作為不同蛋白來源的飼料對菌群無顯著影響;隨著食物構(gòu)造的改變,菌群的組成和功能在數(shù)周內(nèi)逐步重排,對營養(yǎng)學(xué)研究具有重要意義。膳食蛋白質(zhì)是家畜氨基酸的基本來源。以前的研究報(bào)告指出低蛋白飲食能夠降低豬糞便和尿液中氨-氮的濃度,但它對生長性能和腸道健康的影響還沒有得到充分驗(yàn)證。Fan等(2021)在調(diào)查膳食蛋白水平對腸道細(xì)菌群落和腸道屏障的影響中發(fā)現(xiàn),適度減少膳食蛋白質(zhì)濃度(13%CP)能夠改善成品豬回腸和結(jié)腸中的細(xì)菌群落構(gòu)造,增加Peptostreptococcaceae的比例,回腸屏障功能加強(qiáng),并解釋了由不同濃度的膳食蛋白質(zhì)引起的腸道細(xì)菌綜合變異的基本機(jī)制,指出特定營養(yǎng)物質(zhì)要到達(dá)一個(gè)平衡比例,可能才是最有利于機(jī)體和相關(guān)菌群所需的。豬胃腸道微生物穩(wěn)態(tài)受多方面的影響,華而不實(shí)不同日糧組成對腸道微生物影響顯著。在日糧組成對豬腸道微生物影響的相關(guān)研究方面,采用基于高通量測序的宏基因組技術(shù),對不同日糧處理的豬腸道樣本檢測后,可獲得遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)方式方法的大量微生物的生物學(xué)信息,便于更準(zhǔn)確的分析日糧與腸道微生物的關(guān)系。4.3.2飼料添加劑對豬胃腸道微生物的影響飼料添加劑是指在飼料生產(chǎn)加工、使用經(jīng)過中添加的少量或微量物質(zhì),在飼料中用量很少但作用顯著。飼料添加劑是當(dāng)代飼料工業(yè)必然使用的原料,對強(qiáng)化基礎(chǔ)飼料營養(yǎng)價(jià)值,提高動(dòng)物生產(chǎn)性能,保證動(dòng)物健康,節(jié)省飼料成本,改善畜產(chǎn)品品質(zhì)等方面有明顯的效果。Yu等(2021)的研究中,在對照飲食,高ZnO(3000mg/kg)或抗生素(300mg/kg金霉素和60mg/kg硫酸粘桿菌素)喂養(yǎng)的仔豬的回腸和結(jié)腸進(jìn)行微生物群落分析,結(jié)果顯示斷奶仔豬的日糧中補(bǔ)充高氧化鋅(ZnO,3000mg/kg)或抗生素,均可顯著增加回腸螺旋體門、柔壁菌門、廣古菌門、疣微菌門和TM7門數(shù)量,降低衣原體門數(shù)量;相比對照組,ZnO和抗生素組的回腸菌群中,條件致病菌彎曲菌目數(shù)量降低,腸桿菌目數(shù)量增加;ZnO組的結(jié)腸菌群中,廣古菌門、甲烷短桿菌屬、史氏甲烷短桿菌種顯著高于其他組;飲食中高含量的ZnO和抗生素增加回腸菌群多樣性且效果類似,影響非主要菌群,并降低結(jié)腸菌群多樣性。果膠包含3種不同類別的多糖:半乳糖醛酸聚糖、鼠李半乳糖醛酸聚糖和替代半乳糖醛酸聚糖,其特點(diǎn)是較高的保水能力、黏性和緩沖能力,在盲腸不被酶解,并且可在后腸發(fā)酵,有助于減少仔豬腸道末端未被消化的飼料,進(jìn)而降低病原菌增殖。而日糧中添加果膠的效果取決于所添加的果膠的理化特性,或間接取決于其對腸道發(fā)酵和菌群調(diào)控的影響。Tian等(2021)通過16S測序研究三種不同果膠對其他碳水化合物消化、豬腸道菌群組成和短鏈脂肪酸水平的影響,發(fā)現(xiàn)LMP顯著降低淀粉的回腸消化效率,導(dǎo)致更多淀粉在近端結(jié)腸發(fā)酵;在回腸,LMP比HMP更容易被菌群發(fā)酵,HMP主要是被近端結(jié)腸的菌群發(fā)酵;大豆粉主要在近端結(jié)腸發(fā)酵,引起橫結(jié)腸中SCFA水平升高;LMP,HMP和aSBM降低結(jié)腸乳酸菌和增加普氏菌的相對豐度,這可能對身體有益。4.4抗生素對豬腸道微生物的影響腸道微生物菌群通過定植腸道,增加抵抗力,幫助機(jī)體防御病原菌的入侵?？梢酝ㄟ^加強(qiáng)機(jī)體對病原菌的免疫應(yīng)答和阻止病原菌在腸道的附著,幫助機(jī)體免受外來病原菌感染。研究證實(shí),無菌動(dòng)物比腸道內(nèi)微生物菌群正常的動(dòng)物更容易遭受病原菌感染,因而抗生素可能是通過抑制某些有害菌,進(jìn)而給更多有益菌增加了繁衍的空間,最終發(fā)揮作用。Looft等(2020)通過16SrRNA基因序列和宏基因組分析揭示了進(jìn)食抗生素對不同腸道位置的微生物群的影響,發(fā)如今回腸中富集厚壁菌門和噬菌體編碼基因,而大腸微生物群則編碼了很多降解植物細(xì)胞壁的基因,回腸粘膜比內(nèi)腔的微生物多樣性更豐富,且與大腸粘膜類似,表示清楚大多數(shù)腸道微生物可與粘膜結(jié)合,抗生素喂養(yǎng)的動(dòng)物的微生物群體顯著的變化是回腸中的大腸桿菌,所有腸道位置中的拉氏梭菌屬以及抗生素的抗性基因的增加,在不同腸道位置。對不同的代謝能力和反響進(jìn)行描繪敘述,將有助于提供改善腸道健康和食品安全的策略。將來的工作應(yīng)該超越遺傳變化,對基因表示出的影響,甚至是蛋白質(zhì)和代謝物的影響。除此之外,系統(tǒng)生物學(xué)對于將微生物變化與宿主改變相結(jié)合至關(guān)重要。關(guān)于在農(nóng)業(yè)中使用抗生素的爭議可能會(huì)持續(xù)下去,但了解抗生素怎樣影響腸道細(xì)菌群落,可能會(huì)提供保存性能優(yōu)勢的替代策略,同時(shí)降低對人類和動(dòng)物健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)5