鸡的肠道菌群影响因素、主要功能及作用分析

　　摘    要：　鸡的肠道菌群具有调节肠道营养物质消化、宿主代谢和维持体内稳态的生理功能。肠道菌群主要通过竞争排斥预防有害微生物和病原体的定植,减少为抵抗这些病原体而保持免疫系统的活性所消耗的能量,在维持肠道健康中起着关键作用。文章对肠道菌群对免疫系统发育、免疫稳态和肠道健康的影响进行综述,旨在为后续研究提供参考。

　　关键词 :     肠道菌群;肠道健康;免疫系统;免疫稳态;

　　Abstract：　Intestinal flora of chickens has the physiological functions of regulating the intestine, digestion of nutrients,host metabolism and maintaining homeostasis.The intestinal flora plays a key role in maintaining intestinal health through competing with harmful microorganisms and pathogens to prevent the colonization of pathogens, reducing the energy consumed to resist these pathogens and maintain the activity of the immune system.The paper reviews the the effect of intestinal flora on immune system development, immune homeostasis and intestinal health, aiming to provide reference for future research.

　　Keyword：　intestinal flora; intestinal health; immune system; immune homeostasis;

　　家禽的饲料转化率范围为1.6～2.0[1]，维持高饲料转化效率对满足日益增长的家禽产品需求起着至关重要的作用。鸡胃肠道（GIT）有着大量的微生物群落，这些微生物群在鸡的生长和健康中起着重要作用，能够提高鸡的养分吸收效率和改善禽类的免疫系统。大多数禽类动物所定植的微生物细胞的数量至少与其体细胞一样多，至少包含500～1 000种细菌[2]。研究表明，鸡肠道中的1 000种细菌（每个约具有2 000个基因）包含200万个基因[3]，比鸡的基因数量（约17 000个）多100倍[4]。肠道菌群通常与宿主呈共生关系，如通过降解复杂碳水化合物和提供某些维生素而共存，紧密影响机体的各个系统，尤其是肠道免疫系统。因此，肠道菌群的结构和功能对家禽的健康至关重要。同时，维持肠内稳态对宿主能量的摄取和利用也必不可少[5]。

　　1 、肠道菌群的组成

　　肠道菌群包括与人类或动物有机体共生以及致病微生物的微生物群落。肠道菌群的数量大约是宿主体细胞和生发细胞的两倍[6]。肠道菌群直接或间接地参与高等动物和人类消化道中所有的生理和病理过程。不同的肠道菌群在宿主的新陈代谢、生长性能、营养物质的消化、养分吸收、饲料利用效率中起着重要的作用[7,8]。鸡肠道菌群主要由拟杆菌、变形杆菌和放线菌组成[9,10,11]。鸡肠道菌群的组成取决于年龄、基因型、环境、饮食和饲料添加剂等多种因素。但是，非感染性或感染性应激源会严重改变肠道菌群的组成，营养不良也会影响肠的形态和活性，如肠的通透性增加、细菌感染、败血症和发炎等[12]。

　　Wei等[13]研究使用GIT的所有可用数据分析肉鸡的肠道微生物组，建立915个操作分类单元（OTU），微生物组分类的13个门中，厚壁菌门（70%）、拟杆菌门（12.3%）和变形菌门（9.3%）占所有序列的90%以上；微生物组分类的117个属中，梭菌属、瘤胃球菌属、乳杆菌属和拟杆菌属占主导地位；但是，其他菌种的比例很小、序列非常少，能够证明鸡的GIT中产甲烷菌的缺乏。与其他动物的肠道菌群相比，鸡肠道菌群的微生物多样性相对较低，主要由于食物通过消化系统快速被运输，停留时间短。人类食物的平均停留时间为20 h，而29日龄的肉鸡的停留时间仅为4～5 h[14]。Wei等[13]分析从盲肠中提取的序列时，发现菌群的主要门类是厚壁菌门和拟杆菌门，其次是变形菌门和放线菌门。来自厚壁菌门的31个属中，只有瘤胃球菌属和梭菌属的序列占比大于5%。盲肠中厚壁菌门和拟杆菌门的数据表明，微生物群在使用尿酸循环氮、生产必需氨基酸和消化非淀粉多糖中起着重要作用，刺激短链脂肪酸（SCFA）的产生[15]。在盲肠中发现占序列总数超过1%的其他属包括布劳特氏菌属、丁酸弧菌属、乳杆菌属、罗斯氏菌属和韦荣氏球菌属。

　　2、 影响肠道菌群的关键因素

　　禽类胃肠道的最初定植是从孵化起自然发生，甚至在微生物从蛋壳的孔中通过开始定植[16,17]。禽类的集约化生产执行严格的卫生管理，极大地降低孵化环境中的微生物负荷，避免病原菌的定植，使新孵化的禽类从农场的人工环境中获得初始微生物群[18]。在不同的发育阶段，母鸡也可以通过环境因素（包括免疫系统的相互作用）对微生物群进行调节[19]。一旦孵化，鸡的胃肠道中肠杆菌科等菌群就被定植。但是，胃肠道中特定细菌种类（如肠杆菌科）的定植很可能是一种随机过程，接触饲养环境中的微生物以及食物和水中的细菌均会受到影响[20]。因此，鸡的微生物群会随着各种因素而变化，这些因素主要包括GIT的位置、饮食和气候季节。

　　2.1、 GIT位置对鸡微生物群的影响

　　消化系统的每个器官均发挥对消化过程和营养吸收至关重要的作用。消化道不同器官的生物组成存在差异，微生物在每个器官中均具有独立的功能。因此，尽管每个器官之间有着紧密的联系，但仍可以被视为独立的生态系统[21]。小肠中细菌细胞的数量最多，主要由乳杆菌、肠球菌和梭菌组成；乳杆菌是占主导地位的属，几乎占细菌细胞总数的70%[22]。盲肠是消化道中可以将食物保留时间最长（12～20 h）的器官，所以具有多样性和丰富度最高的肠道菌群。

　　2.2 、饮食对鸡微生物群的影响

　　饮食的组成、加工、消化率和喂养方法等因素均可能干扰肠道生态系统的平衡，尤其是在动物初生阶段[23]。影响微生物群的饲料因素包括：谷物的形式、谷物的种类、水溶性非淀粉多糖的量和脂肪、淀粉和蛋白质的来源[24]。Chambers等[25]总结了一种特定饮食类型所偏爱的细菌群[25]。Luo等[26]研究发现，饲喂含豆油日粮的鸡的产气荚膜梭菌含量低于饲喂动物源性脂肪的鸡。饮食因素会改变肠道微生物群，细菌能够水解难消化的碳水化合物和多糖，使肠道生态系统的其他成员进一步发酵，产生短链脂肪酸（SCFA），进而可被宿主利用。一些饲料添加剂（益生元和益生菌）可以调节肠道菌群和肉鸡的生产性能。Yang等[27]研究表明，在饲喂含甘露寡糖（MOS）或锌杆菌肽日粮的肉鸡中，回肠的乳酸杆菌和大肠菌群出现显着变化，而且肉鸡的性能和能量利用率得到提高。

　　2.3 、气候和季节变化对鸡微生物群的影响

　　鸡的密集繁殖需要严格控制环境条件，尤其是对温度和湿度的控制[28]。但是，即使调节禽舍的内部变量，外部气候条件（尤其是极端高温）也会对鸡的健康和生产性能产生负面影响[29]。有研究发现，盲肠微生物群随季节的变化很大，冬季的物种丰富度大约是夏季的2倍，并且家禽肠道微生物群随着地理位置的不同而变化[30,31,32]。这些变化可能由于地域和季节性气候条件对禽类周围微生物群和禽类本身的影响造成的。

　　3 、肠道菌群的主要功能

　　3.1 、营养交换的功能

　　消化系统的共生细菌提供给鸡代谢过程中直接或间接的重要营养，包括SCFA、铵、氨基酸和维生素[33]。大多数肠道菌群能够将多糖、寡糖和二糖水解为单糖，进而发酵这些糖产生乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐的SCFAs[34]。在盲肠中，SCFAs通过被动扩散被上皮细胞吸收，进入各种代谢途径，作为鸡获取能量和碳的来源。肠道菌群也有助于氮的代谢，如来自泌尿生殖道的肠道菌群能够将尿酸分解为铵的细菌从泄殖腔传播到盲肠，影响盲肠的代谢并促使宿主吸收铵，宿主可以将铵用于氨基酸的合成[35]。相同的肠道细菌本身也可以是氨基酸和维生素的来源[36,37]。尽管这些细菌产生的大多数蛋白质和维生素在排泄过程中会丢失，但由于盲肠中有很多的肠道细菌，使该器官无法消化或吸收蛋白质。

　　3.2 、竞争排斥的功能

　　竞争排斥的生态学定义规定，争夺相同资源的两个物种不能稳定地共存。因此，其中一个竞争者将始终主导另一个竞争者。肠道菌群与定植的病原菌竞争，能够减少病原体在肠道中的附着和定植。尽管尚未阐明导致这种保护的机制，但竞争性排斥过程仍然是防止沙门氏菌在肉鸡肠道中定植的最有效方法之一。因此，可以开发出多种产品来控制病原体[38]。

　　4 、肠道菌群对免疫力和肠道健康的影响

　　4.1 、肠道菌群对免疫系统发育的影响

　　虽然有关肠道菌群和肠道健康的许多数据均与疾病状态相关，但是肠道菌群在维持肠道健康和正常肠道功能中起着重要作用。Pan等[38]研究发现，胃肠道微生物群落通过抑制病原体的附着、细菌素和其他有毒代谢产物和复杂多糖的发酵，向宿主提供能量充当抗感染屏障；同时，肠道微生物群落与宿主先天免疫系统之间的初始相互作用会导致随后的适应性免疫反应，可能是由于B细胞或T细胞的依赖性。许多宿主因素会影响胃肠道菌群的建立和进化，但是肠道菌群与免疫系统的相互作用在某些阶段显然占主导地位。

　　β-防御素是一种小的抗菌肽，存在于肠的上皮表面，是先天免疫的重要组成部分[39]。这些肽由于响应脂多糖刺激而产生，涉及Toll样受体TLR-4和转录因子NF-κB[40]。肠道中的微生物会影响防御素的表达，微生物的减少会导致家禽早期生长时十二指肠和盲肠中β-防御素的表达降低[41]。微生物群落有助于排除病原体，发酵多种底物并为宿主提供能量[38]。

　　胃肠道包含各种复杂的微生物群落。因此，微生物细胞与宿主免疫系统之间发生广泛而复杂的相互作用。这些相互作用在鸡胚的最开始发育阶段就已部分确定。早期微生物群的定植对健康的肠道发育也是必不可少的。研究表明，微生物在肠道免疫系统的发育和成熟过程中是必不可少的[42]。无菌动物更容易被感染，常表现出血管减少、消化酶活性降低、肌肉壁厚度变薄、细胞因子产生减少和血清免疫球蛋白水平降低等问题[43]。因此，肠道菌群对免疫系统发育的影响巨大，将对健康和生产性能产生潜在的影响。

　　4.2 、肠道菌群组成与免疫稳态

　　肠道中细菌种类的多样性是肠道建立稳定生态系统的最重要因素之一。在完全建立细菌种群之前，幼龄动物的肠道细菌种类要少于成年，使得幼龄动物的肠道菌群比成年动物更容易受到干扰。因此，稳定的菌群对动物抵抗感染至关重要，尤其是在动物的肠道中，这种现象被描述为细菌拮抗作用[44]。

　　肠道菌群中不同的共生成员和病原体均能够改变免疫稳态。胃肠道中的共生细菌可以调节细胞因子的产生[45]，在先天和适应性免疫应答中均起着重要作用。先天的免疫反应导致随后的适应性免疫反应，并刺激Th2细胞因子的产生[46]。在鸡早期生长阶段中IL-4和IL-10的表达增加，而在后期则有所下降[47]。这些变化可能是年龄、抗生素的使用以及弯曲杆菌等病原体感染引起的微生物群落变化。在后期感染空肠弯曲杆菌的鸡中，细胞因子表达谱显示出IL-6、IL-17A和IL-17F表达上调[48,49]。感染空肠弯曲杆菌的时间会改变细胞因子的表达谱，这种免疫应答会驱动肠道菌群组成的变化[50]。Withanage等[50]研究发现，1日龄的鸡被鼠伤寒沙门氏菌感染后的第1 d和第3 d，在盲肠、扁桃体、回肠和脾脏中的IL-6表达增加。许多革兰氏阴性病原体，如大肠杆菌和沙门氏菌，均是公认的具有促炎机制的变形杆菌。研究表明，一些菌属与促炎细胞因子（IL-1β、IL-6和IL-18）的表达呈负相关，与抗炎细胞因子（TGF-β4）的表达呈正相关，而其他菌属则与促炎细胞因子的表达呈正相关[51]。因此，鸡肠道菌群中的相互作用十分复杂，确定胃肠道微生物的具体作用十分困难。

　　5 、展望

　　肠道菌群是一个复杂而动态的系统，肠道微生物群落与宿主免疫系统之间具有多方面的关系。理想的菌群应在消化过程中促进营养的吸收，还应确保宿主在受到病原体攻击时能够产生有效的免疫反应。但是，要确定“理想微生物菌群”彼此之间以及和宿主之间的相互作用仍然是一个挑战。肠道健康在微生物健康中的作用研究仍处于起步阶段，未来需要更多深入的探索。

　　参考文献

　　[1] Sugiharto S ,Ranjitkar S Recent advances in fermented feeds towards improved broiler chicken performance ,gastrointestinal tract microecology and immune responses:A review[J].Anim. Nutr. ,2019,5(1):1-10.

　　[2] Gilbert J A,Blaser M J,Caporaso J G.et al.Current understanding of the human microbiome[J]. Nature Medicine. .2018,24(4):392-400.

　　[3] Turmbaugh P J,Ley R E.Hamady M,et al.The human microbiome project[J]. Nature ,2007 .449:804-810.

　　[4] Pertea M,Salzberg S L. Between a chicken and a grape: Estimating the number of human genes[J] .Genome Biology,2010,11(5):206.

　　[5] Kers J G,Velkers F C,Fischer E,et al.Host and environmental factors affecting the intestinal microbiota in chickens[J].Frontiers in Microbiology,2018,9:23

　　[6] Sender R,Fuchs S ,Milo R. Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body[J].PLo S Biology,2016,14(8):e1002533.

　　[7] Frick J S,Autenrieth 1 B.The gut microflora and its variety of roles in health and disease[J] Curr. Top Microbiol Immunol. .2013,358:273-289.

　　[8] Yadav S,Jha R. Strategies to modulate the intestinal microbiota and their effects on nutrient utilization, performance. and health of poultry[J].J. Anim. Sci.Biotechnol. ,2019,10(1):2.

　　[9] Yeoman C J,Chia N,Jeraldo P,et al.The microbiome of the chicken gastrointestinal tract[J] Animal Health Research Reviews,2012,13(1):89-99.

　　[10] Stanley D,Hughes R J,Moore R J.Microbiota of the chicken gastrointestinal tract:Influence on health,productivity and disease[J]. Appl. Microbiol Biotechnol. ,2014,98(10):4301-4310.

　　[11] Yan W,Sun C,Yuan J,et al.Gut metagenomic analysis reveals prominent roles of Lactobcillus and cecal microbiota in chicken feed efficiency[J].Sci.Rep. ,2017,7:45308.

　　[12] Shang Y,Kumar s,Oakley B,et al. Chicken gut microbiota:lmportance and detection technology[J.Front Vet.Sci,2018,5:254.

　　[13] Wei S,Morrison M,Yu Z. Bacterial census of poultry intestinal microbiome[J].Poult. Sci. .2013,92(3):671-683.

　　[14] Rougiere N,Carre B .Comparison of gastrointestinal transit times between chickens from D+and D-genetic lines selected for divergent digestion efficiency[J].Animal,2010.4(11):1861-1872.

　　[15] J6zefiak D,Rutkowski A,Martin S A. Carbohydrate fermentation in the avian ceca:A review[J].Animal Feed Science&Technology,2004,113(1-4).1-15.

　　[16]Lee S,La T M,Lee H J.et al.Characterization of microbial communities in the chicken oviduct and the origin of chicken embryo gut microbiota[J.Sci.Rep. ,2019,9(1):6838.

　　[17] Roto S M,Kwon Y M,Ricke S C Applications of in ovo technique for the optimal development of the gastrointestinal tract and the potential influence on the establishment of its microbiome in poultry[J].Front Vet.Sci. ,2016,3:63.

　　[18] Donaldson E E Stanley D,Hughes R J,et al.The time -course of broiler intestinal microbiota development after administration of cecal contents to incubating eggs[J].Peer J,2017,5(7):e3587.

　　[19] Ding J,Dai R,Yang L.et alnheritance and establishment of gut microbiota in chickens[J] Frontiers in Microbiology 2017,8:1967.

　　[20] Ballou A L,Ali R A,Mendoza M A.et al.Development of the chick microbiome:How early exposure infuences future microbial diversity[J].Front Vet Sci.2016,3:2.

　　[21] Kulemzina A I,Bitueva L S,Trifonov V A.et al. Comparative cytogenetics of main Laurasiatheria taxa[J]. Genetika,2010,46(9)-:1278-1284.

　　[22] Han G G,Kim E B,Lee J,et al.Relationship between the microbiota in different sections of the gastrointestinal tract,and the body weight of broiler chickens[J]. Springerplus .2016,5(1):911.

　　[23] Huang P,Zhang Y,Xiao K,et al.The chicken gut metagenome and the modulatory effects of plant-derived benzylisoquinoline alkaloids[J].Microbiome,2018,6(1):211.

　　[24] Gabriel I,Lessire M,Mallet S ,et al.Microflora of the digestive tract:Critical factors and consequences for poultry[J] World's Poultry Science Journal,2006,62(3):499.

　　[25] Chambers J R, Gong J.The intestinal microbiota and its modulation for Salmonella control in chickens[J].Food Research International,2011 .44(10):3149-3159.

　　[26] Luo Q,Cui H,Peng X,et al.Dietary high fluorine alters intestinal microbiota in broiler chickens[J] .Biological Trace Element Research,2016, 173(2):483-49

　　[27] Yang Y,Lji P A.Kocher A.et al. Effects of mannanoligosaccharide in broiler chicken diets on growth performance ,energy utilisation,nutrient digestibility and intestinal microflora[J] .Br. Poult. Sci. ,2008.49(2):186-194.

　　[28] Jones T A,Donnelly C A, Stamp D M. Environmental and management factors affecting the welfare of chickens on commercial farms in the United Kingdom and Denmark stocked at five densities[J]. Poult. Sci. ,2005,84(8)1155-1165.

　　[29] Farag M R,Alagawany M.Physiological alterations of poultry to the high environmental temperature[J].Journal of Thermal Biology,.2018,76:101-106.

　　[30] Pandit R J,Hinsu A T,Patel N V,et al.Microbial diversity and community composition of caecal microbiota in commercial and indigenous Indian chickensdetermined using 16S「DNA amplicon sequencing[J].Microbiome,2018,6(1):115.

　　[31] Siegerstetter S C,Schmitz-Esser S,Magowan E ,et al. Intestinal microbiota profiles associated with low and high residual feed intake in chickens across two geographical locations[J].PLo S One,2017,12(11):e187766.

　　[32] Zhou X,Jiang X,Yang C,et al. Cecal microbiota of Tibetan chickens from five geographic regions were determined by 16S「RNA sequencing[J].Microbiology Open,2016,5(5):753-762.

　　[33] Pan D.Yu Z.Intestinal microbiome of poultry and its interaction with host and diet[J] Gut Microbes ,2014.5(1):108-119.

　　[34] Cunningham-Rundles s, Ahrn S,Abuav-nussbaum R.et al.Development of immunocompetence:Role of micronutrients and microorganisms[J].Nutrition Reviews ,2002 ,60(5):S68-S72.

　　[35] Denbow D M.Gastrointestinal anatomy and physiology[J] Sturkie's Avian Physiology:Sixth Edition,2015:337-366.

　　[36] Metges C C Contribution of microbial amino acids to amino acid homeostasis of the host[J].Journal of Nutrition,2000,130(7):1857S-1864S.

　　[37] Leblanc J G,Milani C,de Giori G S,et al.Bacteria as vitamin suppliers to their host.A gut microbiota perspective[J].Curr. Opin. Biotechnol. ,2013,24(2):160-168.

　　[38] Pan D,Yu Z.Intestinal microbiome of poultry and its interaction with host and diet[J] Gut.Microbes ,2014,5(1):108-119.

　　[39] Shimizu M,Watanabe Y,Isobe N,et al. Expression of avian betadefensin 3,an antimicrobial peptide ,by sperm in the male reproductive organs and oviductin chickens:An immunohistochemical study[J] Poult Sci. ,2008,87(12)-:2653-2659.

　　[40] Akbari M R,Haghighi H R,Chambers J R,et al.Expression of antimicrobial peptides in cecal tonsils of chickens treated with probiotics and infected withSalmonella enterica serovar Typhimurium[J] Clinical and Vaccine Immunology,2008,15(11):1689- 1693.

　　[41] Butler V L,Mowbray C A,Cadwell K,et al. Effects of rearing environment on the gut antimicrobial responses of two broiler chicken lines[J].Vet.Immunol.Immunopathol. ,2016, 178:29-36.

　　[42] Dibner J J,Knight C D,Kitchell M L,et al.Early feeding and development of the immune system in neonatal poultry[J]Journal of Applied Poultry Research,1998,7(4):425-436.