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博落回散促生长机制研究

  • 分类:新闻中心
  • 作者:刘华
  • 来源:
  • 发布时间:2020-04-09 11:28
  • 访问量:59

【概要描述】系统比较饲用抗菌素促生长剂金霉素和天然促生长剂博落回散对肠道微生物菌群的调节作用。

博落回散促生长机制研究

【概要描述】系统比较饲用抗菌素促生长剂金霉素和天然促生长剂博落回散对肠道微生物菌群的调节作用。

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上世纪50年代以来饲用抗菌素促生长剂(Antibiotic growth promoters, AGPs)广泛应用于动物生产。饲料中添加饲用抗菌素促生长剂可以提高畜禽生产性能,减少畜禽发病率和死亡率,获得更高的经济效益。但是,饲用抗菌素促生长剂长期亚临床剂量和不规范使用导致了严重的细菌耐药性、动物源食品安全隐患和环境污染等问题,欧盟、韩国、日本等国家和地区已经禁用了饲用抗菌素促生长剂,中国政府也规定自2020年7月1日禁止在饲料中添加饲用抗菌素促生长剂,在全球范围内饲用抗菌素促生长剂禁用已是大势所趋。因此,市场迫切需要安全、可控、有效的饲用抗菌素促生长剂替代产品。然而,无论是饲用抗菌素促生长剂(AGPs)还是天然促生长剂(Nature growth promoters, NGPs)其作用机制均尚不清楚。只有阐明AGPs和NGPs的防病促生长机制,才能真正指导天然来源防病促生长的饲用替抗产品的开发和应用。

 

为了解析AGPs和NGPs的促生长机制,更好的理解家禽肠道微生物的功能,并解释AGPs、NGPs与肠道微生物群相互作用关系,湖南美可达生物资源股份有限公司创始人、湖南农业大学曾建国教授带领的研究团队,联合中国农科院深圳基因组研究所樊伟研究员团队,以及中国农业大学呙于明教授团队,于2012年启动了鸡肠道宏基因组研究计划。经过6年的努力,构建了第一个鸡肠道微生物参考基因集,并深入分析不同肠段(十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结直肠)、不同饲养方法(散养鸡和笼养鸡)、不同日龄(1-42日龄)对肠道微生物群落与功能的影响。最后,系统地比较了饲用抗菌素促生长剂金霉素(CTC)和天然促生长剂博落回散(商品名:美佑壮;MYZ)对肠道微生物菌群的调节作用。研究结果揭示了CTC和MYZ对肠道菌群的影响存在显着差异,表明MYZ作为饲用抗菌素替代产品在畜禽养殖中的巨大潜力。研究成果是对动物肠道宏基因组学研究的重要补充,更为重要的是为开发饲用抗菌素促生长剂替代品提供了“整肠、抗炎、促生长”技术的支撑基础。

 

研究成果以“The chicken gut metagenome and the modulatory effects of plant-derived benzylisoquinoline alkaloids”为题于2018年11月27日以长篇幅研究论文(Research Article)的形式在国际微生物学权威期刊Microbiome(IF: 10.03)上在线发表(图1)。

 

图1.研究论文发表于Microbiome杂志

 

 

 

主要研究结果

 

 

1

鸡肠道宏基因组的特点

研究选用40日龄以上的鸡,对285个肠道样品(包含5个肠段)的宏基因组数据进行了分析。分析发现,前肠段(十二指肠、空肠和回肠)的微生物多样性大致相同,而后肠(盲肠和结直肠)的多样性也大致相同,但前后肠之间的差异较大,且后肠的多样性明显高于前肠。通过微生物相对丰度分布的分析,发现乳杆菌属是前肠中的绝对优势菌属。众所周知,乳杆菌属能为宿主提供营养,并防御机会致病菌。前肠核心属的共生网络分析表明(图2),在前肠中,乳杆菌能竞争性地抑制一些细菌,与这些细菌的相对丰度均呈负相关关系(图2a)。此外,一些短链脂肪酸(SCFA)生产菌,如梭状芽孢杆菌、丁酸杆菌和Faecalibacterium彼此呈现正相关,并在前肠形成了相对独立和稳定的网络结构(图2a)。而在后肠中,有19个属彼此正相关并形成大的中心共生网络(图2b),该中心网络包含了有益肠道微生物,并且具有抑制机会致病菌(埃希氏菌和肠球菌)的作用(图2b)。这些结果揭示了后肠中的微生物菌群比前肠更加多样化和复杂的特点。

 

图2. 鸡前肠(a)和后肠(b)的核心微生物属共生网络分析

 

 

2

鸡肠道菌群成熟过程

研究结果显示,雏鸡(1日龄)的肠道微生物样品间差异很大,并且与其他日龄明显不同(图3),反映了雏鸡刚开始与环境微生物接触,并开始建立肠道微生物的群落的状态。微生物菌群的发展变化会受到诸多因素(如饮食、饲料添加剂、宿主品种等)的影响。对于AA和LY鸡,NMDS图显示样品能大致按照不同日龄聚类成组,且在第28天和42组表现出更高的相似性(图3)。在整个生长试验中,厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门和放线菌门始终是前肠和后肠中的细菌,并且都表现出明显的随时间变化规律。例如,相对丰度最高的细菌门-厚壁菌门,在前肠中从第1天到第28天逐渐增加,然后保持相对稳定;而在后肠中,厚壁菌门从第7天到第42天缓慢减少。在前肠和后肠中,微生物代谢能力均在第28天达到最大值,此后大致保持稳定;但前肠中不同日龄的差异程度要大于后肠中的日龄差异程度。综上所述,早期对于鸡的发育和肠道微生物群的建立都至关重要。

 

图3. 不同日龄鸡肠微生物组的差异。不同日龄前肠微生物群落(a)NMDS图;不同日龄后肠微生物群落(b)NMDS图。

 

 

3

金霉素和博落回散促生长机制研究

通过动物饲养试验,比较饲用抗菌素促生长剂金霉素(CTC)和天然促生长剂博落回散(商品名:美佑壮,MYZ)在黄鸡(LY)和白羽肉鸡(AA)中的作用。结果显示天然促生长MYZ的体增重增加和料肉比(FCR)降低的效果优于饲用抗菌素促生长CTC,表明博落回散(商品名:美佑壮,MYZ)在促生长的效果上是优于金霉素的,这对于养殖业具有重要的意义。白羽肉鸡回肠中细胞因子相对表达量检测,表明CTC和MYZ均能下调包括IL-4,IFN-γ和NF-κB在内的宿主细胞因子,表明两者均具有抑制宿主炎症和免疫应答的效果。

 

CTC和MCE对鸡肠道微生物的影响主要在前肠,而对后肠的影响较小。在前肠中,乳杆菌属是受MCE影响的主要属(图4a),并且乳杆菌属在前肠中的优势地位能被MCE进一步加强。已知乳杆菌属是一种有益的益生菌,可以产生维生素和有机酸等营养物质,还可以竞争性地抑制病原体,有利于宿主的健康。此外,通过“交叉喂养”(cross feeding)机制,乳杆菌属产生的乳酸还可以被厌氧细菌用于产生丁酸,构成是肠细胞的重要能量来源并发挥抗炎作用。

 

与MYZ不同的是,CTC能显著增加链霉菌科微生物(Streptomyces和Kitasatospora)的相对丰度,而这两类微生物包括多种合成抗菌素的细菌。进一步分析发现,在金霉素组中四环素、大环内酯类、II型聚酮类和克拉维酸(青霉素类抗菌素的增效剂)的合成通路都显著增强(图4b)。除此以外,抗菌素抗性基因(ARGs)也有所增加(图4c)。相比之下,博落回提取物组中均不会产生上述结果,进一步证明了天然植物来源的抗菌素替代产品博落回提取物的安全性。这些发现为解释亚治疗剂量抗菌素的促生长机制提供了新的视角。

 

图4. CTC和MYZ处理后前肠中微生物的变化(a)。金霉素组抗菌素生物合成途径的相对丰度增加(b)。金霉素组的抗菌素抗性基因(ARGs)相对丰度增加(c)。

 

 

4

金霉素和博落回散对鸡肠道微生物功能的影响

通过分析MCE和CTC对肠道微生物功能的影响,发现两者都对脂质代谢有重要的影响,均能富集次级胆汁酸生物合成途径。已知宿主分泌的胆汁酸具有改变肠道微生物组成的抗菌活性;而经过微生物修饰而产生的次级胆汁酸可以促进脂肪吸收,并参与调节宿主的能量代谢和免疫系统。此外,CTC还增强了脂肪酸和不饱和脂肪酸的生物合成途径,该结果表明脂质代谢调节是抗菌素生长促进剂的重要机制。而MCE则通过增强氨基酸和维生素的生物合成途径来促进鸡的营养吸收和生长(图5)。

 

图5.  CTC和MYZ对前肠微生物KEGG代谢途径的显著改变。

 

 

 

 

 

总结

综上所述,本研究发现两种促生长剂均对鸡的前肠微生物起着重要的调节作用。博落回散(商品名:美佑壮,MYZ)改善了鸡的生长性能并调节了前肠微生物菌群,其作用包括促进有益菌乳杆菌属的增加,以及增强氨基酸、维生素和次级胆汁酸的生物合成途径。乳杆菌属的增加,还能通过竞争性抑制病原菌的作用等,导致宿主炎症和免疫应答反应的减轻。而金霉素(CTC)则能促进肠道中的链霉菌科(Streptomyces和Kitasatospora)微生物,可能通过促进部分细菌的多种抗菌素合成作用来达到调节肠道菌群的效果。此外,CTC对次级胆汁酸和脂质代谢也有重要的调控作用(图6),因而影响宿主的营养吸收。

 

图6. CTC和MYZ调控肠微生物菌群促进动物生长的机制。

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