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        菊粉通過腸道菌群調(diào)控動(dòng)物脂代謝及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

        2021-06-19 02:34:00黎力之廖曉鵬關(guān)瑋琨張海波郭冬生
        中國(guó)畜牧雜志 2021年6期
        關(guān)鍵詞:菊粉菌群機(jī)體

        黃 葦,黎力之,廖曉鵬,關(guān)瑋琨,黃 曉,張海波*,郭冬生*

        (1.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院,江西省高等學(xué)校硒農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,宜春市功能農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西宜春 336000;2.宜春學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院,江西宜春 336000;3.青島市畜牧獸醫(yī)研究所,山東青島 266000)

        菊粉作為一種天然果聚糖類碳水化合物,存在于自然界內(nèi)百合科、莧菜科、菊科及禾本科等大多數(shù)雙子葉和單子葉植物塊莖、塊根中,主要由果糖基通過β-(2-1)糖苷鍵連接組合成線性果糖聚合物,不能被消化酶直接水解[1-2]。菊粉具有改善腸道環(huán)境[3]、增強(qiáng)免疫力[4]和調(diào)節(jié)脂肪代謝[5]等功能。菊粉在回腸和盲腸經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸(Short Chain Fatty Acids,SCFA)、膽汁酸(Bile Acid,BA)和脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)等代謝產(chǎn)物,而這些代謝產(chǎn)物作為信號(hào)分子分別作用于G 蛋白偶聯(lián)受體(G Protein Coupled Receptors,GPCRs)、法尼醇受體(Farnesoid X Receptor,F(xiàn)XR)等信號(hào)通路調(diào)控動(dòng)物脂肪代謝[6-8]。鑒于菊粉對(duì)腸道菌群及代謝產(chǎn)物生成有重要調(diào)節(jié)作用,其在調(diào)控動(dòng)物脂代謝方面已成為極具應(yīng)用潛力的綠色添加劑?,F(xiàn)階段菊粉通過腸道菌群及其代謝產(chǎn)物調(diào)控脂肪代謝相關(guān)信號(hào)通路的系統(tǒng)綜述還較少。本文重點(diǎn)綜述了菊粉通過腸道微生物調(diào)控動(dòng)物脂代謝的作用機(jī)制及其在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用,為深入研究菊粉參與脂肪代謝通路的機(jī)制和畜牧生產(chǎn)提供參考。

        1 菊粉通過腸道菌群對(duì)動(dòng)物脂肪代謝的影響

        菊粉參與宿主脂肪代謝的調(diào)控包括直接調(diào)控和間接影響。直接調(diào)控為菊粉通過影響腸道中微生物菌群參與宿主脂肪沉積,間接影響為菊粉通過影響腸道微生物菌群代謝物(如SCFAs、BA 和LPS 等)影響動(dòng)物脂肪沉積。

        1.1 菊粉通過腸道菌群對(duì)脂肪代謝的影響 菊粉因β-(2-1)糖苷鍵結(jié)構(gòu)的特殊性,不易被動(dòng)物消化酶直接分解,可被腸內(nèi)微生物發(fā)酵利用[2]。動(dòng)物攝入菊粉后,腸道內(nèi)有益菌豐度增加,如雙歧桿菌和嗜黏蛋白阿克曼氏菌[9]。Wu 等[3]利用菊粉飼喂仔豬后,發(fā)現(xiàn)盲腸厚壁菌門和擬桿菌門比例降低。其中嗜黏蛋白阿克曼氏菌數(shù)量增加可預(yù)防脂肪性肝炎、降低血清甘油三酯,減少脂肪沉積[10]。盲腸羅斯氏菌、雙歧桿菌、乳酸菌等腸道益生菌能緩解胰島素抵抗和降低血脂,改善機(jī)體脂肪代謝[11]。表明菊粉作為添加劑可有效改善腸道微生物結(jié)構(gòu),增加益生菌豐度,調(diào)節(jié)動(dòng)物脂代謝。

        1.2 菊粉通過菌群代謝產(chǎn)物對(duì)動(dòng)物脂肪代謝的影響 菊粉攝入后被乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬及糞桿菌屬等吸收利用,SCFAs 分泌增加[12]。Igarashi 等[13]研究發(fā)現(xiàn),高脂日糧添加菊粉飼喂小鼠12 周后,小鼠糞便中乙酸、丙酸和丁酸水平提高。SCFAs 作為信號(hào)分子,可激活GPCRs 通路中GPR43 和GPR41 特定細(xì)胞表面受體從而達(dá)到調(diào)節(jié)脂肪代謝的作用[6]。其中乙酸通過調(diào)節(jié)GPR43 控制脂肪代謝,抑制腎上腺素分泌,誘導(dǎo)脂肪分解[14]。當(dāng)機(jī)體內(nèi)乙酸達(dá)到一定濃度時(shí),瘦素基因表達(dá)量上升[15]。瘦素主要存在于白色脂肪中,與能量代謝密切相關(guān),瘦素分泌不足時(shí)機(jī)體會(huì)出現(xiàn)多種不良癥狀,如皮下脂肪堆積、免疫缺陷、食欲過盛等[16]。Song 等[17]研究發(fā)現(xiàn),菊粉通過腸道菌群介導(dǎo)的瘦素腺苷酸活化蛋白激酶(Adenylate Activated Protein Kinase,AMPK)信號(hào)通路對(duì)肥胖小鼠的代謝紊亂有治療作用。此外,Hiroko 等[18]研究發(fā)現(xiàn),GPR43 能影響胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),增加胰島素分泌,促進(jìn)糖脂代謝,降低血糖水平。丁酸激活GPR41 受體,誘導(dǎo)分泌腸道運(yùn)動(dòng)抑制激素-酪酪肽(Peptide YY,PYY)[19]。PYY 誘導(dǎo)絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen Activated Protein Kinase,MAPK)磷酸化激活MAPK 信號(hào)通路,促進(jìn)腸道上皮細(xì)胞生長(zhǎng),調(diào)控機(jī)體能量代謝[20]。丙酸除經(jīng)GPCRs 通路調(diào)節(jié)糖脂代謝外,還誘導(dǎo)腦-腸軸信號(hào)傳遞,激活交感神經(jīng)系統(tǒng),調(diào)控去甲腎上腺素、胰高血糖素和脂肪酸結(jié)合蛋白的分泌,參與三羧酸循環(huán)調(diào)節(jié)肝臟糖異生,進(jìn)而影響糖脂代謝[21]。綜上所述,菊粉介導(dǎo)下SCFAs 可調(diào)控脂肪代謝(圖1),但SCFAs 如何從外周神經(jīng)系統(tǒng)傳遞信號(hào)對(duì)脂肪代謝產(chǎn)生影響還有待研究。

        圖1 菊粉介導(dǎo)SCFAs 對(duì)脂肪代謝的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)

        Wang 等[22]利用菊粉飼喂育肥豬發(fā)現(xiàn),膽汁酸水平上升,肝臟甘油三酯含量降低,減少脂肪沉積。BA作為信號(hào)分子激活腸道、肝臟以及脂肪組織內(nèi)受體,調(diào)節(jié)膽固醇、甘油三酯等脂肪代謝[7]。BA 通過FXR/G 蛋白偶聯(lián)的膽汁酸受體(Takeda G-protein-coupled Receptor 5,TGR5)等通路對(duì)糖脂代謝進(jìn)行調(diào)控。一方面激活FXR,誘導(dǎo)肝臟清道夫受體B 類1 型表達(dá)并降低循環(huán)總膽固醇和高密度脂蛋白膽固醇的濃度,增加逆向膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn),還能支配肝臟糖異生,使低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白攝取增加[23]。Xia 等[24]研究發(fā)現(xiàn),日糧添加菊粉增加肉雞低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白水平,進(jìn)而減緩脂肪沉積。Huang 等[25]添加菊粉飼喂高脂飲食倉(cāng)鼠8 周后,血清甘油三酯和總膽固醇水平降低,有效改善脂肪代謝。另一方面BA 通過上調(diào)載脂肪蛋白CII、載脂蛋白e和磷脂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá),提高血清膽固醇和甘油三酯含量[23]。菊粉降低肝臟和血清總膽固醇合成關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子SET結(jié)合因子2和脂代謝酶基因表達(dá),加快代謝物中BA 和中性甾醇的清除[26]。此外,BA 刺激骨骼肌和棕色脂肪組織中TGR5 信號(hào)通路,將II 型碘腺苷脫碘酶局部激活,活化甲狀腺素調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)能量代謝,而在肝巨噬細(xì)胞中,激活TGR5 會(huì)抑制LPS 所誘導(dǎo)的細(xì)胞因子產(chǎn)生[27]。菊粉促進(jìn)腸道菌群代謝BA,進(jìn)而激活FXR、TGR5 等信號(hào)通路,參與肝臟糖異生等能量代謝,但其是否影響腸道菌群其他分泌物,再控制機(jī)體本身膽汁合成分泌的機(jī)制還有待深入研究。

        在JAK-STAT 途徑中,LPS 激活非受體型酪氨酸蛋白激酶2 型(Janus Kinase 2,JAK 2)受體,使信號(hào)傳導(dǎo)與活化轉(zhuǎn)錄因子3(Signal Transducer and Activator of Transcription 3,STAT 3)發(fā)生磷酸化,誘導(dǎo)前脂肪細(xì)胞中胞漿型磷脂酶A2(Cytosolic Phospholipase A2,cPLA 2)基因表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)前脂肪細(xì)胞增殖和脂肪合成[8]。研究發(fā)現(xiàn),菊粉飼喂Ⅱ型糖尿病動(dòng)物模型,試驗(yàn)鼠血漿中LPS 含量顯著減少,炎性細(xì)胞因子IL-1和腫瘤壞死因子-α(Tumor Necrosis Factorα,TNF-α)表達(dá)降低,可有效抑制腸道炎癥發(fā)生[28]。另外,在AMPK 通路中,LPS 激活A(yù)MPK,增加cPLA 2基因表達(dá),使相對(duì)獨(dú)立的前脂肪細(xì)胞和脂肪細(xì)胞產(chǎn)生通路及活性增加,導(dǎo)致脂肪細(xì)胞堆積[29]。王娟等[30]研究發(fā)現(xiàn),菊粉通過上調(diào)AMPK表達(dá)量,降低大鼠體內(nèi)血脂、血糖和胰島素含量,證明菊粉可通過調(diào)控AMPK表達(dá)控制機(jī)體脂肪代謝。Grisouard 等[31]研究發(fā)現(xiàn),LPS啟動(dòng)核因子κB 抑制劑激活酶β蛋白(IκB kinase beta protein,IKKβ)/核轉(zhuǎn)錄因子(Nuclear Factor-kappa B,NF-κB)通路后,激活I(lǐng)κBα 激酶并使其磷酸化,上調(diào)炎細(xì)胞因子IL-6和IL-8的mRNA 表達(dá),引發(fā)炎癥反應(yīng)。菊粉還可以提高血清中胰高血糖素樣肽-1 水平,減少IL-6 分泌,抑制肝臟糖異生,降低胰島素耐受性,促進(jìn)機(jī)體對(duì)葡萄糖攝取和利用[32]。綜上所述,菊粉通過LPS 分別介導(dǎo)JAK-STAT、AMPK 和IKKβ/NF-κB 等信號(hào)通路對(duì)脂肪代謝進(jìn)行調(diào)控,但是菊粉抑制內(nèi)毒素分泌的機(jī)制相關(guān)文獻(xiàn)較少,菊粉介導(dǎo)的機(jī)體內(nèi)LPS 水平仍需要進(jìn)一步的研究論證。

        2 菊粉在動(dòng)物生產(chǎn)中的應(yīng)用

        菊粉被腸道菌群分解產(chǎn)生SCFAs、BA、乳酸等分泌物,可增強(qiáng)機(jī)體免疫力,調(diào)控脂代謝,提高動(dòng)物生產(chǎn)性能。在家畜方面,Wang 等[33]研究發(fā)現(xiàn),育肥豬日糧中添加0.5%菊粉能降低豬血清中膽固醇和血糖含量,促進(jìn)脂代謝,增大腰部眼肌面積,提高育肥期豬平均日增重和屠宰率。Robak 等[34]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在日糧中添加2%菊粉能引起育肥豬體內(nèi)腎皮質(zhì)、髓質(zhì)中20 和26 個(gè)蛋白點(diǎn)的表達(dá)變化,而添加4%菊粉導(dǎo)致腎皮質(zhì)和髓質(zhì)中44 和24 個(gè)蛋白點(diǎn)表達(dá)的變化,2 種菊粉添加量都能有效調(diào)控與能量代謝相關(guān)蛋白質(zhì)表達(dá),如菊粉通過調(diào)控葡萄糖磷酸化酶和糖酵解酶活性影響腎臟糖異生進(jìn)而降低血糖濃度,對(duì)育肥豬腎臟健康有積極作用。對(duì)于斷奶仔豬,日糧添加菊粉可增加腸道內(nèi)乳酸菌數(shù)量,提高密封蛋白、緊密連接蛋白和黏蛋白等腸內(nèi)屏障功能相關(guān)基因表達(dá)量,加強(qiáng)腸道屏障作用[12]。Barszcz 等[9]在日糧中添加菊粉飼喂仔豬50 d 后,試驗(yàn)組豬體內(nèi)盲腸上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞數(shù)量增加,機(jī)體免疫功能增強(qiáng)。在反芻動(dòng)物方面,采用添加菊粉的日糧飼喂肉牛42 d,瘤胃SCFAs濃度增加,可促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收改善能量代謝,肉牛采食量、飼料利用率和日增重等生長(zhǎng)性能指標(biāo)均有顯著提高[35]。犢牛飼喂添加菊粉日糧56 d 后,試驗(yàn)組犢牛平均日增重高于對(duì)照組約0.7 kg,證明菊粉對(duì)牛生長(zhǎng)性能有正向作用[36]。在家禽方面,菊粉多用于提高肉雞、蛋雞的生產(chǎn)性能,增加產(chǎn)蛋率及延長(zhǎng)雞蛋保質(zhì)期。研究發(fā)現(xiàn),相較于對(duì)照組,日糧中添加4%菊粉可改善肉雞腸道菌群結(jié)構(gòu),增加乳酸菌和擬桿菌豐度,血清中甘油三酯含量降低31.3%,免疫球蛋白M 水平顯著增加,肉雞脂代謝和免疫系統(tǒng)功能得到改善,顯著提高日增重[24]。Shang 等[37]研究發(fā)現(xiàn),添加15 g/kg 菊粉后蛋雞平均蛋重和產(chǎn)蛋率分別較對(duì)照組提高2.54%、3.09%。在蛋雞日糧中添加15~20 g/kg 菊粉后,蛋黃對(duì)1,1-二苯基-2-三硝基苯肼和2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽自由基的清除活性提高,且蛋黃總酚含量和鐵還原力增加,延長(zhǎng)雞蛋保質(zhì)期[38]。Stefaniak 等[39]在孵化期間給雞蛋注射菊粉和乳酸菌的混合物,發(fā)現(xiàn)可提高孵化后雛雞血清中IgG,加強(qiáng)雛雞抗原免疫防御。目前,菊粉在畜禽動(dòng)物上的研究主要集中于增強(qiáng)機(jī)體免疫機(jī)能、調(diào)控脂代謝、改善動(dòng)物生產(chǎn)性能等方面,但菊粉能否提高畜禽肉、乳產(chǎn)品質(zhì)量等還有待深入研究。

        3 結(jié) 語

        菊粉通過改善腸道菌群環(huán)境及其代謝物調(diào)控機(jī)體脂肪代謝能力。在菌群方面,菊粉通過增大厚壁菌門、擬桿菌門比例,加快機(jī)體消化作用。在菌群代謝物方面,菊粉通過影響代謝物含量參與脂肪代謝相關(guān)通路:①提高SCFAs 水平,激活GPCRs 途徑調(diào)控瘦素、胰島素和腎上腺素等激素分泌以及肝臟糖異生,減少脂肪沉積;②促進(jìn)次級(jí)BA 的合成,介導(dǎo)FXR/TGR5 通路降低機(jī)體總膽固醇和甘油三酯含量;③減少LSP 分泌,進(jìn)而抑制JAK-STAT、AMPK 和IκBκ/NF-B 通路表達(dá),降低炎性因子與脂肪細(xì)胞合成。目前,菊粉在維護(hù)腸道健康、減少脂肪沉積方面的研究逐漸增多,其在調(diào)控畜禽生長(zhǎng)性能方面的潛力越來越明顯,但菊粉是否能夠改善棕色脂肪代謝、不同聚合度菊粉對(duì)脂肪代謝的調(diào)控機(jī)制研究尚淺。

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