徐保陽 秦文峽 晏向華

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北洪山實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

在人工授精技術(shù)普及的規(guī)模化生豬養(yǎng)殖過程中，卵泡發(fā)育質(zhì)量及排卵率是決定母豬繁殖性能的主要因素之一。以高繁殖性能而著名的梅山母豬，其單個(gè)發(fā)情周期內(nèi)最多可比商品雜交母豬多排11.3個(gè)成熟卵子[1]，這表明商品母豬的排卵率仍有較大的提高潛力。母豬卵泡發(fā)育同時(shí)受營養(yǎng)物質(zhì)和生殖激素的調(diào)控[2-3]。腸道微生物不僅與飼糧營養(yǎng)物質(zhì)之間存在緊密互作，而且參與調(diào)控生殖激素的分泌與代謝[4-11]。因此，基于腸道微生物探究母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量的營養(yǎng)調(diào)控具有重要意義。

1 母豬卵泡發(fā)育

1.1 母豬卵泡發(fā)育生理過程

母豬的高繁殖性能與其較短的產(chǎn)仔間隔、高排卵率、高產(chǎn)仔數(shù)和卵泡發(fā)育生理機(jī)制有關(guān)[2-3]。母豬卵泡發(fā)育分為2個(gè)階段：60日齡前的對(duì)促性腺激素不敏感階段和60日齡后的受下丘腦-垂體-性腺軸調(diào)控階段[12]。母豬卵泡發(fā)育始于胎兒期，此時(shí)卵原細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂，隨后進(jìn)入減數(shù)第一次分裂的前期，并被扁平的前顆粒細(xì)胞包圍，即原始卵泡。在此過程中，卵泡的生長(zhǎng)和發(fā)育主要受旁分泌產(chǎn)生的生長(zhǎng)因子調(diào)控，如生長(zhǎng)分化因子9(growth differentiation factor 9,GDF9)和骨形成蛋白15(bone morphogenetic protein 15,BMP15)等[2]。60日齡后，促性腺激素開始影響母豬卵巢卵泡發(fā)育，同時(shí)卵巢對(duì)垂體促性腺激素的負(fù)反饋調(diào)節(jié)在60～100日齡之間逐步建立[12]。初情期后，母豬卵泡發(fā)育主要以卵泡波的方式出現(xiàn)(圖1)。然而，由卵泡中顆粒細(xì)胞凋亡導(dǎo)致的卵泡閉鎖造成99%以上發(fā)育中的卵泡在排卵前退化[13]。

1.2 顆粒細(xì)胞與卵母細(xì)胞在卵泡發(fā)育中的作用

哺乳動(dòng)物卵巢顆粒細(xì)胞和卵母細(xì)胞主導(dǎo)卵泡發(fā)育，是決定卵泡發(fā)育質(zhì)量和命運(yùn)的關(guān)鍵因素[14]。顆粒細(xì)胞在卵泡發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用，它們負(fù)責(zé)合成分泌卵泡生長(zhǎng)和卵母細(xì)胞成熟所需的生長(zhǎng)因子和類固醇[15]。卵母細(xì)胞則通過分泌卵母細(xì)胞分泌因子調(diào)控顆粒細(xì)胞增殖[3]。顆粒細(xì)胞和卵母細(xì)胞之間的物質(zhì)交換通過縫隙連接進(jìn)行，并允許相鄰細(xì)胞共享1 kDa以內(nèi)的小分子[3]。卵母細(xì)胞和顆粒細(xì)胞通過緊密互作影響卵泡的發(fā)育與成熟，它們之間一般存在以下2種作用機(jī)制：1)縫隙連接能夠完成卵母細(xì)胞和卵丘顆粒細(xì)胞之間的小分子(離子、氨基酸和代謝產(chǎn)物等)的交換和轉(zhuǎn)運(yùn)；2)一種細(xì)胞類型產(chǎn)生的細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子能夠結(jié)合另一種細(xì)胞類型上存在的特定受體并且激活信號(hào)通路[3](圖2)。因此，營養(yǎng)調(diào)控母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量需同時(shí)關(guān)注卵母細(xì)胞和顆粒細(xì)胞。

TGF-β：轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β transforming growth factor-β；BMP15：骨形成蛋白15 bone morphogenetic protein 15；GDF9：生長(zhǎng)分化因子9 growth differentiation factor 9；GnRH：促性腺激素釋放激素 gonadotropin-releasing hormone；FSH：促卵泡激素 follicle-stimulating hormone；LH：促黃體激素 luteinizing hormone。圖1 母豬卵泡發(fā)育生理過程Fig.1 Physiological process of follicular development of sows

cAMP：環(huán)磷酸腺苷 cyclic adenosine monophosphate；cGMP：環(huán)磷酸鳥苷 cyclic guanosine monophosphate；GDF9：生長(zhǎng)分化因子9 growth differentiation factor 9；BMP15：骨形成蛋白15 bone morphogenetic protein 15。圖2 母豬卵巢卵泡中顆粒細(xì)胞與卵母細(xì)胞之間互作示意圖Fig.2 Schematic diagram of interaction between granulosa cells and oocytes in ovarian follicles of sows

2 飼糧營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量的進(jìn)展

2.1 采食量及能量攝入水平對(duì)母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量的影響

采食量及能量攝入水平通過調(diào)控生殖激素的分泌影響母豬卵泡發(fā)育，特別是后備母豬。后備母豬哺乳期限制采食量不僅顯著降低了血漿胰島素樣生長(zhǎng)因子1(insulin-like growth factor 1，IGF1)濃度和卵泡大小，而且降低了卵母細(xì)胞質(zhì)量和卵泡液中IGF1和類固醇類激素(雌二醇和孕激素)濃度[16]。類似地，后備母豬哺乳期限制采食量(70%自由采食量)顯著降低了血漿中促卵泡激素(follicle-stimulating hormone，F(xiàn)SH)、促黃體激素(luteinizing hormone，LH)濃度以及卵泡的數(shù)量、質(zhì)量和大小[17]。排卵率較高的母豬在初情前和發(fā)情周期中均有較高的血漿FSH濃度[18]，而后備母豬血漿中高濃度的IGF1與更大的卵泡和更短的斷奶至發(fā)情間隔相關(guān)[19]。后備母豬在黃體期(第2次排卵后第1天至第13天)限制采食量顯著降低了卵泡大小和血漿雌激素濃度，同時(shí)減少了排卵率和胚胎數(shù)[20]。以上研究結(jié)果表明，采食量與能量攝入水平可通過下丘腦-垂體軸調(diào)控FSH和LH濃度，并通過IGF1直接影響卵泡發(fā)育與成熟。

2.2 飼糧蛋白質(zhì)和氨基酸對(duì)母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量的影響

現(xiàn)代母豬的高繁殖性能促使其營養(yǎng)物質(zhì)需要量顯著增加，特別是優(yōu)質(zhì)飼糧蛋白質(zhì)和氨基酸[21]。哺乳期飼糧蛋白質(zhì)水平從16.0%降至14.3%，同時(shí)保證氨基酸平衡，可在泌乳高峰期提高飼料氮利用率，但對(duì)母豬的繁殖性能無顯著影響[22]。飼糧中的蛋白質(zhì)經(jīng)消化后以氨基酸或肽的形式吸收代謝，必需氨基酸和功能性氨基酸影響母豬繁殖性能和卵泡發(fā)育質(zhì)量[23-26]。賴氨酸作為豬玉米-豆粕型飼糧中的第一限制性氨基酸，初產(chǎn)哺乳母豬的低賴氨酸攝入量(0.4%)不僅損害了卵泡發(fā)育質(zhì)量，也降低了排卵率[25]。然而，與中等賴氨酸攝入量(1.0%)相比，高賴氨酸攝入量(1.6%)對(duì)卵泡發(fā)育質(zhì)量沒有進(jìn)一步的積極影響[25]。母豬妊娠期飼喂低蛋白質(zhì)水平(7.5%)飼糧降低了仔豬出生時(shí)卵巢重量，促進(jìn)了仔豬卵巢組織凋亡通路相關(guān)基因的表達(dá)[27]。

2.3 飼糧纖維對(duì)母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量的影響

飼糧添加纖維(300 g/d)可減少后備母豬卵泡閉鎖，促進(jìn)卵泡成熟[4]。在后備母豬配種前(初情期前3周至第1個(gè)發(fā)情周期的第19天)飼喂高纖維(麩皮或羽扇豆纖維)飼糧可以促進(jìn)后備母豬的卵泡發(fā)育，對(duì)血漿中LH濃度無顯著影響，但這種效果依賴于纖維來源[28]。低纖維水平的商品配方飼料使梅山母豬產(chǎn)仔數(shù)顯著降低，而提高飼糧纖維水平在增加產(chǎn)仔數(shù)的同時(shí)升高了糞便中短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)濃度[8]。在不同商品豬場(chǎng)調(diào)研表明，母豬糞便中SCFAs濃度與產(chǎn)仔數(shù)存在顯著正相關(guān)性[29]。飼糧纖維可能通過其代謝產(chǎn)物SCFAs促進(jìn)結(jié)腸血清素-褪黑素合成，進(jìn)而改善高能量水平飼糧誘導(dǎo)的母豬卵泡閉鎖，促進(jìn)母豬卵泡發(fā)育與成熟[4]。

2.4 飼糧脂肪酸對(duì)母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量的影響

脂肪酸不僅是細(xì)胞主要的產(chǎn)能底物，而且作為類固醇激素和信號(hào)分子的前體調(diào)控哺乳卵泡發(fā)育[30]。未成熟的豬卵母細(xì)胞含有約156 ng的脂質(zhì)，遠(yuǎn)高于牛和羊的卵母細(xì)胞，后者通常分別為58和4 ng[31]。豬卵母細(xì)胞在體外成熟過程中可使用內(nèi)源性甘油三酯作為能量來源[32]。低繁殖性能母豬卵泡液中的氨基酸、脂肪酸、嘌呤和嘧啶的代謝發(fā)生顯著改變，其中月桂酸濃度可能與卵泡發(fā)育質(zhì)量和卵細(xì)胞質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)[33]。在經(jīng)產(chǎn)母豬的哺乳期飼糧中添加亞麻油酸或α-亞麻油酸不僅可顯著縮短母豬產(chǎn)后返情間隔，而且具有提高隨后胎次的產(chǎn)仔數(shù)的趨勢(shì)[34]。多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid，PUFA)是動(dòng)物的必需營養(yǎng)物質(zhì)[35]，在產(chǎn)前和哺乳期的飼糧中添加0.3%魚油(ω-3 PUFA)可以增加下一胎次的產(chǎn)仔數(shù)，且這種效果與能量攝入水平無關(guān)[36]。相反，另有一些研究報(bào)道了添加ω-3 PUFA對(duì)母豬繁殖性能的不利影響或無影響[37-38]。ω-3 PUFA來源的多樣性可能與這種不確定的發(fā)現(xiàn)有關(guān)，如植物油、海產(chǎn)品油和魚油[38-39]?？紤]到膽固醇是母豬卵泡顆粒細(xì)胞合成類固醇類生殖激素的前體，PUFA可能通過影響膽固醇代謝調(diào)控卵巢相關(guān)激素的合成與分泌[40]。然而，目前缺少飼糧添加ω-3 PUFA對(duì)母豬卵泡發(fā)育影響的相關(guān)研究。

2.5 飼糧營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量的可能途徑

飼糧營養(yǎng)物質(zhì)主要通過影響中間代謝產(chǎn)物和激素的分泌對(duì)哺乳動(dòng)物卵泡發(fā)育過程進(jìn)行調(diào)控[41-43]。機(jī)體循環(huán)系統(tǒng)中的IGF1和瘦素分別通過與下丘腦和垂體中的相應(yīng)受體結(jié)合而間接影響卵泡發(fā)育[44-45]。在分解代謝狀態(tài)下，較低的IGF1和瘦素濃度可以減少FSH和LH的釋放[46-47]。IGF1可以與FSH協(xié)同刺激顆粒細(xì)胞增殖和類固醇生成[48]。體外試驗(yàn)中，瘦素可調(diào)節(jié)顆粒細(xì)胞分泌雌二醇[49]，但瘦素在體內(nèi)對(duì)卵泡發(fā)育作用仍待闡明。在能量負(fù)平衡期間，增強(qiáng)的脂肪代謝導(dǎo)致代謝中間產(chǎn)物非酯化脂肪酸濃度升高，而升高的非酯化脂肪酸可以體外抑制顆粒細(xì)胞增殖并誘發(fā)凋亡[50]。與低質(zhì)量卵泡相比，高質(zhì)量卵泡的卵泡液中葡萄糖濃度較低，但乳酸和支鏈氨基酸濃度較高[51]。與此類似，卵泡液中飽和脂肪酸/不飽和脂肪酸的比例與卵母細(xì)胞質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)[52]。因此，營養(yǎng)物質(zhì)中間代謝產(chǎn)物或激素是營養(yǎng)調(diào)控母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量的途徑。

3 腸道微生物對(duì)母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量的調(diào)控作用

3.1 腸道微生物對(duì)母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量的影響

近年來，飼喂低纖維素水平的飼糧導(dǎo)致以高產(chǎn)仔數(shù)著名的梅山母豬產(chǎn)仔數(shù)顯著下降[8]。然而，在一個(gè)繁殖周期內(nèi)將飼糧中纖維水平由2.5%增加到7.5%，梅山母豬的產(chǎn)仔數(shù)顯著提高，這種提高與腸道微生物的改變顯著相關(guān)[8]。同一品種的高產(chǎn)仔數(shù)母豬與低產(chǎn)仔數(shù)母豬的腸道微生物也有明顯的差異，而且糞便中SCFAs濃度與產(chǎn)仔數(shù)呈顯著正相關(guān)[29,53]。值得注意的是，高產(chǎn)梅山母豬的糞便微生物移植可促進(jìn)受體長(zhǎng)×大母豬的卵泡發(fā)育與成熟，減少卵泡閉鎖[53-54]。因此，腸道微生物可能通過其代謝產(chǎn)物影響母豬卵泡發(fā)育與成熟。

3.2 腸道微生物對(duì)母豬卵泡發(fā)育相關(guān)生殖激素的影響

腸道微生物作為宿主的第2基因組，具有內(nèi)分泌器官的功能，參與調(diào)控生殖激素的分泌和代謝，特別是類固醇類生殖激素孕激素和雌二醇[10-11]。腸道微生物通過合成并分泌水解酶β-葡萄糖醛酸酶和β-葡萄糖苷酶調(diào)控雌激素的代謝[55]。我國地方高產(chǎn)梅山母豬的血漿雌二醇濃度顯著高于雜交白種豬[56]，而梅山母豬的腸道微生物移植可升高雜交白種豬的血漿雌二醇濃度[53-54]。因此，腸道微生物可能通過影響卵泡發(fā)育相關(guān)生殖激素調(diào)控母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量。

3.3 腸道微生物在飼糧營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量中的作用

腸道微生物參與宿主對(duì)攝取的營養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收與代謝[4,10,57]。后備母豬飼糧中纖維素的腸道微生物代謝產(chǎn)物SCFAs可能通過增加卵泡液中5-羥色胺和褪黑素濃度緩解高能量飼糧誘導(dǎo)的卵泡閉鎖[4]。SCFAs不僅可作為信號(hào)分子以劑量依賴方式激活G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptors，GPR)43、GPR41和GPCR109A等[58]，而且可通過表觀遺傳修飾調(diào)控基因表達(dá)[59-60]。豬顆粒細(xì)胞體外培養(yǎng)試驗(yàn)表明，0.05 mmol/L丁酸促進(jìn)孕激素分泌；5和10 mmol/L的丁酸抑制孕激素分泌，卻以劑量依賴方式促進(jìn)雌二醇分泌[61]。丁酸只有在達(dá)到10 mmol/L時(shí)才能促進(jìn)豬卵巢顆粒細(xì)胞GPR43和GPR41基因的表達(dá)[61]?；谌撕托∈蟮南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，目前普遍認(rèn)為豬卵泡內(nèi)生理濃度的SCFAs無法達(dá)到激活GPR的閾值[4,62]。然而，考慮到種屬差異性和SCFAs作用的累加效應(yīng)，生理狀態(tài)下母豬卵泡液中SCFAs濃度是否可激活GPR及對(duì)卵母細(xì)胞和顆粒細(xì)胞的生理效應(yīng)都亟待解答[61-62]。

考慮到腸道微生物可通過代謝產(chǎn)物SCFAs誘導(dǎo)IGF1的分泌[63]，飼糧添加纖維對(duì)母豬繁殖性能的改善作用可能與IGF1相關(guān)。早期研究發(fā)現(xiàn)，IGF1可在體外促進(jìn)母豬卵巢顆粒細(xì)胞增殖和分化，同時(shí)促進(jìn)卵泡發(fā)育和卵母細(xì)胞成熟[64-65]。高繁殖性能梅山母豬的腸道微生物移植可促進(jìn)受體長(zhǎng)×大母豬的卵泡發(fā)育，增加糞便中SCFAs濃度，升高血漿雌二醇和IGF1濃度，同時(shí)降低血漿孕激素濃度[53-54]。SCFAs也可通過GPR41促進(jìn)脂肪細(xì)胞分泌瘦素[66-67]。瘦素主要由白色脂肪組織合成分泌，不僅調(diào)節(jié)能量平衡，而且影響雌性動(dòng)物繁殖功能[68]。瘦素能夠直接促進(jìn)卵巢顆粒細(xì)胞中的芳香化酶活性[69]，梅山豬的血漿中較高的瘦素濃度或許可以解釋其顆粒細(xì)胞中的芳香化酶活性顯著高于雜交白豬[70]。在母豬飼糧中增加纖維水平可緩解高脂肪水平飼糧誘發(fā)的卵泡閉鎖，這種效果至少部分通過腸道微生物-SCFAs-5-羥色胺-褪黑激素軸實(shí)現(xiàn)[4]。綜上所述，母豬腸-卵巢軸的可能調(diào)控途徑如圖3所示。

4 小結(jié)與展望

卵泡發(fā)育質(zhì)量是決定母豬繁殖性能的關(guān)鍵因素之一。飼糧中主要營養(yǎng)物質(zhì)包括能量、蛋白質(zhì)、纖維和脂肪酸，均可直接或間接影響母豬繁殖性能。母豬腸道微生物直接參與飼糧營養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收和代謝，其組成和功能與母豬的繁殖性能顯著相關(guān)，可能介導(dǎo)飼糧營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)母豬繁殖性能的調(diào)控作用。然而，現(xiàn)有研究主要探究飼糧營養(yǎng)物質(zhì)及腸道微生物與母豬產(chǎn)仔數(shù)等繁殖性能指標(biāo)的相關(guān)性，缺少因果關(guān)系及其中分子機(jī)制的相關(guān)研究。在建立飼糧營養(yǎng)物質(zhì)與母豬繁殖性能相關(guān)性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解析營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控卵泡發(fā)育質(zhì)量等具體繁殖相關(guān)生理過程的分子機(jī)制，對(duì)于開發(fā)相應(yīng)的精準(zhǔn)營養(yǎng)調(diào)控策略具有重要意義。此外，腸道微生物與飼糧營養(yǎng)物質(zhì)存在密切互作關(guān)系，通過添加功能性營養(yǎng)物質(zhì)定向調(diào)控腸道微生物組成和代謝模式，有望提高母豬卵泡發(fā)育質(zhì)量。

SCFAs：短鏈脂肪酸 short-chain fatty acids；GPR43：G蛋白偶聯(lián)受體43 G protein-coupled receptors 43；GPR41：G蛋白偶聯(lián)受體41 G protein-coupled receptors 41；FSH：促卵泡激素 follicle-stimulating hormone；LH：促黃體激素 luteinizing hormone；GnRH：促性腺激素釋放激素 gonadotropin-releasing hormone；Kisspeptin：吻素；AVPV：前腦室周圍核 anteroventral periventricular nucleus；ARC：下丘腦弓狀核 arcuate nucleus。圖3 腸道微生物調(diào)控母豬卵泡發(fā)育潛在途徑Fig.3 Potential pathways of gut microbiota regulating follicle development of sows