楊小軍 尹振晨 任周正 楊 欣

(西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院，楊凌 712100)

家禽免疫系統(tǒng)的功能受年齡、飼糧營養(yǎng)物質(zhì)、飼料和能量攝入量以及遺傳和環(huán)境等因素的影響。作為提高生產(chǎn)水平的策略之一，營養(yǎng)免疫調(diào)節(jié)被表述為營養(yǎng)物質(zhì)的靶向補(bǔ)充，并調(diào)控特定發(fā)育階段的免疫功能。評估最適免疫反應(yīng)的關(guān)鍵：一是衡量感染狀態(tài)下機(jī)體對病原體的反應(yīng)[1]；二是基于不同日齡階段評估機(jī)體免疫機(jī)能的差別[2]?；谝陨详P(guān)鍵因素，結(jié)合不同生理階段和狀態(tài)下的營養(yǎng)目標(biāo)與免疫特性，本文按種禽、關(guān)鍵時期(胚期和商品代飼養(yǎng)期)和疾病狀態(tài)3個主要層面進(jìn)行了闡述。針對不同層面，選擇何種營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行適度的免疫表型修飾是目前系統(tǒng)探索的熱點(diǎn)。此外，免疫調(diào)節(jié)不僅受到營養(yǎng)物質(zhì)介導(dǎo)表觀遺傳修飾的直接作用，而且受到采食關(guān)聯(lián)性腸道菌群的間接影響。因此，本文對各層面的營養(yǎng)物質(zhì)需求和免疫調(diào)節(jié)效應(yīng)進(jìn)行梳理，同時分析表觀遺傳修飾和腸道微生物在免疫營養(yǎng)中發(fā)揮的作用，旨在為行業(yè)提供參考。

1 免疫營養(yǎng)的關(guān)鍵層面

基于級聯(lián)放大效應(yīng)，優(yōu)化種禽營養(yǎng)狀態(tài)具有廣泛調(diào)控子代表型的潛力[3]。如子代通過胎盤、種蛋沉積等途徑獲得母源營養(yǎng)物質(zhì)，在這一窗口期干預(yù)母體營養(yǎng)，可有效調(diào)控子代表型。禽類出殼后免疫系統(tǒng)尚未發(fā)育成熟，種禽營養(yǎng)調(diào)控可針對性地提高子代出雛早期的免疫力[4]。

由于孵化后期卵黃囊能量供給不足及幼雛出殼后開食延遲，孵化后期和出雛早期的營養(yǎng)狀態(tài)對于生長發(fā)育愈發(fā)重要。近年來，胚蛋給養(yǎng)技術(shù)逐步實現(xiàn)了在孵化關(guān)鍵階段(主要集中在后期)，針對性改善出雛后的表型[5]。而出雛后的商品代是以生產(chǎn)性能為導(dǎo)向的品種改良，集約化養(yǎng)殖雖使得生長速度大幅提高，但免疫器官發(fā)育相對不足[2]。針對生產(chǎn)前期的免疫功能低下，營養(yǎng)性或功能性飼料添加劑的使用是十分必要的。

病毒和細(xì)菌性疾病對當(dāng)今家禽業(yè)仍然構(gòu)成威脅，此外環(huán)境(衛(wèi)生條件差、壓力和生態(tài)失調(diào))等因素使家禽處于高代謝需求狀態(tài)，易引發(fā)疾病。因此必須采取預(yù)防和控制措施，而營養(yǎng)是有效改善手段之一。利用營養(yǎng)手段提高禽類免疫力來抵抗病原體感染等疾病有很大的發(fā)揮空間[6]。以上層面是家禽免疫營養(yǎng)的研究側(cè)重點(diǎn)，精準(zhǔn)營養(yǎng)在區(qū)分生產(chǎn)目標(biāo)的同時，靶向免疫調(diào)控也應(yīng)是具體化和個性化的調(diào)控方案。

2 免疫營養(yǎng)的主要調(diào)控策略

2.1 免疫調(diào)節(jié)目標(biāo)

“營養(yǎng)程序化”理論指出，發(fā)育關(guān)鍵時期的營養(yǎng)狀況將對機(jī)體的組織器官功能產(chǎn)生長期影響。近40年來，家禽胚蛋給養(yǎng)不僅使其對機(jī)體的影響貫穿發(fā)育始末，同時增加了胚期影響力[7]。孵化后期和出雛早期是免疫器官發(fā)育的關(guān)鍵期；而商品代飼養(yǎng)期的營養(yǎng)調(diào)控強(qiáng)調(diào)提高生產(chǎn)性能，減少免疫耗能，因此胚蛋給養(yǎng)可為其提供基礎(chǔ)支持，2個環(huán)節(jié)的核心是針對免疫系統(tǒng)早期發(fā)育的調(diào)控。

對于種禽營養(yǎng)，間接的“營養(yǎng)程序化”重視的是傳代效應(yīng)。如飼糧添加20 mg/kg的大豆苷元或30%的有機(jī)微量礦物質(zhì)促進(jìn)種母雞抗體轉(zhuǎn)移和子代肉仔雞體液免疫應(yīng)答[4,8]。而目前父源傳代營養(yǎng)調(diào)控更多集中于提高父系繁殖性能及子代生產(chǎn)性能上[9]。傳代效應(yīng)的發(fā)揮可能更多是在營養(yǎng)表觀遺傳學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的[10]，通過營養(yǎng)傳代表觀遺傳調(diào)控基因表達(dá)并在代際間傳遞并放大。

在疾病狀態(tài)下配制調(diào)節(jié)免疫力的飼糧時，必須明晰免疫系統(tǒng)影響疾病狀態(tài)下機(jī)體營養(yǎng)重分配的機(jī)制。如在代謝性疾病中，高度激活的免疫系統(tǒng)啟動了機(jī)體防護(hù)，改變了營養(yǎng)代謝反應(yīng)，使免疫耗能增加，生產(chǎn)潛力降低[11]。為確保該狀態(tài)的營養(yǎng)需求，免疫細(xì)胞可提升賴氨酸、精氨酸和葡萄糖等營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)水平以及脂肪氧化相關(guān)的酶活性[12-13]。免疫代謝作為先天性和適應(yīng)性免疫調(diào)節(jié)的主要機(jī)制，通過改變?nèi)泶x狀態(tài)影響免疫細(xì)胞代謝，導(dǎo)致免疫反應(yīng)的改變[6,11]。圖1簡要概述了在感染期間營養(yǎng)免疫和免疫代謝之間的互作效應(yīng)，這共同決定了疾病的結(jié)果或個體的健康[1,6,11,14]。

2.2 營養(yǎng)供給方案

目前，在胚蛋給養(yǎng)模式下進(jìn)行初探，營養(yǎng)供給方案主要包括：1)糖類，包括黃芪多糖和棉子糖等，如在胚期第12天通過氣室注射4.5 mg的棉子糖(0.2 mL)能改善肉雞回腸黏膜形態(tài)，提高T細(xì)胞和B細(xì)胞表達(dá)水平[15]；2)氨基酸，包括蘇氨酸、精氨酸和絲氨酸等，如在胚期第14天通過卵黃囊注射20或30 mg蘇氨酸(0.5 mL)可增強(qiáng)雛雞對綿羊紅細(xì)胞的體液免疫應(yīng)答[16]；3)維生素，包括維生素C、維生素E和葉酸等，如在胚期第11天的卵黃囊內(nèi)注射3 mg維生素C(0.1 mL)可提高肉雛雞21日齡脾臟白細(xì)胞介素-4(interleukin-4，IL-4)的表達(dá)，降低白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)的表達(dá)[5]；4)礦物元素，包括硒、碘和鐵等，如胚期第18天在羊膜腔注射10或20 μg的硒(0.1 mL)能夠提高肉雞針對產(chǎn)氣莢膜梭菌和壞死性腸炎的血清抗體水平[17]。但胚蛋注射的位點(diǎn)、時間點(diǎn)以及功能性營養(yǎng)物質(zhì)種類和劑量的選擇尚未形成系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化方案。

圖1 感染期間營養(yǎng)免疫和免疫代謝之間的互作效應(yīng)Fig.1 Interaction between nutritional immunity and immune metabolism during infection[1,6,11,14]

針對商品代肉禽，營養(yǎng)供給主要關(guān)注：1)多糖類，包括中藥復(fù)方多糖、香菇多糖及酵母細(xì)胞壁多糖等；2)油脂類，如飼糧添加50或300 mg/kg包膜肉桂油可促進(jìn)肉雞非炎癥狀態(tài)下的體液和黏膜免疫機(jī)能[18]；3)氨基酸，如蘇氨酸、L-茶氨酸和L-精氨酸等；4)礦物質(zhì)，如硒缺乏抑制了肉雞免疫應(yīng)答的多效機(jī)制[19]。不夠，雖然選擇較多，但部分營養(yǎng)物質(zhì)沒有證明其在疾病狀態(tài)下的適度免疫激活效應(yīng)[20]。因此下面進(jìn)一步梳理疾病狀態(tài)下的免疫營養(yǎng)(表1)[21-36]。

此外，營養(yǎng)物質(zhì)的添加需要整體解決方案，包括性質(zhì)、類型、組合方式和劑量等；同時，必須充分考慮各環(huán)節(jié)的免疫調(diào)控側(cè)重點(diǎn)，包括免疫系統(tǒng)發(fā)育、免疫細(xì)胞底物、調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞活性、減少免疫病理、調(diào)節(jié)激素活性、影響腸道生理和在感染期間限制病原體對營養(yǎng)的利用等[37]。

表1 家禽疾病狀態(tài)下免疫營養(yǎng)研究示例Table 1 Examples of immunonutrition studies in poultry under disease states

3 表觀遺傳調(diào)控免疫營養(yǎng)

表觀遺傳是在DNA堿基序列不變的條件下引起基因表達(dá)發(fā)生可逆和可遺傳的改變,主要的修飾形式為DNA甲基化、微小RNA(microRNA，miRNA)修飾和組蛋白修飾。表觀遺傳信息的重編程發(fā)生于2個階段：1)從原始生殖細(xì)胞到配子細(xì)胞產(chǎn)生；2)從卵子受精到胚胎發(fā)育[38](圖2)。二者分別為家禽父母傳代和胚期表觀遺傳的理論基礎(chǔ)。2個階段表現(xiàn)出環(huán)境的可塑性，為營養(yǎng)物質(zhì)介導(dǎo)表觀遺傳調(diào)控奠定基礎(chǔ)[10]。圖2列舉了通過不同表觀遺傳機(jī)制影響免疫系統(tǒng)的主要營養(yǎng)物質(zhì)[10,39-40]。

3.1 種禽

母源營養(yǎng)可以通過表觀遺傳調(diào)控后代基因表達(dá)，比如種母雞高鋅飼糧(300 mg/kg)可能通過改變子代鋅指蛋白A20(zinc finger protein A20，A20)的DNA甲基化和組蛋白乙?；揎?，抑制核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和IL-1β的轉(zhuǎn)錄，通過A20-NF-κB通路增強(qiáng)后代的免疫力[41]。種公雞飼糧添加1%黃芪多糖，一是顯著影響睪丸免疫進(jìn)程相關(guān)miRNA的表達(dá)[42]，二是調(diào)控細(xì)胞因子信號傳導(dǎo)抑制蛋白-1(suppressor of cytokine signaling-1，SOCS-1)啟動子甲基化以及髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88，MyD88)和β干擾素TIR結(jié)構(gòu)域銜接蛋白(TIR-domain containing adaptor inducing interferon-β，TRIF)的組蛋白修飾，誘導(dǎo)子代肉雞空腸黏膜的內(nèi)毒素耐受樣免疫反應(yīng)[3]。

3.2 胚期

肉雞胚胎心臟、肝臟和肌肉組織的甲基化水平會隨胚齡增加而上升，分為3個時期：2～4胚齡、5～13胚齡和14～19胚齡。基于DNA甲基化在不同胚齡的差異性，在胚期第11天在卵黃囊內(nèi)注射0.1 mL的葉酸(100～150 μg)可調(diào)控肉雞出殼后脾臟IL-4的組蛋白3上的第4位賴氨酸的甲基化(methylation of lysine 4 on histone 3，H3K4)以及白細(xì)胞介素-6(interleukin-6，IL-6)的組蛋白3上的第9位賴氨酸的甲基化(methylation of lysine 9 on histone 3，H3K9)水平，提高IL-4基因表達(dá)[43]。在胚期第11天通過卵黃囊注射3 mg維生素C(0.1 mL)提高肉雞脾臟IL-4和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3A(DNA methyltransferase 3A，DNMT3A)的表達(dá)，并降低干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)的表達(dá)[5]。

圖2 表觀遺傳重編程及通過表觀遺傳機(jī)制影響免疫系統(tǒng)的主要營養(yǎng)物質(zhì)Fig.2 Epigenetic reprogramming and major nutrients affecting immune system through epigenetic mechanisms[10,39-40]

3.3 疾病狀態(tài)下

疾病狀態(tài)下目前需要主要關(guān)注：1)常量營養(yǎng)素，如懷孕大鼠采食蛋白質(zhì)限制性飲食會持續(xù)改變后代肝臟中特定胞嘧啶的甲基化[44]。2)微量營養(yǎng)素，如葉酸、B族維生素等均參與DNA甲基化調(diào)控，硒和鎂則是甲基化相關(guān)酶的輔助因子。3)生物活性物質(zhì)，如姜黃素衍生的合成類似物通過miRNA控制炎癥反應(yīng)，并抑制血管內(nèi)皮生長因子和IL-6的產(chǎn)生[45]；大豆多酚和染料木黃酮可提高DNA甲基化和降低組蛋白H3上的乙?；?，使IL-6啟動子處發(fā)生基因沉默[46]。目前，家禽營養(yǎng)表觀遺傳學(xué)機(jī)制并不明確，但快速發(fā)展的分子遺傳、細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)以及功能基因組學(xué)為進(jìn)一步解析奠定了基礎(chǔ)。

4 腸道微生物與免疫營養(yǎng)的互作

作為黏膜免疫系統(tǒng)的基本器官，腸道實現(xiàn)了營養(yǎng)吸收和病原體防御的結(jié)合，共生微生物發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。免疫系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)共生微生物的生態(tài)位，而營養(yǎng)物質(zhì)介導(dǎo)微生物所發(fā)生的變化通過改變免疫細(xì)胞的信號傳導(dǎo)途徑和免疫細(xì)胞的發(fā)育以及受體的識別/感知，對宿主免疫產(chǎn)生直接或間接的影響[47]。圖3展示了胃腸道中營養(yǎng)物質(zhì)、免疫系統(tǒng)和共生微生物間的雙向互作[47-52]。本節(jié)將簡要闡述益生菌及其代謝產(chǎn)物在家禽免疫營養(yǎng)中的作用。

圖3 營養(yǎng)物質(zhì)、免疫系統(tǒng)和共生微生物之間的互作Fig.3 Interactions between nutrients, immune system or symbiotic microbiota[47-52]

研究發(fā)現(xiàn)，在胚期第18日齡通過羊膜聯(lián)合注射乳桿菌、屎腸球菌和雙歧桿菌，可降低出殼肉雛雞回腸和盲腸扁桃體中IL-4、INF-γ和Toll樣受體2(Toll-like receptor 2，TLR2)等基因的表達(dá)[53]。枯草芽孢桿菌(1.6×109CFU/g)、桿菌肽鋅(20 mg/kg)和硫酸黏菌素(4 mg/kg)的混合添加可促進(jìn)蛋雞空腸分泌型免疫球蛋白A(secreted immunoglobulin A，sIgA)的分泌[54]。此外，芽孢桿菌的群體信號分子γ-聚谷氨酸促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cells，Tregs)的選擇性分化并抑制輔助性T細(xì)胞17(T helper 17，Th17)的分化[55]。種母雞飼糧中添加β-胡蘿卜素、姜黃素、大蒜素和丁酸鈉，可減輕抗生素介導(dǎo)的微生物紊亂所引起的空腸炎癥[56]。嗜酸乳桿菌、羅伊氏乳桿菌和唾液乳桿菌單獨(dú)或聯(lián)合使用可以增強(qiáng)雞巨噬細(xì)胞對禽流感病毒的抗病毒活性[57]。

如圖3所示，微生物的營養(yǎng)代謝產(chǎn)物主要包括短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)、次級膽汁酸和多胺等。SCFAs促進(jìn)Tregs分化，激活G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors，GPCRs)，并能調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞的免疫效應(yīng)[52]。飼糧添加400 mg/kg的包被丁酸鈉可增加肉仔雞胸腺與法氏囊指數(shù)，提高血液中免疫球蛋白M(immunoglobulin M,IgM)和免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)含量[58]；此外，丁酸還可通過抑制脂多糖誘導(dǎo)的吞噬作用以促進(jìn)免疫穩(wěn)態(tài)的恢復(fù)[59]。其他代謝物共同激活核受體如芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor，AhR)，通過表達(dá)于免疫細(xì)胞以感知代謝產(chǎn)物的存在。相關(guān)研究表明，脫氧膽酸和石膽酸通過其核受體法尼醇X受體(farnesoid X receptor，F(xiàn)XR)和孕烷X受體(pregnane X receptor，PXR)調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，在PXR敲除小鼠中葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎更為嚴(yán)重[60]。

過往研究中，免疫營養(yǎng)調(diào)控所面臨的明顯問題是忽略了腸道微生物組的作用，因此諸如營養(yǎng)物質(zhì)直接影響免疫反應(yīng)的作用機(jī)制很可能需要重新評估[61]。此外，闡明營養(yǎng)-共生菌-免疫三者如何在分子水平發(fā)生，以及如何將營養(yǎng)介導(dǎo)的微生物的改變轉(zhuǎn)化為適度的免疫調(diào)節(jié)效應(yīng)，將是未來研究的關(guān)鍵。

5 小 結(jié)

家禽免疫營養(yǎng)追求實現(xiàn)營養(yǎng)供求與免疫穩(wěn)態(tài)間的平衡，并通過精準(zhǔn)營養(yǎng)調(diào)控，改善腸道微生態(tài)健康，促進(jìn)適時免疫。但仍需要重視以下問題：1)每種營養(yǎng)物質(zhì)在維持免疫穩(wěn)態(tài)中都發(fā)揮作用，攝入不足和過量會造成負(fù)面影響，且嘗試以劑量依賴的添加方式不僅成本昂貴，有時還會導(dǎo)致疾病易感性增加；2)不同生理階段和狀態(tài)下的免疫機(jī)能存在差別，只有實現(xiàn)適度的免疫激活效應(yīng)，才可以利用“營養(yǎng)一體化”理論來指導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)。此外，還要綜合考量表觀遺傳調(diào)控和腸道微生物對其的影響，尤其是營養(yǎng)-共生菌-免疫間的互作機(jī)制還需要進(jìn)一步明晰。在未來的研究中，免疫營養(yǎng)還需要在非營養(yǎng)成分、營養(yǎng)工程、基因組學(xué)、免疫學(xué)及遺傳學(xué)等方面共同進(jìn)行探索。