蔣廣志 戴茜茜 陳梅香 劉明剛 李 杰 阮 波 李 亮*
(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院,合肥230036;2.安徽禾豐牧業(yè)有限公司,亳州236000;3.重慶三峽職業(yè)學(xué)院,重慶404155;4.福建省莆田市城廂區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,莆田351100;5.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院,成都611130;6.福建洛東生物技術(shù)有限公司,莆田351162)
隨著養(yǎng)殖業(yè)的高速發(fā)展、抗生素添加劑的濫用,耐藥細(xì)菌在動物和人類之間傳播已成為潛在威脅[1]。為此,我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒布了飼料中禁止添加抗生素等相關(guān)規(guī)定。但腸道致病菌對養(yǎng)殖業(yè)的危害依舊十分嚴(yán)重,因此,尋找綠色“替抗”飼料添加劑已成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。益生菌具有平衡腸道微生物群、改善腸道健康、加強(qiáng)腸道免疫功能、促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)消化利用和提高動物生長性能等特點(diǎn),目前已經(jīng)成為“替抗”產(chǎn)品的重要研究對象。鐘曉霞等[2]發(fā)現(xiàn),飼喂復(fù)合益生菌(枯草芽孢桿菌、丁酸梭菌、釀酒酵母和淀粉芽孢桿菌)能提高斷奶仔豬的采食量,而王磊等[3]發(fā)現(xiàn),枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和釀酒酵母的組合能抑制胃腸道中有害菌的增殖,對胃腸道有正面影響。但現(xiàn)在有關(guān)益生菌對豬胃腸道菌群調(diào)控作用的研究報(bào)道還相對較少,其促進(jìn)豬只生長、改善胃腸道功能的機(jī)理還有待進(jìn)一步的研究。因此,本試驗(yàn)旨在研究添加復(fù)合益生菌對豬生長性能、腹瀉率和豬舍氨氣濃度的影響,并采用高通量測序和非靶向代謝組學(xué)技術(shù)對試驗(yàn)組和對照組的腸道菌群和代謝物差異進(jìn)行分析,以期為益生菌作用機(jī)理提供數(shù)據(jù)支撐。
試驗(yàn)所用復(fù)合益生菌主要成分是枯草芽孢桿菌(LDS0411)、凝結(jié)芽孢桿菌(LDC0429)和釀酒酵母,其組成見表1。
表1 復(fù)合益生菌組成
試驗(yàn)地點(diǎn)為安徽阜陽某大型企業(yè)的養(yǎng)殖場,其豬舍為封閉式,豬舍大小(長×寬×高)為90.0 m×10.0 m×2.5 m。試驗(yàn)動物為45日齡同一批次的健康仔豬。飼喂方式按照場內(nèi)飼養(yǎng)員日常操作進(jìn)行,對照組和試驗(yàn)組每日飼糧飼喂量相同,豬群自由飲水。其余日常清掃消毒、免疫等工序按照該公司規(guī)程進(jìn)行。
1.3.1 試驗(yàn)1:豬舍氨氣濃度和豬只腹瀉率的測定
從1 000頭豬中挑選體重[(15.5±0.5) kg]相近的豬40頭備用,將剩余的960頭豬根據(jù)體重和性別平均分在2組,分別在2個(gè)棟舍中飼養(yǎng),每組16個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)30頭。對照組豬群喂食基礎(chǔ)飼糧,試驗(yàn)組豬群喂食基礎(chǔ)飼糧+復(fù)合益生菌(每1 000 kg飼糧添加100 g復(fù)合益生菌),每日測定豬舍氨氣濃度。每棟豬舍再各隨機(jī)選取體重接近的3欄豬,每欄30頭,用于考察豬的腹瀉情況。試驗(yàn)期30 d。
1.3.2 試驗(yàn)2:豬只料重比、腸道菌群及代謝物的測定
將試驗(yàn)1中挑選出的40頭豬在另一個(gè)棟舍中隨機(jī)分為2組,每組4個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)5頭。對照組豬群喂食基礎(chǔ)飼糧,試驗(yàn)組豬群喂食基礎(chǔ)飼糧+復(fù)合益生菌(每1 000 kg飼糧添加100 g復(fù)合益生菌),對豬只料重比、腸道菌群及代謝物進(jìn)行研究。試驗(yàn)期30 d。
1.3.3 試驗(yàn)飼糧
基礎(chǔ)飼糧使用養(yǎng)殖公司的常規(guī)飼糧,其組成及營養(yǎng)水平見表2。
表2 基礎(chǔ)飼糧組成及營養(yǎng)水平(風(fēng)干基礎(chǔ))
每日于06:00用氨氣檢測儀(?,擜R8500)在豬舍的前、中、后3個(gè)位置對試驗(yàn)1中2個(gè)棟舍氨氣濃度進(jìn)行檢測,氨氣濃度取3次測量的平均值。氨氣檢測儀為電子式測量儀,分辨率為0.1 μL/L,基本誤差為2%。
每日07:00和15:00觀察各組豬群排便情況,記錄每日每組試驗(yàn)豬腹瀉(出現(xiàn)水樣糞便、糞便不成形或屁股紅腫的情況)頭數(shù)。
腹瀉率(%)=100×試驗(yàn)期腹瀉頭數(shù)/
(試驗(yàn)頭數(shù)×試驗(yàn)天數(shù))。
記錄試驗(yàn)2中豬群每日的耗料量,分別于飼喂第0、30天對各欄豬進(jìn)行空腹稱重,計(jì)算平均日增重(ADG)、平均日采食量(ADFI)和料重比(F/G)。
平均日增重(g)=(試驗(yàn)?zāi)┲?
試驗(yàn)初重)/試驗(yàn)天數(shù);
平均日采食量(g)=飼糧消耗總量/試驗(yàn)天數(shù);
料重比=平均日采食量/平均日增重。
飼喂30 d后,從試驗(yàn)2中每欄(重復(fù))各取1頭豬在屠宰場屠宰,截取各豬只十二指腸同一部位,無菌采集十二指腸內(nèi)容物。放入液氮罐中保存,用于后期分析。
將腸道樣品在干冰的條件下送至深圳華大基因醫(yī)學(xué)有限公司,樣品測定按照公司試驗(yàn)操作流程進(jìn)行,步驟如下:用試劑盒(QIAGEN,德國)提取十二指腸中的微生物基因組,用酶標(biāo)儀檢測DNA純度和濃度。使用引物515F(5’-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3’)和806R (5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。擴(kuò)增條件為98 ℃預(yù)變性1 min, 98 ℃變性10 s,50 ℃下退火30 s,72 ℃下延長30 s,30個(gè)循環(huán),最后72 ℃延伸5 min。使用Agencourt AMPure XP磁珠對PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行純化并溶于Elution Buffer,貼上標(biāo)簽,完成建庫。使用Agilent 2100 Bioanalyzer對文庫的片段范圍及濃度進(jìn)行檢測。檢測合格的文庫根據(jù)插入片段大小,選擇HiSeq2500平臺進(jìn)行測序。利用軟件USEARCH(v7.0.1090)下的UPARSE在97%相似度下進(jìn)行聚類,得到操作分類單元(OTU)代表序列。通過核糖體數(shù)據(jù)庫分類器RDP classifer(v2.2)將OTU代表序列與Greengene數(shù)據(jù)庫比對進(jìn)行物種注釋。
試驗(yàn)采用Waters 2D UPLC(Waters,美國)串聯(lián)Q Exactive高分辨質(zhì)譜儀(Thermo Fisher Scientific,美國)進(jìn)行液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS/MS)分析和檢測,使用Compound Discoverer 3.0(Thermo Fisher Scientific,美國)軟件進(jìn)行LC-MS/MS數(shù)據(jù)處理。使用PLS-DA模型前2個(gè)主成分的差異權(quán)重貢獻(xiàn)值(VIP),結(jié)合單變量分析獲得的差異變化倍數(shù)(fold-change,FC)和t檢驗(yàn)的結(jié)果來篩選差異代謝物并對代謝物進(jìn)一步分析。
采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA),并應(yīng)用Duncan氏法進(jìn)行多重比較。以P<0.05為差異顯著,P<0.01為差異極顯著。結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
豬舍氨氣濃度為每棟豬舍試驗(yàn)最后1周平均濃度進(jìn)行比較。如表3所示,與對照組相比,添加復(fù)合益生菌的豬舍氨氣濃度極顯著下降(P<0.01)。
表3 復(fù)合益生菌對豬舍氨氣濃度的影響
如表4所示,與對照組相,復(fù)合益生菌的添加有降低豬的腹瀉率的趨勢,但是差異不顯著(P>0.05)。
表4 復(fù)合益生菌對豬腹瀉率的影響
如表5所示,與對照組相比,添加復(fù)合益生菌顯著提高平均日增重(P<0.05),顯著降低料重比(P<0.05)。
表5 復(fù)合益生菌對豬生長性能的影響
2.4.1 α多樣性分析
測序共獲得有效序列數(shù)528 038個(gè),按照97%序列相似性聚類生成OTU 1 301個(gè),從圖1可以看出,屬于試驗(yàn)組獨(dú)有OTU有324個(gè),而對照組有184個(gè)。與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比進(jìn)行物種注釋,得到8個(gè)門,17個(gè)綱,24個(gè)目,42個(gè)科,59個(gè)屬,51個(gè)種。
圖1 Venn圖
對組間進(jìn)行α多樣性分析,如表6所示,2組覆蓋度都大于0.997,說明測序結(jié)果可以反映樣品的真實(shí)情況。添加益生菌后Shannon指數(shù)顯著提高(P<0.05),Shannon指數(shù)越高,腸道微生物多樣性越大;Simpson指數(shù)有所降低,Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)無顯著變化(P>0.05)。
表6 復(fù)合益生菌對豬腸道菌群α多樣性的影響
2.4.2 β多樣性分析
不同組間的樣品進(jìn)行β多樣性分析,研究試驗(yàn)組和對照組間的差異性。對2組數(shù)據(jù)進(jìn)行主坐標(biāo)分析(PCoA),結(jié)果如圖2所示,可以看出各組點(diǎn)相互聚集且試驗(yàn)組和對照組點(diǎn)之間有明顯的界線,試驗(yàn)組的胃腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,說明復(fù)合微生物具有促進(jìn)腸道微生物菌群改變的作用。
圖2 主坐標(biāo)分析圖
2.5.1 復(fù)合益生菌對胃腸道門水平菌群的影響
如表7所示,取相對豐度大于1%的菌落進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn),與對照組相比,擬桿菌門的相對豐度顯著上升(P<0.05),厚壁菌門/擬桿菌門的比值顯著下降(P<0.05)。
表7 門水平優(yōu)勢菌群豐度分布
2.5.2 復(fù)合益生菌對胃腸道屬水平菌群的影響
如表8所示,取相對豐度大于1%的菌落進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn),與對照組相比,在添加復(fù)合益生菌后鏈球菌屬和埃希氏桿菌屬相對豐度下降,但差異不顯著(P>0.05)。
表8 屬水平優(yōu)勢菌群豐度分布
2.5.3 復(fù)合益生菌對胃腸道菌群菌落組成差異分析
采用LEfSe方法對試驗(yàn)組和對照組進(jìn)行差異性分析,可以有助于發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的生物標(biāo)記物(比如關(guān)鍵功能類群/物種)。如圖3所示,LDA大于2時(shí),得到41種不同的微生物類群,與對照組相比,在門水平上,試驗(yàn)組厚壁菌門、擬桿菌門等菌門相對豐度升高;在目水平上,試驗(yàn)組擬桿菌目、放線菌目相對豐度升高;在科水平上,試驗(yàn)組瘤胃菌科、芽孢桿菌科、顫桿菌科相對豐度上升;在屬水平上,試驗(yàn)組普氏菌屬、月形單胞菌屬、布勞特氏菌屬相對豐度上升。
圖3 豬腸道菌群不同組菌落差異分析
2.6.1 胃腸道代謝組概述
從圖4主成分分析可以看出,試驗(yàn)組和對照組的代謝物在正、負(fù)離子模式下相互分開并且互相聚集,說明添加復(fù)合益生菌改變了十二指腸中的代謝物。采用多元統(tǒng)計(jì)分析(PCA和PLS-DA)和差異變化倍數(shù)和t檢驗(yàn)相結(jié)合的方式篩選組間差異代謝物,在2個(gè)組的十二指腸中鑒定出353種差異代謝物(257種正離子代謝物和96種負(fù)離子代謝物)。
圖4 代謝組主成分分析(左:正離子模式;右:負(fù)離子模式)
2.6.2 代謝組學(xué)KEGG通路富集
富集因子為注釋到該通路的差異代謝物數(shù)目除以注釋到該通路的所有鑒定到代謝物,該值越大,說明注釋到該通路差異代謝物比例越大。圓點(diǎn)大小代表注釋到該通路的差異代謝物的數(shù)目。通路富集到了組氨酸代謝、瞬時(shí)受體電位(TRP)通道響應(yīng)、腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)通路、磷脂信號通路。
圖5 代謝通路富集分析氣泡圖(左:正離子模式;右:負(fù)離子模式)
越來越多的研究表明,復(fù)合益生菌制劑作為飼料添加劑在畜牧養(yǎng)殖行業(yè)可調(diào)節(jié)動物機(jī)體腸道菌群,進(jìn)而在實(shí)際生產(chǎn)中提高機(jī)體生長性能及改善各種胃腸道疾病的過程中扮演重要角色[4]。前期報(bào)道顯示,飼喂復(fù)合乳酸菌和枯草芽孢桿菌后豬群的生長性能相關(guān)指標(biāo)改善的同時(shí),育肥豬群結(jié)腸中瘤胃球菌屬的相對豐度升高[5]。劉熙文[6]研究發(fā)現(xiàn),枯草芽孢桿菌、糞腸球菌和丁酸梭菌一起飼喂后,隨使用時(shí)間的增加,育肥豬生長性能提高的效果越明顯。本試驗(yàn)中所選用復(fù)合益生菌由枯草芽孢桿菌、凝結(jié)芽孢桿菌和釀酒酵母等組成。其中,枯草芽孢桿菌和凝結(jié)芽孢桿菌具有提高豬群的平均日增重、降低料重比[7-8]和優(yōu)化腸道菌群等功效。酵母菌可改善乳酸菌的生物學(xué)活性,在促進(jìn)動物生長、提高免疫應(yīng)答和抵抗疾病等過程中發(fā)揮重要作用。研究結(jié)果顯示,添加該復(fù)合益生菌后可降低豬只的料重比,這與前人添加芽孢桿菌后改善豬群生長性能的結(jié)果相似,但由于菌株品種、添加劑量、試驗(yàn)動物和試驗(yàn)環(huán)境等因素存在差異,改善的生長性能程度也不盡相同。我們進(jìn)一步對比后發(fā)現(xiàn),本試驗(yàn)所提升的效果更為顯著,推測可能與枯草芽孢桿菌和其余2種菌種的互作有關(guān)。
氨進(jìn)入體內(nèi)后,由肺泡入血,并會與血紅蛋白結(jié)合,造成體內(nèi)血氨、腸氨濃度過高,引起貧血和組織缺氧。而氨的解毒需要消耗大量能力,會增加機(jī)體的負(fù)擔(dān),攝入的能量也相對減少,進(jìn)而影響料重比。通常規(guī)?;i場養(yǎng)殖密度大,環(huán)境封閉氨氣濃度高,易對豬群健康造成傷害。張靜[9]發(fā)現(xiàn),不同濃度氨氣刺激可導(dǎo)致斷奶仔豬肺組織基因表達(dá)差異,從而破壞肺組織的正常結(jié)構(gòu),對斷奶仔豬的免疫功能產(chǎn)生影響。Wu等[10]研究結(jié)果顯示,氨氣濃度過高會引起動物局部或全身性的炎癥。此外,周瑩[11]揭示氨暴露會使呼吸道和胃腸道屏障遭到破壞,進(jìn)而影響豬群生長發(fā)育。本研究結(jié)果顯示,添加復(fù)合益生菌顯著降低了豬舍氨氣濃度,說明復(fù)合益生菌可以改善豬場環(huán)境,提升動物福利和養(yǎng)殖效益。我們推測氨氣濃度變化與復(fù)合益生菌調(diào)節(jié)豬群腸道菌群存在關(guān)聯(lián),為此后續(xù)我們進(jìn)一步開展了豬胃腸道菌群及其代謝物的相關(guān)研究。
眾所周知,腸道菌群微平衡對機(jī)體健康十分必要。然而,目前限抗的大背景下,利用益生菌改善菌群微平衡為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。報(bào)道顯示,凝結(jié)芽孢桿菌對豬霍亂沙門氏菌的抑制相較于抗菌藥物金霉素和土霉素效果更優(yōu),對大腸桿菌K88、大腸桿菌K99有顯著抑制作用[12]。高娟娟等[13]闡明了枯草芽孢桿菌分泌的抑菌蛋白可以抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌生長的作用機(jī)制。本試驗(yàn)中,大腸桿菌屬和鏈球菌屬相對豐度的減少,可能就與凝結(jié)芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌抑菌特性有關(guān)。
本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在豬群飼糧中添加復(fù)合益生菌后,導(dǎo)致腸道中厚壁菌門/擬桿菌門的比值下降和帕拉普氏菌屬的相對豐度的升高。厚壁菌門/擬桿菌門的比值常被作為病理生理標(biāo)志物,其比值可影響碳水化合物代謝和短鏈脂肪酸產(chǎn)生[14],比值還與脂肪的堆積和病理引起的肥胖呈正相關(guān)關(guān)系[15-17],說明添加復(fù)合益生菌有益于豬群提高身體機(jī)能,降低病理性的脂肪堆積。而帕拉普氏菌屬的相對豐度與豬的生長性能息息相關(guān),Tan等[18]發(fā)現(xiàn),帕拉普氏菌屬相對豐度和料重比呈正相關(guān)。本試驗(yàn)中,帕拉普氏菌屬的相對豐度升高,而料重比降低,與Tan等[18]的研究結(jié)果一致。這說明添加復(fù)合益生菌有助于提高飼料的利用率。
此外,物種差異判別分析LEfSe的結(jié)果表明,瘤胃球菌科的相對豐度顯著上升。瘤胃球菌表面的蛋白熱激蛋白A和熱激蛋白在體內(nèi)可以激活免疫球蛋白[19],利用糖結(jié)合蛋白降解黏液蛋白[20],分泌瘤胃球菌素抑制有害菌屬的核酸合成,從而維護(hù)腸道黏膜的安全,促進(jìn)腸道健康。我們觀察到,添加復(fù)合益生菌后,豬群的腹瀉率下降,推測可能與瘤胃球菌科的相對豐度顯著上升有關(guān),但該推論還需進(jìn)一步探討驗(yàn)證。
組氨酸是半必需氨基酸,而它主要由腸道內(nèi)微生物代謝生成,所以復(fù)合益生菌可能通過影響菌群的變化,從而影響組氨酸的生成進(jìn)而對組氨酸的代謝通路產(chǎn)生作用。Elenkov等[21]發(fā)現(xiàn)在組氨酸代謝的過程中可產(chǎn)生組胺,并抑制體內(nèi)腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的產(chǎn)生,同時(shí)可以防止細(xì)菌的移位。Sun等[22]揭示了組氨酸具有治療炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和代謝紊亂的作用[23]。在本研究中,我們進(jìn)一步探索了添加復(fù)合益生菌后對菌群差異變化所導(dǎo)致的代謝產(chǎn)物影響。KEGG分析結(jié)果表明,差異代謝物主要富集在組氨酸代謝、TRP通道響應(yīng)、AMPK通路和磷脂信號通路上。因此,復(fù)合益生菌的添加是否通過對組氨酸代謝通路的影響而改善了豬群亞健康狀態(tài)還需進(jìn)一步研究。有研究顯示,TRP通道與胃腸道消化改善[24]和胃黏膜病變[25]有關(guān),而試驗(yàn)中差異代謝產(chǎn)物富集在TRP的炎癥因子調(diào)節(jié)上,所以益生菌可能引起了胃腸道的炎癥變化。Zhao等[26]研究發(fā)現(xiàn),乳酸桿菌影響脂肪酸代謝通過AMPK通路抑制了氧化應(yīng)激,而氧化應(yīng)激與胃腸道炎癥的促進(jìn)有關(guān)。因此,我們推測復(fù)合益生菌可能通過影響上述通路的代謝物的改變,進(jìn)而減少了氧化應(yīng)激并降低了炎癥反應(yīng),最終改善了豬群腹瀉率等情況,提高了豬群的健康水平。
試驗(yàn)中我們通過微生物組學(xué)和代謝組學(xué)研究了3種益生菌的復(fù)合對腸道菌群和代謝產(chǎn)物的影響,遺憾的是我們并不知道這些是由于它們共同發(fā)揮功能產(chǎn)生的影響,還是單一菌群發(fā)揮功能產(chǎn)生的影響。但是Chang等[27]的研究結(jié)果顯示,添加枯草芽孢桿菌會使瘤胃液中瘤胃球菌科和帕拉普氏菌屬的相對豐度升高,而厚壁菌門/擬桿菌門的比值下降,與本試驗(yàn)的結(jié)果相似,結(jié)合試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù),我們初步推測枯草芽孢桿菌在對胃腸道菌群的影響所占比重比較大。在腸道代謝物的相關(guān)研究中,有研究發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌的發(fā)酵產(chǎn)物會影響AMPK的產(chǎn)生[28]。而酵母菌可能對TRP通道的響應(yīng)有著重要的影響,Kokke等[29]在1963年報(bào)道了酵母的卵磷脂分解代謝中有磷脂酶A的活性,在磷脂酶A可以使花生四烯酸從磷脂膜上釋放出來,花生四烯酸與多巴胺的結(jié)合產(chǎn)生花生四烯酰多巴胺,花生四烯酰多巴胺可以通過TRP通道在炎癥中發(fā)揮作用[30]。但是這些結(jié)果是單一菌種的作用,還是菌種之間的聯(lián)合作用,我們還需要在后續(xù)進(jìn)行不同的分組試驗(yàn)來進(jìn)一步深入探究。
豬飼糧中添加復(fù)合益生菌可提高胃腸道菌群多樣性,顯著提高擬桿菌門相對豐度,提高豬的生長性能,改善豬舍氨氣濃度,降低豬的腹瀉率。