王夢美,呂成杰,楊頂瓏*,趙建民
(1.寧波大學海洋學院,浙江 寧波 315211;2.中國科學院煙臺海岸帶研究所,山東 煙臺 264003)
仿刺參(Apostichopus japonicus)隸屬于棘皮動物門(Echinodermata)海參綱(Holothuroidea),具有食用和藥用雙重價值[1],是我國北方重要的海水養(yǎng)殖經濟物種[2]。近年來,腐皮綜合征等疾病暴發(fā)嚴重阻礙了仿刺參養(yǎng)殖業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。一般而言,抗生素和化學藥物是防控病害的重要手段,但過度使用抗菌藥物往往導致病原菌的進化、藥物殘留以及環(huán)境污染問題,大大增加了人類的健康風險[3]。作為病害防控的重要手段,益生菌因其具有無毒、無抗藥性、無殘留等特點,可作為一種環(huán)境友好的飼料添加劑,廣泛應用于仿刺參的養(yǎng)殖業(yè)中。
根據FAO/WHO 組織的定義,益生菌是一種在合適劑量對宿主健康有益的活性微生物。其中,植物乳桿菌(Lactobacillus plantarum)是一種桿狀、革蘭氏陽性、不形成芽孢的兼性厭氧益生菌,能產生一些活性物質,從而改善水產動物的生長性能[4]。例如,其代謝產生的有機酸、細菌素、過氧化氫等物質可抑制病原菌的生長[5],并通過競爭性抑制作用阻礙病原體在腸上皮上的黏附[6]。目前,已有關于植物乳桿菌在魚類和甲殼類水產動物中的益生作用研究。在細鱗鮭 (Brachymystax lenok) 中,植物乳桿菌能顯著增加細鱗鮭的特定生長率,有效促進其生長[7];夏雨等[6]通過瓊脂擴散法、熒光染色法與分光光度法篩選,發(fā)現3 株植物乳桿菌均對凡納濱對蝦 (Litopenaeus vannamei) 的致病菌有抑制作用,并通過有效黏附于對蝦腸黏液抑制病原菌的生長和定殖。此外,植物乳桿菌還能增強水產動物的非特異性免疫反應,并積極調節(jié)腸道微生態(tài)平衡。例如,Van Nguyen等[8]將熱滅活的植物乳桿菌菌株 L-137 添加于尼羅羅非魚 (Oreochromis niloticus) 飼料中投喂尼羅羅非魚,發(fā)現魚體內頭腎細胞的吞噬活性和血清中溶菌酶活性顯著提高;Zheng 等[9]研究發(fā)現,植物乳桿菌無細胞提取物和發(fā)酵上清液能積極調節(jié)凡納濱對蝦的腸道微生物菌群,具有較好的益生潛力。上述研究顯示,植物乳桿菌具有促進生長、提高免疫和調節(jié)腸道微生態(tài)的作用,在水產養(yǎng)殖中具有較大的應用潛力。然而,植物乳桿菌對仿刺參的益生作用和機制鮮有報道。
本實驗室前期從仿刺參腸道中分離獲得一株植物乳桿菌,命名為LP HMX-3。通過體外實驗證明其具有一定的抑菌活性和耐鹽性,可在30 的鹽度下生長。在本實驗中,通過在飼料中添加不同濃度(105和107CFU/g)的LP HMX-3,研究其對仿刺參生長性能、消化酶活性、免疫能力和腸道菌群的影響,以明確植物乳桿菌在仿刺參體內的益生效果及較優(yōu)添加量,并為植物乳桿菌在刺參養(yǎng)殖中的應用提供基礎數據。
實驗所用仿刺參幼參購自煙臺市牟平區(qū)某養(yǎng)殖場,實驗開始前,將仿刺參置于(17±2) °C 的海水循環(huán)系統(tǒng)中暫養(yǎng)2 周以適應環(huán)境。暫養(yǎng)期間保持溶氧在5 mg/L 以上,每日換水后投喂基礎飼料(煙臺蓬安源海洋食品有限公司)和海泥,飼料日投喂量為仿刺參體重的2%~3%(不含海泥)。
實驗所用LP HMX-3 為本實驗室保藏菌株,從仿刺參腸道中篩選獲得,經16SrDNA測序鑒定其為植物乳桿菌。將保種的LP HMX-3 按2%的比例接種到MRS 培養(yǎng)基中,28 °C 靜置培養(yǎng)24 h后逐級擴大培養(yǎng)。4 °C,4 000 r/min 離心10 min分鐘,收集菌體。用無菌生理鹽水沖懸,調整至OD600=1,采用平板計數法[9]計算濃度,逐級稀釋至107和105CFU/mL 后添加到仿刺參飼料中。含菌餌料現配現用。
仿刺參暫養(yǎng)2 周后,挑選健康、體重差異較小的幼參[(4.22±0.05) g]隨機分散到9 個玻璃缸(160 L)中,每缸30 頭。實驗設置1 個對照組C組(0 CFU/g)和2 個處理組LL 組(105CFU/g)、LM 組(107CFU/g),每組3 個重復。養(yǎng)殖實驗共進行8 周,期間每天換水1 次,每次1/3~1/2 水量,并吸除殘餌和糞便以及記錄仿刺參健康狀況,每2 周測定仿刺參生長指標。
養(yǎng)殖實驗結束后,停食 24 h。撈取每缸全部的仿刺參,分別記錄總數并稱重,計算增重率(weight gain rate,WGR)、特定生長率(specific growth rate,SGR)和存活率(survival rate,SR)等。從C、LL 和LM 組的每個平行取10 頭仿刺參用于樣品采集。使用無菌注射器自仿刺參腹腔抽取體腔液10 mL,并經雙層300 目篩絹過濾。其中,2 mL 體腔液于4 °C、800 r/min 下離心10 min 收集體腔細胞,并加入1 mL RNAiso Plus(TaKaRa,日本),用于測定免疫相關基因表達量,每組4 個平行;剩余體腔液用于免疫酶活性測定,每組6個平行。此外,收集仿刺參腸道組織,用無菌PBS(0.01 mol/L,pH 7.4)沖洗后用濾紙吸干,用于消化酶活測定,每組6 個平行。同時,收集仿刺參腸道,用于腸道菌群的測定,每組5 個平行。樣品經液氮速凍后,均保存于-80 °C 待測。
生長性能測定 存活率(SR,%)=Ni/N0×100%;
增重率(WGR,%)=(Wi-W0)/W0×100%;
特定生長率(SGR,%/d)=(LnWi-LnW0)/t×100%。式中,Ni是飼養(yǎng)實驗結束時存活的仿刺參數量(頭),N0是飼養(yǎng)實驗中仿刺參的初始數量;Wi和W0分別為仿刺參的最終體重和初始體重(g);t為養(yǎng)殖實驗進行的天數(d)。
酶活性測定 使用南京建成生物工程研究所的試劑盒(A060-2-2、A059-1-1、A001-1-2、A007-1-1、C016-1-1、A080-2-2 和A054-2-1)分別測定仿刺參體腔液中酸性磷酸酶(ACP)、堿性磷酸酶(AKP)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)的活性以及腸道中淀粉酶(AMS)、胰蛋白酶(TRP)和脂肪酶(LPS)的活性;采用碧云天生物技術有限公司的BCA 蛋白濃度測定試劑盒(P0012)測定蛋白濃度。
免疫相關基因表達量的測定 采用TRIzol 法提取仿刺參體腔細胞的總RNA,用0.1%瓊脂糖凝膠電泳和Nanodrop 2000 微量紫外分光光度計(Thermo,美國)檢測RNA 完整性和純度。以RNA 為模板反轉錄合成cDNA?;贏BI 7 500 基因定量實時檢測系統(tǒng)(Thermo Fisher 公司,美國),采用SYBR green Ⅰ方法測定免疫基因Aj-p105、Aj-C3、Aj-catalase 的相對表達量(表1)。定量PCR 的反應體系為20 μL,其中各0.4 μL 的上下游引物(10 μmol/L)、6 μL 模板、10 μL SYBR MixⅠ和3.2 μL 的DEPC 水。反應程序為50 °C 20 s,95 °C 7 min;95 °C 變 性10 s,60 °C 退 火30 s,40 個循環(huán)。采用2-△△CT法檢測目的基因的相對表達量。
表1 內參和目的基因定量引物Tab.1 Primers of internal reference and target genes
腸道微生物檢測 使用FastDNA SPIN Kit for Feces(MP Biomedical)試劑盒提取仿刺參腸道微生物的總DNA。使用引物515F(5′-GTGCCA GCMGCCGCGGTAA-3 ′)和806R(5 ′-GGACTAC HVGGGTWTCTAAT-3′)擴增16SrDNA的V4 區(qū)。用1%瓊脂糖凝膠電泳將擴增獲得的 PCR 產物進行檢測并切膠回收,精確定量后在Novogene 的Illumina MiSeq 平臺上進行測序并分析。具體過程參照唐楊等[10]進行。
實驗結果以平均值±標準差(mean ± SD)表示。通過統(tǒng)計軟件SPSS 26.0 對實驗數據進行單因素方差分析(One-Way ANOVA),當不同處理組差異顯著(P<0.05)時,采用Duncan 氏法作多重比較分析。本研究獲得了寧波大學實驗動物中心批準,實驗過程中操作人員嚴格遵守GBT2018 倫理規(guī)范,并按照寧波大學實驗動物中心制定的規(guī)章制度執(zhí)行。
飼喂不同濃度的LP HMX-3 對仿刺參生長指標和存活的影響結果顯示,養(yǎng)殖實驗結束后,所有組的仿刺參存活率沒有顯著差異(P>0.05);LL組和LM 組的終體重、增重率以及特定生長率均顯著高于C 組(P<0.05),且LL 組的生長指標高于LM 組,但LL 組和LM 組之間沒有顯著差異(P>0.05)(表2)。由結果可以看出,飼料中添加LP HMX-3 對仿刺參的生長具有顯著的促進作用,添加濃度對仿刺參生長影響不大。
表2 飼料中添加LP HMX-3 對仿刺參生長性能的影響Tab.2 Effects of LP HMX-3 supplementation on growth performance of A. japonicus
LM 組腸道的脂肪酶活性顯著高于LL 組和C 組(P<0.05);LL 組的淀粉酶活性最高,且顯著高于LM 組和C 組(P<0.05);各組之間的胰蛋白酶活性沒有顯著差異(P>0.05)(表3)。結果表明,飼料中添加LP HMX-3 有助于提高仿刺參腸道中的消化酶活性。
表3 飼料中添加LP HMX-3 對仿刺參腸道消化酶活性的影響Tab.3 Effects of LP HMX-3 supplementation on digestive enzyme activity of intestine of A. japonicus
飼喂不同濃度的LP HMX-3 可以不同程度的提高仿刺參非特異性免疫酶活性(表4)。LL 組和LM 組體腔液的堿性磷酸酶活性顯著高于C 組(P<0.05),但LL 組和LM 組之間沒有顯著差異(P>0.05);LM 組的酸性磷酸酶活性顯著高于C 組(P<0.05),LL 組和LM 組的差異不顯著(P>0.05);各組的超氧化物歧化酶活性沒有顯著差異(P>0.05);LL 組的過氧化氫酶活性最高,其次是LM 組,2 組之間差異顯著且均顯著高于C 組(P<0.05)。
表4 飼料中添加LP HMX-3 對仿刺參體腔液免疫酶活性的影響Tab.4 Effects of LP HMX-3 supplementation on immune enzyme activity of coelomic fluid of A. japonicus
飼料中添加LP HMX-3 可以不同程度的提高仿刺參體腔細胞中免疫相關基因表達量。其中,LL 組和LM 組中體腔細胞Aj-p105 表達量顯著高于C 組(P<0.05),LL 組和LM 組之間沒有顯著差異(P>0.05);LL 組中仿刺參體腔細胞Aj-catalase基因表達水平最高,其次是LM 組,2 組之間差異顯著且均顯著高于C 組(P<0.05)。LL 組和LM組中仿刺參體腔細胞Aj-C3 基因表達水平高于C 組,且LM 組與C 組差異顯著(P<0.05)(圖1)。
圖1 飼料中添加LP HMX-3 對仿刺參體腔細胞免疫相關基因表達量的影響不同處理組間不同上標字母表示差異顯著(P<0.05)。Fig.1 Effects of LP HMX-3 supplementation on the expression of immune-related genes in coelomic cells of A. japonicus Different letters between different treatments indicate significant difference (P<0.05).
α 多樣性分析 從仿刺參腸道樣本中獲得的有效序列為61 308~69 999 條,經過進一步的分析,可將其歸為1 649~5 574 個操作分類單元(OTUs)。仿刺參腸道菌群的α 多樣性以Observedspecies、Chao1、Shannon、Simpson、ACE、PD_whole_tree 方法進行評估。結果顯示,LL 組和LM 組 的Observed-species、Chao1、ACE 和PD_whole_tree 指數均顯著高于C 組(P<0.05),而且LL 組大于LM 組,但2 組之間沒有顯著差異(P>0.05);LL 組 和LM 組 的Shannon、Simpson 指 數高于C 組,但各組之間沒有顯著差異(P>0.05)。α 多樣性結果表明,LL 和LM 組腸道中的微生物豐富度和均勻度都高于C 組,且LL 組略高于LM 組(表5)。
表5 飼料中添加LP HMX-3 對仿刺參腸道菌群α 多樣性的影響Tab.5 Effects of LP HMX-3 supplementation on α diversity of intestinal flora of A. japonicus
β 多樣性分析 主坐標分析(PCoA)可以用來指示不同樣本的群落變化。基于加權的Unifrac 距離的PCoA 和非加權的Unifrac 距離的PCoA 表明,LL 組和LM 組的仿刺參腸道菌群相似,均與C 組不同(圖2)。聚類分析也顯示了相似的趨勢,基于加權的Unifrac 距離矩陣和非加權的Unifrac 距離矩陣的UPGMA 聚類分析可以看出,LL 和LM 聚為一個分支,然后與C 組聚為一支,表明LL 組與LM 組中的細菌群落相似性高于C組(圖3)。由Veen 圖可知,各組的仿刺參腸道樣本中共有的OTU 有726 個,LL 組特有的OUT 數量最多(1 564 個),其次是LM 組(1 203 個),最少的為C 組(690 個)。β 多樣性分析結果顯示,LL組和LM 組的物種組成結構相似且菌群多樣性高于C 組。腸道菌群的多樣性分析表明飼料中添加LP HMX-3 有助于提高仿刺參腸道菌群的菌落多樣性,添加量對其菌群多樣性和豐富度影響不大。
圖2 仿刺參腸道細菌群落結構的主坐標分析 (a) 基于加權 Unifrac 距離(b)基于未加權Unifrac 距離Fig.2 Principal Co-ordinates Analysis (PCoA) of the bacterial community from A. japonicus intestine (a)based on weighted Unifrac diatance (b) based on unweighted Unifrac diatance
圖3 仿刺參腸道細菌群落的UPGMA 聚類樹 (a) 基于加權Unifrac 距離 (b) 基于未加權Unifrac 距離樹枝長度代表樣本間的距離。Fig.3 UPGMA clustering tree of the bacterial community from A. japonicus intestine (a) based on weighted Unifrac diatance (b) based on unweighted Unifrac diatanceThe branch length represents the distance between samples.
腸道細菌群落組成 仿刺參腸道微生物可歸于79 個門 類、151 個 綱、327 個 目、498 個科、1 116 個屬。門水平上,在所有組中,變形菌門(Proteobacteria) 的豐度最高,其次是厚壁菌門(Firmicutes) 。變形菌門的豐度在C 組最高,其次是LM 組,且C 組與LL 組和LM 組有顯著差異(P<0.05);厚壁菌門的豐度在LL 組最高,且與C組有顯著差異(P<0.05),其次是LM 組;而LL 組和LM 組擬桿菌門 (Bacteroidota)、藍藻門(Cyanobacteria) 和Campilobacterota 的豐度顯著高于C 組(P<0.05),但在2 個處理組中沒有顯著差異(P>0.05)。另外,LL 組和LM 組放線菌門(Actinobacteriota) 以及酸桿菌門 (Acidobacteriota)的豐度高于C 組(圖4,表6)。屬水平上,與對照組相比,LL 組和LM 組中潛在的益生菌相關屬的豐度增加,包括乳桿菌屬 (Lactobacillus)、雙歧桿菌屬 (Bifidobacterium)、鏈球菌屬 (Streptococcus)和梭菌屬 (Clostridium_sensu_stricto_1)(圖5)。
圖4 仿刺參腸道中門水平上的物種相對豐度柱形圖Fig.4 Column chart of relative species abundance at the phylum level of A. japonicus intestine
圖5 仿刺參腸道中屬水平上的物種豐度熱圖Fig.5 Heatmap analysis of the species abundance at the genus level in the gut of A. japonicus
表6 仿刺參腸道中門水平上的優(yōu)勢菌群分布Tab.6 Distribution of dominant microflora at the phylum level of A. japonicus intestine
益生菌作為抗生素的替代品被廣泛應用于水產養(yǎng)殖業(yè),其具有改變宿主或相關環(huán)境微生物群落的潛力,并可通過提高飼料利用率、生長、免疫狀態(tài)和存活等方式對宿主產生有益影響[11-13]。
在本研究中,飼料中添加105和107CFU/g 的植物乳桿菌LP HMX-3 有助于提高仿刺參的生長性能,且105CFU/g 的添加量具有更優(yōu)的效果。這一結果與以往在仿刺參[13]和尼羅羅非魚(O.niloticus)[14-15]中的研究結果具有一定的差異性。在仿刺參中,Li 等[13]發(fā)現2 株海水魚源乳酸菌可顯著提高海參的生長性能,其添加量為109CFU/g,研究結果的差異可能與菌種的來源、菌的添加量等因素有關。一般而言,植物乳桿菌可通過產生氨基酸和維生素等營養(yǎng)物質,作為養(yǎng)殖生物的營養(yǎng)增強劑。另一方面,植物乳桿菌能夠刺激機體細胞分泌消化酶類,幫助水產動物加強對營養(yǎng)物質的利用[16-18]。本研究顯示,仿刺參飼料中添加LP HMX-3 之后,在一定程度上提高了機體淀粉酶和脂肪酶的活性,提高了仿刺參對飼料的消化吸收利用率。
作為海洋無脊椎動物,仿刺參缺乏獲得性免疫,主要依靠先天免疫系統(tǒng)來抵御病原侵襲。以往研究表明,AKP、ACP、SOD 和CAT 在棘皮動物的免疫防御中起重要作用[19-20],其中,ACP 和AKP 能殺死和消化微生物和外來物質。在本研究中,投喂了含植物乳桿菌LP HMX-3 的仿刺參AKP 和ACP 活性均有不同程度的提高,這與 Li等[13]、Yang 等[19]和宮魁等[21]對海參的研究報道相似。值得注意的是,機體免疫活性的高低與益生菌的添加水平存在關聯(lián)性。例如,AKP 活性在105CFU/g 添加組最高,而AKP 活性在107CFU/g添加組最高,這說明免疫力的高低與益生菌的種類和添加量密切相關。此外,SOD 和CAT 是2 種抗氧化酶,是機體抗氧化防御系統(tǒng)重要的組成部分[22-23],其在防止細胞損傷和衰老方面亦起著關鍵作用[19]。在本研究中,仿刺參飼糧中添加植物乳桿菌LP HMX-3 后,CAT 活性顯著升高,SOD水平沒有顯著變化。這可能是因為H2O2作為SOD 的作用產物,其可能會抑制SOD 水平[24],而對CAT 活性有刺激作用[25]。以上結果可能預示了LP HMX-3 對仿刺參具有重要的免疫調控作用。在仿刺參中,p105[26]、catalase[27]、補體成分3[28]是重要的細胞免疫因子,在免疫防御系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。例如,張斯等[29]發(fā)現Aj-C3 在仿刺參體腔細胞中的表達量最高,可能是補體系統(tǒng)中含量較高、較為核心的成員。在本研究中,添加植物乳桿菌后,仿刺參的Aj-p105、Aj-catalase 和Aj-C3 表達量升高,說明LP HMX-3 在一定程度上增強了仿刺參的免疫力。另外,有人認為植物乳桿菌細胞壁中的肽聚糖可能有助于機體免疫刺激[30],動物腸道中的有益菌群也能刺激免疫細胞分化,激活免疫系統(tǒng),從而增強宿主的免疫力,促進機體健康生長[31]。
腸道菌群結構和功能對仿刺參生長具有重要意義,與仿刺參的營養(yǎng)代謝和免疫防御等[32]生理過程密切相關。其中,腸道微生物多樣性起著重要作用,多樣性降低表明腸道微生物群落穩(wěn)定性變差,養(yǎng)殖生物患病風險增大,朱文根等[33]研究結果顯示,草魚(Ctenopharyngodon idella)呼腸孤病毒感染組的Shannon 指數、Simpson 指數以及Pielou 均勻度顯著低于對照組。黃學敏等[34]同樣發(fā)現,凡納濱對蝦健康苗池的Shannon 指數和Pielou 均勻度均顯著高于發(fā)病苗池,表明更高的菌群α 多樣性有利于水體環(huán)境穩(wěn)定和蝦幼體健康,反之可能易造成幼體發(fā)病。在本研究中,105CFU/g 組 和107CFU/g 組 的Observed-species、Chao1、ACE 和PD_whole_tree 等α 多樣性指標顯著高于對照組,這表明飼糧中添加植物乳桿菌LP HMX-3 顯著提高了仿刺參腸道菌群的豐富度和均勻度。在仿刺參缺乏特異性免疫的情況下,較高的α 多樣性可能代表著其對病原菌的高抗性和對養(yǎng)殖環(huán)境的適應性。同時,β 多樣性分析發(fā)現,植物乳桿菌LP HMX-3 添加組的微生物群落結構發(fā)生了明顯變化,這表明添加的益生菌--植物乳桿菌LP HMX-3 是影響腸道菌群的關鍵因素。添加LP HMX-3 后,105CFU/g 組 和107CFU/g 組的特有OUT 增多,且105CFU/g 組多于107CFU/g 組,該結果表明,將仿刺參暴露于不同濃度的益生菌會改變其內在的微生物種群結構[35]。其中,最占優(yōu)勢的門是變形菌門,其次是厚壁菌門,這與Foysal 等[36]的研究結果相似。眾所周知,變形菌門細菌廣泛分布于海洋環(huán)境中,但其在腸道中大量出現可反映腸道微生物群落結構的失調或不穩(wěn)定,存在誘發(fā)炎癥反應風險[37],而厚壁菌門是腸道中的一個優(yōu)勢門,同時是指示腸道健康的良好指標[38]。在添加LP HMX-3 后,仿刺參腸道微生物群中變形菌門的豐度顯著降低,厚壁菌門豐度顯著升高,初步表明植物乳桿菌LP HMX-3 可以積極調節(jié)腸道菌群結構,維持仿刺參體內的穩(wěn)態(tài)。Yang 等[39]通過分子生態(tài)網絡分析也發(fā)現益生菌可以促進海參腸道菌群穩(wěn)態(tài)。此外,投喂植物乳桿菌LP HMX-3 飼料的仿刺參體內擬桿菌門的豐度顯著高于對照組。由于擬桿菌門可以參與營養(yǎng)物質的代謝,產生多種多糖水解酶[40],說明植物乳桿菌LP HMX-3 可能促進了仿刺參對營養(yǎng)物質的消化利用率,促進了仿刺參的生長性能。另外,投喂植物乳桿菌飼料的仿刺參腸道內放線菌門 以及酸桿菌門的豐度也有所增加。放線菌門在維持和發(fā)展腸道內穩(wěn)態(tài)、調節(jié)腸道通透性以及免疫系統(tǒng)和代謝中起著關鍵作用[41],酸桿菌門的細菌成員能產生抗菌物質,或有利于提高仿刺參的免疫狀態(tài)和抗病能力[42]。
綜上所述,飼糧中添加植物乳桿菌LP HMX-3 可以促進仿刺參的生長,提高體內消化酶活性,并積極調節(jié)仿刺參的免疫機能與腸道微生物菌群結構。從仿刺參生長的角度來講,105CFU/g 的添加濃度具有較優(yōu)的效果。
(作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突)