李求春，焦新安

揚(yáng)州大學(xué)江蘇省人獸共患病學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全生物性危害因子(動(dòng)物源)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省動(dòng)物重要疫病與人獸共患病防控協(xié)同創(chuàng)新中心，揚(yáng)州 225009

人體胃腸道微生物群在宿主正常物質(zhì)代謝和維持機(jī)體生理健康中扮演著重要角色。目前，更多的學(xué)者集中于研究疾病發(fā)生對(duì)人體正常微生物群的影響及利用微生物組學(xué)探討疾病的根源和防控措施，針對(duì)畜禽的研究相對(duì)較少。近年來(lái)，獸醫(yī)、動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家和微生物學(xué)者開始關(guān)注研究畜禽(雞、豬和反芻動(dòng)物)的微生物群，利用微生物組學(xué)來(lái)揭示動(dòng)物疫病對(duì)機(jī)體正常微生物群的影響，從而尋求相應(yīng)的防控措施。這樣不僅有利于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展，還降低了食源性疾病傳播給人類的風(fēng)險(xiǎn)，有利于公共衛(wèi)生安全。

利用微生物組學(xué)研究動(dòng)物疫病起步相對(duì)較晚，很多尚處于起始階段，但顯示出良好的應(yīng)用前景。動(dòng)物體內(nèi)微生物群的變化不僅是大多數(shù)傳染病的發(fā)生源頭，還與食品安全、動(dòng)物健康和公共衛(wèi)生密切相關(guān)[1-2]。由于食源性疾病帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失巨大，畜禽微生物組研究正成為全球食源性疾病來(lái)源的關(guān)注點(diǎn)之一[3-4]。本文就近年來(lái)微生物組學(xué)在動(dòng)物疫病防控中的研究進(jìn)展及發(fā)展方向進(jìn)行綜述。

1 揭示疾病與菌群的相關(guān)性

在養(yǎng)殖過(guò)程中，家禽需經(jīng)歷從腸道微生物群發(fā)育不全的新生期至6～8周齡市售期，此時(shí)每克腸道內(nèi)容物含有1011個(gè)細(xì)菌，包含成千上萬(wàn)不同種類的微生物[5-6]。同時(shí)，病原微生物在養(yǎng)殖期間的定植不僅影響家禽的產(chǎn)量，還可通過(guò)食物鏈傳播給人類[7]。因此，監(jiān)測(cè)家禽養(yǎng)殖過(guò)程中腸道微生物群的變化對(duì)家禽養(yǎng)殖和公共衛(wèi)生安全很重要，尤其是機(jī)體感染病原微生物(如空腸彎曲菌)時(shí)引起的腸道菌群改變對(duì)疾病防控具有重要指導(dǎo)意義。

微生物組學(xué)可幫助人們動(dòng)態(tài)觀察病原菌和腸道菌群的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程。Oakley等通過(guò)對(duì)兩個(gè)養(yǎng)雞場(chǎng)進(jìn)行“從農(nóng)場(chǎng)到餐桌”(farm to fork)的腸道、環(huán)境、胴體等微生物群的持續(xù)監(jiān)測(cè)，從核心基因組數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)機(jī)體含有3種常見致病菌：彎曲菌、梭菌和志賀菌[2]。其中大多數(shù)序列型彎曲菌在不同階段、不同菌群條件下均能持續(xù)存在，顯示前期采取的競(jìng)爭(zhēng)排斥防控措施達(dá)不到應(yīng)有效果；但有2個(gè)序列型彎曲菌與其他菌群緊密相關(guān)，包括在家禽腸道中可定植的趨巨巨單胞菌[8]。此外，Thibodeau等檢測(cè)到空腸彎曲菌在雞盲腸內(nèi)的定植與微生物群中雙歧桿菌的增加密切相關(guān)，同時(shí)影響梭菌和柔膜菌的相對(duì)豐度[9]。

Mohd Shaufi等利用微生物組學(xué)技術(shù)觀察雞在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段腸道菌群的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，揭示了不同腸道中菌群的特點(diǎn)和規(guī)律。其中，盲腸的微生物群總體變化比回腸大，回腸的菌群主要與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、利用相關(guān)，而結(jié)腸的菌群與物質(zhì)的發(fā)酵、代謝相關(guān)。此外，一些潛在的病原菌如梭菌會(huì)隨著雞的衰老而數(shù)量增加，但各時(shí)期腸道內(nèi)乳酸菌的含量整體水平偏低[10]。

2 鑒定新發(fā)病原體

通過(guò)微生物組學(xué)比較分析，可找出引發(fā)動(dòng)物疾病的細(xì)菌或菌群。即對(duì)病因不清楚的某些疾病，微生物組學(xué)研究可幫助尋找病原或病因。此外，雖然微生物組學(xué)分析無(wú)法精確確定病原，但健康機(jī)體和發(fā)病機(jī)體在菌群結(jié)構(gòu)組成上的特征性變化也能成為鑒定疾病發(fā)生的生物標(biāo)記之一[11]。盡管不同生長(zhǎng)環(huán)境中的健康動(dòng)物在菌群結(jié)構(gòu)上存在差異，但代謝組學(xué)差異較小，且發(fā)病動(dòng)物的代謝能力與健康動(dòng)物相比存在明顯變化。例如，腹瀉奶牛犢體內(nèi)維生素、氨基酸和糖類等的代謝明顯減弱[12]。

Yang等對(duì)20份新生仔豬腹瀉糞便樣本進(jìn)行基因組學(xué)分析，判定普雷沃菌可能是引起仔豬腹瀉的主要原因[13]。奶牛子宮內(nèi)膜炎是奶牛養(yǎng)殖業(yè)中的常見病，能降低奶牛的繁殖能力，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。其病因極其復(fù)雜，可能是多種病原微生物作用的結(jié)果。在患有子宮炎的奶牛中，40%～60%沒有發(fā)熱癥狀，其生殖能力未受影響，而發(fā)熱病例的繁殖能力明顯降低。Jeon等利用微生物組學(xué)方法比較發(fā)熱與未發(fā)熱奶牛子宮內(nèi)微生物群的差異，發(fā)現(xiàn)擬桿菌和吡啉單胞菌在發(fā)熱病例中增加是導(dǎo)致差異的主要原因。其中釀膿擬桿菌與發(fā)熱病例密切相關(guān)，可能是引起奶牛子宮炎的病原菌之一[14]。

3 確立有益于維持機(jī)體健康生長(zhǎng)的菌群

微生物組學(xué)研究主要通過(guò)以下幾種方式尋找和鑒定對(duì)維持動(dòng)物機(jī)體健康生長(zhǎng)有益的菌群：①利用微生物組學(xué)比較病原菌在宿主定植器官或組織中的變化，認(rèn)識(shí)和篩選出對(duì)動(dòng)物生長(zhǎng)有利或不利的菌群；②利用微生物組學(xué)比較分析不同養(yǎng)殖場(chǎng)或養(yǎng)殖條件下動(dòng)物腸道菌群的差異，尋找或篩選出對(duì)動(dòng)物生長(zhǎng)健康有利及預(yù)防或抵御動(dòng)物病原微生物的有益菌群，不僅有利于提高動(dòng)物產(chǎn)量，還可有效防控疾病發(fā)生[15]；③基因組學(xué)與代謝組學(xué)研究方法聯(lián)用可更清晰地判定機(jī)體被病原感染后的菌群變化，以及尋找對(duì)維持機(jī)體健康起重要作用的菌群[16]；④微生物組學(xué)比較研究可發(fā)現(xiàn)對(duì)疾病敏感與不敏感動(dòng)物中腸道或組織器官中的微生物群差異[17]。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)將不敏感動(dòng)物的微生物群或相關(guān)細(xì)菌接種至敏感動(dòng)物，可使后者獲取對(duì)疾病的抵抗力。據(jù)此建立的腸道菌群移植是幫助腸道易感動(dòng)物抵御病原攻擊或降低炎癥發(fā)生的常用手段[17]。

Espinosa-Gongora等對(duì)44只攜帶金黃色葡萄球菌和55只不攜帶該菌的豬鼻腔微生物組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)不攜帶金黃色葡萄球菌的豬鼻腔中存在與益生菌功能相似或有抗菌效應(yīng)的產(chǎn)乳酸菌群，如能產(chǎn)生丁酸鹽的明串珠菌屬和毛螺旋菌科家族。然而，攜帶金黃色葡萄球菌的豬鼻腔中存在多種病原微生物，如多殺性巴氏桿菌和克雷伯菌。進(jìn)一步表明鼻腔微生物菌群在金黃色葡萄球菌感染宿主及其定植過(guò)程中發(fā)揮重要作用，為疾病防控提供了方向[18]。

4 篩選疾病防控的新藥物和新制劑

微生物組學(xué)可用于檢測(cè)抗生素治療某些動(dòng)物疾病時(shí)導(dǎo)致的體內(nèi)菌群變化。通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)這種變化，可獲得更有利于治療疾病的抗生素使用方法或程序[19]。此外，益生菌在改善動(dòng)物腸道菌群和提高機(jī)體免疫力方面起重要作用，而增強(qiáng)動(dòng)物免疫力也是微生物組學(xué)研究在動(dòng)物疫病防控中的應(yīng)用之一。益生菌或直接飼喂的微生物(direct-fed microbials，DFMs)被定義為“適量食用后可使機(jī)體更健康活著的微生物”[20]。乳酸菌作為一種益生菌，其對(duì)機(jī)體的作用包括競(jìng)爭(zhēng)性排斥有害微生物、改變宿主微生物群及其代謝、刺激免疫應(yīng)答等[21-23]。

de Cesare等在雞飼料中添加嗜酸乳桿菌D2/CSL后，雞腸道微生物群發(fā)生明顯改變，其中毛螺旋菌科細(xì)菌比未添加組增加約3%，卵形瘤胃球菌 (Ruminococcusobeum)、梭狀梭菌(Clostridiumclostridioforme)、羅氏弧菌(Roseburiaintestinalis)、毛螺旋菌14-2T和規(guī)則糞球菌(Coprococcuseutactus)也顯著增加。此外，添加組的代謝功能明顯強(qiáng)于未添加組，尤其是β-葡萄糖苷酶明顯升高[24]。Lin等給雞喂食地衣芽胞桿菌后，可有效改善產(chǎn)氣莢膜梭菌造成的雞盲腸微生物群紊亂[25]。

Adel等給凡納濱對(duì)蝦食用乳酸乳球菌后，體內(nèi)消化酶含量明顯高于未食用組；蝦體內(nèi)乳酸菌和芽胞桿菌數(shù)量明顯增加，而致病性弧菌數(shù)量明顯降低；蝦的免疫力和存活率也明顯升高[26]。此外，多種益生菌聯(lián)用可改變機(jī)體腸道菌群，增強(qiáng)腸道健康，提高機(jī)體免疫力，明顯降低病原菌的體內(nèi)載量，減弱病原菌(如沙門菌)感染給機(jī)體帶來(lái)的損害[27]。

5 開發(fā)新疫苗或改進(jìn)疫苗的使用效果

微生物組學(xué)研究可協(xié)助改進(jìn)疫苗及其使用方法。通過(guò)分析疫苗免疫(不同免疫方式或途徑)、疾病感染及與正常動(dòng)物菌群進(jìn)行比較，不僅能發(fā)現(xiàn)對(duì)機(jī)體生長(zhǎng)有益的菌群，或與病原菌負(fù)相關(guān)的菌群，還能篩選出更好的疫苗或更佳的疫苗使用方式。Nothaft等發(fā)現(xiàn)，在利用表達(dá)空腸彎曲桿菌N-glycan的大腸埃希菌疫苗口服接種雞時(shí)，加入益生菌(羅伊乳桿菌)能提高疫苗免疫效率，同時(shí)腸道中與空腸彎曲桿菌負(fù)相關(guān)的梭菌數(shù)量明顯增加[28]。

6 提出更簡(jiǎn)單有效的防控措施

后抗生素時(shí)代，在飼料中加入其他可食用的成分來(lái)替代抗生素是維持動(dòng)物健康和提高動(dòng)物產(chǎn)量的常用方法之一[29]。微生物組學(xué)可幫助開發(fā)利用食療法防控動(dòng)物疾病的策略。動(dòng)物在喂食不同飼料后，其抵御病原菌的能力存在差異，而這種差異與食用不同飼料后的菌群改變密切相關(guān)[30]。Rubinelli等研究食用3種米糠(Calrose、Jasmine和Red Wells)的雞抵抗沙門菌感染的能力，發(fā)現(xiàn)Calrose米糠能有效抑制沙門菌在宿主體內(nèi)的定植。微生物組學(xué)研究顯示，這主要與腸道菌群中厚壁菌比例降低和脂肪酸代謝增強(qiáng)相關(guān)[30]。Thibodeau等[9]在雞飼料中加入一種非抗生素食品添加劑，其能降低空腸彎曲桿菌在雞盲腸中的定植和減少鏈球菌的相對(duì)含量，但并不影響盲腸中其他微生物。在養(yǎng)禽業(yè)中，加入飼料添加劑丁酸鈉可防控雞球蟲病。微生物組學(xué)研究顯示，丁酸鈉可抑制艾美耳球蟲感染機(jī)體后引起的盲腸厚壁菌增加和擬桿菌減少[31]。另一種方式是給動(dòng)物食用DFM?，F(xiàn)有微生物組學(xué)研究證明，腸道微生物群在維持動(dòng)物機(jī)體健康中起重要作用，通過(guò)給動(dòng)物服用相應(yīng)的微生物可保證機(jī)體新陳代謝的正常運(yùn)行和提高免疫力，從而維持機(jī)體的內(nèi)穩(wěn)態(tài)[30]。

7 結(jié)語(yǔ)

微生物組學(xué)的發(fā)展加快了動(dòng)物疫病基礎(chǔ)研究的步伐，也為疫病防控提供了新的靶標(biāo)和方向。然而，在組學(xué)研究之前需要收集和提取樣品，因此規(guī)范和提高樣品質(zhì)量顯得尤為重要，這也是目前不同科研機(jī)構(gòu)在動(dòng)物或人體微生物組學(xué)研究過(guò)程中所得數(shù)據(jù)存在差異的主要原因。因此，對(duì)微生物組學(xué)研究仍需做到精細(xì)和謹(jǐn)慎，以達(dá)到真正為動(dòng)物疫病防控提供指導(dǎo)的目的。

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