沈麗艷,楊玉婷,高 歡,冉津銘,張春勇,安清聰,曹振輝,潘洪彬
(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué),云南省動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650201;2.達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理系,四川 達(dá)州 635000)
中國(guó)是家禽養(yǎng)殖大國(guó),肉雞產(chǎn)業(yè)是中國(guó)畜牧業(yè)中現(xiàn)代化、規(guī)?;?、集約化、組織化和市場(chǎng)化程度最高的產(chǎn)業(yè)之一[1]。環(huán)境溫度是影響肉雞生長(zhǎng)發(fā)育的因素之一,據(jù)報(bào)道,熱應(yīng)激降低肉雞采食量、平均日增質(zhì)量及飼料轉(zhuǎn)化效率,而冷應(yīng)激增加肉雞采食量和死亡率,降低肉雞機(jī)體細(xì)胞免疫性能,引起肉仔雞腹水癥和疾病發(fā)病率的增加[2]。腸道菌群作為機(jī)體的重要組成部分,參與家禽的生長(zhǎng)發(fā)育、消化吸收、營(yíng)養(yǎng)免疫、生物拮抗及其各種功能和結(jié)構(gòu)的發(fā)生、發(fā)展及衰退的全過(guò)程[3-4]。其中,回腸是吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要部位,以兼性和微嗜氧性細(xì)菌為主,以乳酸桿菌科最為豐富[5]。研究發(fā)現(xiàn):環(huán)境溫度是影響家禽腸道菌群的重要因素之一,隨著環(huán)境溫度的改變,家禽腸道正常菌群也會(huì)受到影響[6]。WANG 等[7]發(fā)現(xiàn):高溫顯著影響肉雞回腸菌群的α 和β 多樣性,主要增加回腸微生物的物種豐富度;BURKHOLDER 等[8]使用變性梯度凝膠電泳法發(fā)現(xiàn):高溫下肉雞腸道微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。SHI等[9]發(fā)現(xiàn):熱應(yīng)激導(dǎo)致盲腸厚壁菌門的豐度增加,擬桿菌門的豐度降低。CHEVALIER 等[10]研究發(fā)現(xiàn):小鼠長(zhǎng)期暴露于寒冷環(huán)境(6 ℃)會(huì)明顯改變腸道中細(xì)菌的組成。然而,目前研究多集中在短期環(huán)境溫度變化(急性冷、熱應(yīng)激)對(duì)肉雞腸道微生物組成的影響,而長(zhǎng)期的相對(duì)環(huán)境溫度變化對(duì)肉雞腸道微生物的影響則鮮見(jiàn)報(bào)道。因此,本試驗(yàn)通過(guò)研究長(zhǎng)期相對(duì)高溫和相對(duì)低溫環(huán)境對(duì)肉雞回腸微生物多樣性的影響,以期為環(huán)境溫度通過(guò)腸道微生物影響肉雞健康提供理論基礎(chǔ)。
1.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
300 只1 日齡健康艾維茵肉仔雞(湖南順成養(yǎng)雞專業(yè)合作社)隨機(jī)分為3 組,每組100 只,NRC無(wú)抗日糧兩階段飼喂至42 d,以北京畜禽育種公司推薦的AV500 肉雞飼養(yǎng)管理手冊(cè)的溫度控制參數(shù)為對(duì)照,分為高溫組(HI 組)、對(duì)照組(CI組)和低溫組(LI 組),各組的初始溫度分別為36.5、33.5 和30.5 ℃,溫度隨日齡平行遞減。與對(duì)照組相比,高、低溫組每天溫差均為3 ℃,至42 d 各組分別降至22、19 和16 ℃,其他飼養(yǎng)條件一致。各組實(shí)際控制溫度變化見(jiàn)表1。
表1 雞舍實(shí)際溫度變化Tab.1 Change of temperature in chicken breeding ℃
1.1.2 飼養(yǎng)管理
試驗(yàn)在云南省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院畜禽環(huán)境研究所家禽實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行,雞舍為7.20 m×3.50 m×3.50 m,共3 棟,稻殼墊料地面平養(yǎng),每棟雞舍均為自動(dòng)控溫和通風(fēng),并配有4 個(gè)槽式給料器和4 個(gè)自動(dòng)供水器,飼養(yǎng)過(guò)程中光照時(shí)間管理為:第1 天為24 h 光照;第2~8 天為23~18 h 光照;第9~21 天為12 h 光照;第22~35 天為18 h 光照;第36~42 天為18~23 h,當(dāng)體質(zhì)量<160 g(1~8 d)時(shí),光照強(qiáng)度為30~60 lx;當(dāng)體質(zhì)量≥160 g(9~42 d)時(shí),光照強(qiáng)度為5~10 lx。相對(duì)濕度管理為:第1~7 天為30%~50%,第8~21 天為40%~60%,第22~42 天為50%~70%。肉仔雞按常規(guī)管理,自由采食、自由飲水。
1.2.1 樣品采集
飼養(yǎng)至第42 天,隨機(jī)選取肉雞36 只(12 只/組)屠宰。迅速采集回腸食糜,凍存管液氮保存,用于微生物總DNA 提取和PCR 擴(kuò)增。
1.2.2 回腸微生物總DNA 的提取和PCR 擴(kuò)增
每只雞取回腸食糜樣本(100±1) mg,采用QIAamp?Fast DNA Stool Mini Kit 方法提取細(xì)菌總DNA。用核酸濃度檢測(cè)儀檢測(cè)DNA 濃度后,于-80 ℃保存。
1.3.1 OTU 聚類
在97%相似度下利用Usearch 序列分析軟件對(duì)Clean Reads 進(jìn)行OTU 聚類分析,根據(jù)每個(gè)回腸食糜樣品中聚類獲得的OTU 在該樣品的豐度,計(jì)算出3 組間共有和特有的OTU 數(shù)量。
1.3.2 α 多樣性分析
α 多樣性包括Chao1、Observed species、PDwhole tree、Shannon 和Simpson 指數(shù),利用QIIME[11-12]軟件計(jì)算樣品的α 多樣性指數(shù)的值,并作出相應(yīng)的稀釋曲線。根據(jù)1 組n值(一般為1 組小于總序列數(shù)的等差數(shù)列)與其相對(duì)應(yīng)的α 多樣性指數(shù)的期望值作出曲線,并作出各樣品α 多樣性指數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表[13]。
1.3.3 β 多樣性分析
β 多樣性是用來(lái)比較1 對(duì)樣品在物種多樣性方面存在的差異大小。unifrac 是通過(guò)利unifrac是通過(guò)利用系統(tǒng)進(jìn)化的信息來(lái)比較樣品間的物種群落差異,分為加權(quán)unifrac (weighted unifrac)與非加權(quán)unifrac (unweighted unifrac)兩種;其中,加權(quán)unifrac 考慮了序列的豐度,非加權(quán) unifrac不考慮序列豐度。MRPP 組間差異分析是用于分析組間微生物群落結(jié)構(gòu)的差異是否顯著的一種分析方法[14]。相似性Anosim 分析是一種非參數(shù)檢驗(yàn),用來(lái)檢驗(yàn)組間(兩組或多組)的差異是否顯著大于組內(nèi)差異,從而判斷分組是否有意義[15]。
1.3.4 物種豐度與分類統(tǒng)計(jì)
從各個(gè)OTU 中挑選出豐度最高的1 條序列,作為該OTU 的代表序列;將該代表序列與已知物種的16S 數(shù)據(jù)庫(kù)(RDP,http://rdp.cme.msu.edu)進(jìn)行比對(duì),從而對(duì)每個(gè)OTU 進(jìn)行物種歸類。根據(jù)物種注釋情況,統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣品注釋到各分類水平(門、綱、目、科和屬)上的序列數(shù)量。根據(jù)物種注釋結(jié)果,分別在各分類水平上對(duì)各個(gè)樣品作物種profiling 相應(yīng)的柱狀圖。
1.3.5 LDA Effect Size 分析
LDA Effect Sizee (LEfSe)分析[16]采用線性判別分析估算每個(gè)組分(物種)豐度對(duì)差異效果影響的大小,找出對(duì)樣品劃分產(chǎn)生顯著性差異影響的群落或物種。
1.3.6 功能注釋與差異表達(dá)分析
(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)京都基因和基因組百科全書(shū),http://www.genome.jp/kegg)是基因組破譯方面的公共數(shù)據(jù)庫(kù)[17]。該數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)分析基因功能、聯(lián)系基因組信息和功能信息的大型知識(shí)庫(kù)。利用16S rRNA 基因和參考序列數(shù)據(jù)庫(kù),應(yīng)用PICRUSt 軟件預(yù)測(cè)微生物群落功能[18]。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2019 進(jìn)行整理,使用SPSS 22.0 軟件,對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)α 多樣性和微生物區(qū)系豐度進(jìn)行單因素方差分析,并用Duncan氏法進(jìn)行多重比較。試驗(yàn)結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。對(duì)于厚壁菌門/擬桿菌門(F/B)的比值,根據(jù)厚壁菌門和擬桿菌門在各組每個(gè)生物學(xué)個(gè)體中的相對(duì)豐度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
為評(píng)估優(yōu)勢(shì)屬與KEGG 途徑之間的相關(guān)性,在GraphPad Prism 7.0 中執(zhí)行Spearman 分析[19],P<0.05 被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(n=12)。
如圖1 所示:HI、CI 和LI 組分別獲得968、968 和1 241 個(gè)OTU;3 組共有的OTU 數(shù)量為543 個(gè),其占比分別為56.10%、56.10%和43.76%;各組特有的OTU 數(shù)量分別為192、139 和429 個(gè),各占19.83%、14.36%和34.57%。
圖1 組間OTU 分布Venn 圖)Fig.1 Venn diagram of OTU distribution between groups
如表2 所示:與CI 組相比,HI 組Observed species、Shannon 和Simpson 指數(shù)顯著升高,LI組Shannon 和Simpson 指數(shù)顯著升高(P<0.05)。
表2 α 多樣性分析Tab.2 α diversity analysis
如表3 和圖2 所示:基于UniFrac 分析利用系統(tǒng)進(jìn)化的信息比較組間的物種群落差異,在考慮物種豐度的情況下,A=0.096,δe=0.46>δo=0.42,R=0.188,P=0.001,組間微生物群落結(jié)構(gòu)差異顯著;在不考慮物種豐度的情況下,A=0.041,δe=0.62>δo=0.60,R=0.163,P=0.002,組間微生物群落結(jié)構(gòu)差異顯著。這表明組間差異顯著大于組內(nèi)差異,分組有意義。
圖2 回腸微生物16S rRNA 樣品的組間Anosim 相似性指數(shù)分析圖)Fig.2 Analysis of Anosim similarity index between groups of ileum microube 16S rRNA
表3 物種MRPP 組間差異分析Tab.3 Analysis of differences between species MRPP groups
如表4 所示:與CI 組相比,HI 組厚壁菌門和藍(lán)細(xì)菌/葉綠體的相對(duì)豐度分別增加29.47%和0.81%,F(xiàn)/B的比值增加7.8%,擬桿菌門的相對(duì)豐度降低27.82% (P<0.05);LI 組厚壁菌門的相對(duì)豐度增加11.16%,F(xiàn)/B的比值降低0.11% (P>0.05)。
表4 肉雞回腸微生物門水平組成及差異分析Tab.4 Composition and difference analysis of ileum microbial at phylum levels in broilers
如表5 所示:與CI 組相比,HI 組乳酸菌屬和曲霉菌屬的相對(duì)豐度分別增加31.87%和1.59%;LI 組梭菌屬XI和志賀氏大腸桿菌屬的豐度分別降低28.7%和9.98%,貪噬菌屬和短波單胞菌屬的相對(duì)豐度分別增加3.69%和2.08% (P<0.05)。
表5 肉雞回腸微生物屬水平組成及差異分析Tab.5 Composition and difference analysis of ileum microbial at genus levels in broilers
如圖3 所示:在門水平,LI 組中疣微菌門和螺旋體門顯著富集;HI 組中厚壁菌門、藍(lán)細(xì)菌/葉綠體顯著富集。在綱水平,疣微菌綱等2 個(gè)綱在LI 組中顯著富集;桿菌綱等4 個(gè)綱在HI 組中顯著富集。在目水平,疣微菌目等3 個(gè)目在LI 組中顯著富集;乳桿菌目等5 個(gè)目在HI 組中顯著富集。在科水平,CI 組中消化鏈球菌科顯著富集;伯克氏菌科等6 個(gè)科在LI 組中顯著富集;乳酸桿菌科等18 個(gè)科在HI 組中顯著富集。在屬水平,梭菌屬XI等3 個(gè)屬在CI 組中顯著富集;潘多拉菌屬等16 個(gè)屬在LI 組中顯著富集;乳酸菌屬等23 個(gè)屬在HI 組中顯著富集。
圖3 CI、HI 和LI 組回腸微生物L(fēng)DA 值分布柱狀圖)Fig.3 LDA value distribution map of CI,HI and LI groups ileum microbiota
如圖4 所示:CI 組在L3 層級(jí)顯著富集到的信號(hào)通路為轉(zhuǎn)錄機(jī)制。LI 組在L3 層級(jí)顯著富集到的信號(hào)通路分別為乙醛酸和二羧酸代謝、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成、氧化磷酸化、萘降解、C5 支化二元酸代謝、過(guò)氧物酶體、脂質(zhì)生物合成蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)折疊和相關(guān)加工、PPAR 信號(hào)通路、多環(huán)芳烴降解、生物素代謝、脂肪細(xì)胞因子信號(hào)通路、細(xì)胞分裂。HI 組在L3 層級(jí)顯著富集到的信號(hào)通路分別為DNA 修復(fù)和重組蛋白、磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)PTS、嘌呤代謝、復(fù)制重組與修復(fù)蛋白、核糖體生物合成、染色體、氨基酰基tRNA 的生物合成、光合作用的蛋白質(zhì)、光合作用、丙酮酸代謝、堿基切除修復(fù)、四環(huán)素的生物合成、RNA 聚合酶、D-丙氨酸代謝、霍亂弧菌致病循環(huán)、結(jié)核病、核黃素代謝和二甲苯降解。
圖4 HI、CI 和LI 組在L3 層級(jí)(LDA>2)富集信號(hào)通路的KEGG 分析)Fig.4 KEGG analysis of enriched signal pathways in the HI,CI and LI groups at L3 hierarchy (LDA>2)
如圖5 所示:CI 組梭狀芽孢桿菌XVIII 與轉(zhuǎn)錄機(jī)制通路呈正相關(guān)(r=0.47,P=0.003 9)。HI 組乳酸菌屬與磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)(r=0.50,P=0.001 8)、復(fù)制重組與修復(fù)蛋白(r=0.38,P=0.021)、四環(huán)素的生物合成 (r=0.33,P=0.047)、RNA 聚合酶(r=0.44,P=0.007 2)、D-丙氨酸代謝(r=0.60,P=0.000 1)、霍亂弧菌致病循環(huán)(r=0.37,P=0.028)、二甲苯降解 (r=0.47,P=0.003 7)通路呈正相關(guān)。腸球菌與磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng) (r=0.63,P<0.001)、復(fù)制重組與修復(fù)蛋白 (r=0.38,P=0.023)、霍亂弧菌致病循環(huán) (r=0.42,P=0.011)通路呈正相關(guān)。志賀氏大腸桿菌屬與復(fù)制重組與修復(fù)蛋白 (r=0.38,P=0.023)、四環(huán)素的生物合成 (r=0.36,P=0.047)、霍亂弧菌致病循環(huán) (r=0.41,P=0.028)呈正相關(guān)。LI 組富集的乙醛酸和二羧酸代謝等12 個(gè)信號(hào)通路與潘多拉菌屬等16 個(gè)差異屬呈正相關(guān)(P<0.05)。
圖5 微生物變化與通路相關(guān)性的熱圖分析)Fig.5 Heatmap analysis of the correlation between microbial changes and pathways
環(huán)境溫度是影響家禽生產(chǎn)的一個(gè)重要因素,急性、慢性熱應(yīng)激均會(huì)使肉雞腸道菌群發(fā)生改變。WANG 等[20]報(bào)道對(duì)肉雞進(jìn)行熱應(yīng)激處理(溫控組21 ℃±1 ℃、高溫組31 ℃±1 ℃)發(fā)現(xiàn):高溫顯著影響回腸微生物區(qū)系的α 多樣性(Chao1,P=0.002;PD-whole tree,P=0.002),表明高溫增加了回腸微生物區(qū)系的物種豐富度。ZHU 等[21]通過(guò)DGGE 圖譜分析表明:飼養(yǎng)溫度變化對(duì)肉雞盲腸微生物的組成有顯著影響。本研究結(jié)果顯示:高溫顯著增加了Shannon 和Simpson 指數(shù),因此推測(cè)長(zhǎng)期相對(duì)高溫環(huán)境增加了回腸腸道菌群的多樣性。
雞腸道中主要以厚壁菌門為主,其次為變形菌門、擬桿菌門和放線菌門[22]。據(jù)報(bào)道,熱應(yīng)激(38 ℃)對(duì)腸道菌群影響較為明顯,腸道菌群改變可導(dǎo)致腸道的消化吸收功能發(fā)生改變[23]。與CI組相比,長(zhǎng)期相對(duì)高溫環(huán)境使肉雞厚壁菌門增加。這與之前的研究結(jié)果一致,即較高的環(huán)境溫度增加了厚壁菌門的豐度[20]。厚壁菌門是小鼠和人類腸道微生物中最大的群體[24],且產(chǎn)生的內(nèi)孢子能抵抗惡劣環(huán)境[25]。擬桿菌門對(duì)胃腸道的正常發(fā)育有影響,可以降解蛋白質(zhì)和碳水化合物[26]。與CI 組相比,HI 組厚壁菌門/擬桿菌門的比值增加,LI 組厚壁菌門/擬桿菌門的比值降低。研究發(fā)現(xiàn):厚壁菌門/擬桿菌門比值的增強(qiáng)與人的脂肪沉積和體質(zhì)量下降負(fù)相關(guān)[27-28]。據(jù)報(bào)道,厚壁菌門的增加和回腸變形菌門的降低有益于腸道健康,有助于提高肉雞的生長(zhǎng)性能[29]。因此,厚壁菌門在長(zhǎng)期相對(duì)高溫環(huán)境飼養(yǎng)條件下相對(duì)豐度的增加可能有助于肉雞適應(yīng)環(huán)境應(yīng)激。
乳酸桿菌是人類和其他哺乳動(dòng)物微生物群的重要組成部分,存在于呼吸道、胃腸道和生殖道[30],可以通過(guò)利用碳水化合物產(chǎn)生乳酸。乳酸桿菌可以改善宿主胃腸道功能,降低腸道pH,恢復(fù)宿主腸道菌群平衡,抑制病原菌的生長(zhǎng),還能定植于腸黏膜形成黏膜屏障,保護(hù)腸道健康[31]。乳酸桿菌也可以改善雞腸道微生物區(qū)系,提高有益菌數(shù)量,與腸道病原菌競(jìng)爭(zhēng)定植位點(diǎn),平衡腸道微生態(tài)區(qū)系[32-33]。志賀氏菌屬是引起細(xì)菌性痢疾的病原菌[34],志賀氏大腸桿菌屬的相對(duì)豐度降低可以促進(jìn)腸道健康[35]。本研究結(jié)果顯示:高溫使肉雞回腸乳酸桿菌屬的豐度顯著增加,大腸桿菌屬的豐度顯著降低,原因可能是高溫能影響肉雞回腸微生物優(yōu)勢(shì)菌群的組成,降低環(huán)境溫度應(yīng)激對(duì)肉雞的危害。因此,長(zhǎng)期相對(duì)高溫飼養(yǎng)環(huán)境下乳酸桿菌的增加、志賀氏大腸桿菌屬的降低可能有助于平衡腸道微生物,促進(jìn)肉雞健康生長(zhǎng)。
曲霉菌屬屬于厚壁菌門,具有生物轉(zhuǎn)化和生物降解作用[36]。本研究結(jié)果顯示:HI 組曲霉菌屬顯著增加。因此,長(zhǎng)期相對(duì)高溫環(huán)境飼養(yǎng)肉雞,可能會(huì)增加肉雞對(duì)有害物質(zhì)的降解,促進(jìn)肉雞健康生長(zhǎng)。潘多拉菌屬是一種革蘭氏陰性致病菌,屬于變形桿菌的β 亞類,參與抗外源性生物降解[37],已證明能夠產(chǎn)生奧西林酶,該酶增加了對(duì)阿霉素和碳青霉烯的耐藥性[38]。貪噬菌屬屬于叢枝藻科和β-變形桿菌[39],是一種普遍存在的β 蛋白細(xì)菌,參與植物的生長(zhǎng)促進(jìn)和外源物質(zhì)的降解[40]。本研究結(jié)果顯示:LI 組潘多拉菌屬和貪噬菌屬顯著增加。因此,長(zhǎng)期相對(duì)低溫環(huán)境飼養(yǎng)肉雞,可能會(huì)增加有害菌的生長(zhǎng),不利于肉雞健康生長(zhǎng)。
磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)(phosphotransferase system,PTS)最初在大腸桿菌(E.coli)中被發(fā)現(xiàn),后來(lái)在許多其他細(xì)菌中被發(fā)現(xiàn),是一種催化碳水化合物吸收和轉(zhuǎn)化為磷酸酯的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)[41]。本研究中,HI 組乳酸菌屬與PTS 通路呈正相關(guān)。因此,在長(zhǎng)期相對(duì)高溫環(huán)境下,可能通過(guò)乳酸菌屬影響磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)PTS 通路。乙醛酸和二羧酸代謝是碳水化合物代謝的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它使細(xì)胞獲得能量,并以高能分子的形式暫時(shí)儲(chǔ)存釋放的能量,參與脂肪酸代謝[42]。苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成是胃食管癌潛在的生物標(biāo)記物[43]。本研究中,LI 組潘多拉菌屬與乙醛酸和二羧酸代謝通路呈正相關(guān)。因此,在長(zhǎng)期相對(duì)低溫環(huán)境下可能通過(guò)Pandoraea影響代謝通路。
長(zhǎng)期相對(duì)高溫使肉雞回腸微生物多樣性增加,厚壁菌門和乳酸桿菌屬增加,擬桿菌門降低,嘌呤代謝和D-丙氨酸代謝等相關(guān)信號(hào)通路顯著富集;長(zhǎng)期相對(duì)低溫使肉雞回腸微生物多樣性增加,梭狀芽孢桿菌XI、志賀氏大腸桿菌屬降低,苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成、脂質(zhì)生物合成蛋白質(zhì)等相關(guān)信號(hào)通路顯著富集。