1、综 述Review Papers 2016年第52卷第5期肠道微生物与宿主遗传背景互作关系的研究进展谭 振1，翟丽维1，陈少康2，刘会杰3，王楚端p(1中国农业大学动物科技学院，北京100193；2北京市畜牧总站，北京100101；3西藏自治区农牧科学院畜牧兽医研究所，拉萨850000)摘 要：哺乳动物的肠道寄居着大量而且种类繁多的微生物，它们受到宿主基因和环境尤其是食物的影响。近年来，随着宏基因组的出现和测序技术的不断发展，关于人和其他动物的肠道微生物研究日益深入。肠道微生物与人类肥胖和型糖尿病相关性的发现等，进一步加强了科学界对于肠道微生物的关注度。然而，对于肠道微生物与宿主的密切联系以及
2、相互作用机制仍然需要深入研究。本文简要论述了肠道微生物对宿主的功能贡献和宿主的遗传背景对肠道微生物的影响。关键词：肠道微生物；宿主；遗传背景中图分类号：$8142 文献标识码：A 文章编号：02587033(2016)05008404近年来，随着宏基因组和宏转录组等分子生物技术的迅猛发展，肠道微生物研究已成为科研领域新的研究热点。作为机体最庞大复杂的微生态系统，肠道微生物对宿主的免疫、代谢等方面有着不可替代的作用川。哺乳动物在出生前的胃肠道内是无菌的。出生后，母体产道及环境微生物开始在胃肠道定植，形成简单的微生物区系。随着时间的推移，胃肠道内的氧气消耗，定植和繁殖的微生物也由需氧菌和兼性需氧菌
3、向厌氧菌转变【2】。断奶前的肠道微生物以厌氧菌为主，但是这种结构不稳定，容易受到饮食等条件变化影响。而断奶隔离、饲料变换、生活环境的改变打破了动物原有的消化道菌群平衡3-41，经过剧烈的改变后又会形成新的群落平衡状态。研究发现，不同物种间或者同物种不同群体，甚至是同一个群体不同个体间的肠道微生物菌落都有着差异，但是在同一个宿主物种中又会保持一定的稳定性和一致性【5巧】。同时，宿主的数量性状遗传背景在相当大的程度上影响着肠道微生物的种类和数量7。将肠道微生物各个组分作为一个复杂的集合体进行研究发现，宿主的遗传背景和环境因素共同收稿日期：20150527；修回El期：20150923资助项目：北京
4、市现代农业产业技术创新团队(25019126)；国家科技支撑计划(201lBAD28801)作者简介：谭振(1985一)，男，黑龙江人，博士，主要从事动物分子遗传育种，Email：tankoerqqeom4通讯作者：王楚端，教授，Email：wangchuduanqqcorn眶中固蠡牧东是影响着肠道微生物菌群的结构【8I。1肠道微生物及其功能11 肠道微生物的分布 微生物在肠道的分布是不均衡的，由胃到十二指肠，每克内容物中细菌的数量从101到103连续分布，接下来的空肠和回肠每克内容物的细菌数量为104到107，在结肠达到峰值，每克内容物包含1011到1012个细菌细胞口】。Frank等!lo
5、l采用活体组织切片的方法比较健康个体的小肠和结肠发现不同的微生物组富集定植的位置也有所不同，小肠内含量较高的是厚壁菌门和放线菌门的杆菌纲类，而在结肠部位，拟杆菌和厚壁菌门的毛螺旋菌科类更占优势。12肠道微生物的功能 哺乳动物肠道寄生或者共生着大量的微生物In-J2，肠道微生物间连同宿主具有复杂而又相对平衡的动态关系，保证宿主的健康和肠道微生物的相对稳定。研究发现，肠道微生物与单胃动物的生理代谢功能紧密相连”31。121 肠道微生物参与宿主肠道免疫 通过无菌动物试验，已经证实肠道微生物在肠道内发挥着重要的生理作用t141。无菌动物的肠道黏膜免疫及全身免疫系统的发育和功能都比正常的动物差，免疫细胞
6、类型会出现异常，局部和全身淋巴结结构也有缺陷等等51。肠道微生物与肠道黏膜免疫系统关系密切，肠道微生物的刺激使得机体保持免疫耐受以防过度免疫反应，同时机体又要识别并控制肠道微生物的繁殖水平【l 61，添加特定的肠道微生物可以有选万方数据2016年第52卷第5期择性的在分子、细胞和器官层面促进免疫系统的成熟”71，共生菌在维持免疫系统稳定方面很重要，扰乱宿主肠道微生物菌群可增加炎症发生的可能性。肠道微生物与宿主间的合作共生关系能够促进宿主免疫系统的发育【l引。122肠道微生物对宿主肠道的屏障保护作用 肠道微生物定植于动物的肠道腔壁上，能够作为一道物理屏障，保护着肠道，同时竞争性地排斥病原微生物，
7、刺激机体产生抗菌物质【191。动物肠道产生的防御素、抗菌肽等抗菌物质是通过破坏病原菌的表面膜结构达到抑菌作用Dol，但是这些抗菌成分更主要的功能是调节肠道微生物【2“。肠道微生物与抗菌成分的作用关系相对复杂，许多微生物及其代谢产物可以刺激机体产生不同类型的抗菌成分，同时一些微生物却能使抗菌成分产生量减少陋】。微生物尤其是其中的益生菌能够抑制病原菌在肠道内定植，例如乳酸杆菌及其分泌蛋白能够降低某些有害菌的感染和定植。123肠道微生物促进宿主肠道发育 肠道微生物可以促进新生动物的胃肠道发育。完善的肠道微生物菌群能够促进肠道细胞的更新加快，肠绒毛厚度变大，肠道表面积扩大】。还有研究表明肠道微生物能够
8、影响肠道微血管的生成和发育陋】。另外，某些肠道微生物还有助于维持肠道上皮细胞间的紧密连接，保护肠道陋1。124肠道微生物参与宿主的营养物质消化吸收及代谢肠道微生物的新陈代谢影响着机体对营养物质的的吸收和利用。共生微生物可消化宿主不能消化的食物，增加宿主对单糖和短链脂肪酸的吸收，促进宿主对能量的吸收和贮存。单胃动物盲肠和反刍动物瘤胃中的正常菌群通过发酵产生大量的有机酸，不仅为动物直接提供了营养，而且间接地激活酸性蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶，提高了蛋白质和能量利用率，同时可产生维生素、氨基酸和未知生长因子，促进动物生长。利用基因组学及代谢组学对肠道微生物代谢内部关系的研究，显示肠道微生物在辅
9、助机体储存能量方面也有作用。Yatsunenko等281应用宏基因组技术研究了人类和动物不同肥胖状态的肠道微生物群落结构，发现饮食影响肠道微生物结构，而微生物结构反作用影响机体的代谢。同年，Chichlowski等陋1报道了动物肠道内定植了一类调节菌群结构的益生菌Review Papers综 述(主要是双歧杆菌和乳酸杆菌)也与机体的代谢密切相关。除此之外，肠道微生物还参与宿主的应激调节及药物代谢等等。可以说，哺乳动物正因为有了肠道微生物微生态循环系统，才能保证机体的健康生长和发育。2宿主遗传背景对肠道微生物的影响肠道微生物对机体的重要性不言而喻，机体同时又和环境因素共同决定着微生物的群落结构。
10、宿主机体的遗传背景对肠道微生物的影响也是十分重要的，大量的研究显示不同物种的肠道微生物具有显著的差异性，而同一物种的不同品系也会有明显的区别。影响肠道微生物种群结构的因素中，环境因素(宿主所处的外部环境和饮食结构等等)占了绝大部分。同时，物种本身的空间和时间上的差异也会显著影响到肠道微生物的变化状况。所以，尽可能的保证环境的同一性，是研究肠道微生物受到遗传背景影响的重要条件之一。肠道微生物被认为是一种特别的伙伴，它涉及到我们机体各部分的众多相互作用30l，肥胖动物的肠道微生物移植到无菌小鼠的肠道中会使其出现相同的肥胖表现，证实动物肠道微生物与机体的代谢是有因果联系的】。Ridaura等设计了一
11、个巧妙的试验，将人类肥胖双胞胎的肠道微生物移植到无菌小鼠的肠道中，这些小鼠表现出比接受瘦双胞胎肠道微生物移植的小鼠更多脂肪量，将肥瘦小鼠饲养在一起又会缓解肥胖小鼠的肥胖情况，表明肥胖这一表型是能够被传递的。通过限饲试验来证明肠道微生物基因的丰富性和微生物的组成同对减轻体重的敏感性及其他代谢变化具有对应关系33-341。不同的微生物群落存在不同的代谢功能。Ley等瞬1通过小鼠试验证明，后代的微生物与亲代有一定的密切关系。但是这个试验的环境相对封闭，小鼠能受到外界其他因素影响较少，所以并不能确定说明亲缘关系在形成个体肠道微生物时具有决定性，还需要更多的实验来深入说明这一问题。除了母体肠道微生物组成
12、的影响，还有很多因素影响着个体肠道微生物的形成。许多研究表示宿主的基因型能够影响肠道微生物的组成，比较同一遗传背景下的胖瘦小鼠可以发现，肥胖小鼠的肠道中固耄牧东恙囝万方数据综 述Review Papers中主要的细菌组分比例与瘦弱小鼠不同，另外，研究发现将小鼠的高密度脂蛋白基因突变也能够改变其微生物睇。但是，宿主的基因对微生物结构的影响不是直接的，是相对间接的通过机体新陈代谢起作用。肥胖小鼠的试验同时也说明了饮食也能够改变肠道微生物的组成。采食类似于西方习惯的饮食促使小鼠体重增加能够显著的改变其微生物组成m1。限饲处理又能够逆转肥胖饮食带来的微生物变化。0Connor等研究食物与宿主基因是如何
13、共同塑造微生物群落的，并且研究食物和宿主基因分别影响的微生物是如何影响心血管疾病的。通过8个对心血管这一表型表现不同的近交系小鼠添加不同营养比例的日粮，分别比较日粮和遗传基因对微生物的改变并与心血管表型的联系，结果发现在基础日粮水平下，宿主基因型不同，肠道微生物也具有多样性，同时也与导致动脉粥样硬化的营养素添加量有关。同时说明不同肠道微生物水平可能是不同品系近交小鼠对心血管疾病敏感性不同的一个原因。更多的了解基因表达差异肠道代谢物的差异可以更多的揭示肠道微生物与宿主遗传背景关系。上海交通大学孟和教授团队以来源于同一祖先群体的肉鸡家系进行极端双向选择，根据56日龄体重连续选择54代以上，使得最终
14、两组个体体重差异在10倍以上，利用新一代测序技术对双选家系的不同性别个体的粪便微生物进行测序四】。结果表明宿主的基因型和性别都对肠道微生物有着重要影响，并且可以将肠道微生物的组成和组分作为数量性状来研究。但是实现这一结果的条件就是宿主的遗传背景的一致性。该试验的关键点在于动物模型的选择恰到好处的能够保证了双选家系在遗传背景上的一致以及单一条件基因型的差异，保证了其他条件的可控性。Alaish等【舯】通过胆总管结扎手术对反应程度不同的2个近交系小鼠进行肠道微生物结构分析，发现耐受结扎手术的小鼠肠道菌群相对稳定，而容易致死的小鼠肠道微生物菌落发生失调现象，这也反映了宿主遗传背景对肠道微生物的影响在
15、品系间差异显著。许多研究都表明了宿主的遗传背景影响着肠道微生物的组成和组分。这些研究大都基于稳定的近交群体，并且环境固定，在单一性状上研究遗传背景黟中固鸯牧京志2016年第52卷第5期与肠道微生物的关系。但是，这类研究也都仅仅分析了不同基因型或者性别差异间的肠道微生物群落差异，没有从更深层次的机理上揭示出宿主的遗传背景是如何影响着肠道微生物的具体变化的，还有待进一步研究。3 小 结肠道微生物菌群结构受到多个因素的影响，宿主的遗传背景和环境共同决定着动物肠道微生物的种类和数量。环境因素尤其是饮食是肠道微生物菌群结构差异的主要影响因素，以往的研究也更多的集中在饮食的改变对动物肠道的影响。宿主的遗传
16、因素对于肠道微生物群落结构的组成差异也有不可忽视的贡献力量，虽然这种影响更多的是通过营养代谢或者生理结构的差异水平间接的，但是深入研究遗传背景差异个体有助于我们更加全面地了解动物肠道微生物菌群的变化趋势，探寻不同品种或者品系动物肠道菌群调节的优化方案，更好的为生产服务。参考文献：【l】 McFall-Ngai M，Hadfield M G，Bosch T CAnimals in abacterial wodd，a new imperative for the life sciences【J】ProcNatl Acad Sci USA20131 10：32293236【2Leser T D，Am
17、enuvor J Z，Jensen T K，et 01Cultureindependent analysis of gut bacteria：the pig gastrointestinaltract microbiota revisitedJAppl Environ Microbial，2002，68：67369031 Melin L，Mattsson S，Katouli M，et口fDevelopment of postweaning diarrhoea in pigletsRelation tO presence of Escherichiacoli strains and rotavi
18、rusJ】J Vet Med B Infect Dis Vet PublicHealth，2004，51：1222【4】Kim P I，Jung M Y，Chang Y H，et 01Prebiotic properties ofLactobacillus and Bifidobacterium strains isolated from porcinegastrointestinal tract【J】Appl Microbiol Biotechnal，2007，74：1103111151 Rawls J F，Mabowald M A，Ley R E，et 01Reciprocal gutmi
19、cmbiota transplants from zebrafish and mice to germ-freerecipients reveal host habitat selectionJCell，2006，127：423433【6Wei S，Morrison M，Yu ZBacterial census of poultry intestinalmicmbiomeJPouh Sci，2013，92：671683【7】Meng H，Zhang Y，Zhao L，et 01Body weight selection affectsquantitative genetic correlate
20、d responses in gut micrebiota【J】PLoS One。20149：e8986281 Benson A K，Kelly S A，Legge R，et 01Individuality in gut万方数据2016年第52卷第5期【9】【10】【12】【13】【14】15】【16】17【18】1920【21】【22】【23】24micmbiota composition is a complex polygenic trait shaped bymultiple environmental and host genetic factorsJ1Proc Nail AcadS
21、ci USA，2010，107：18933-18938OHara A M，Shanahan FThe gut flora as a forgotten organJEMBO Rep，2006，7：688693Frank D N，St Amand A L，Feldman R A，et以Molecularphylogenetic characterization of microbial community imbalancesin human inflammatory bowel diseasesJ】Proc Natl Acad SciUSA，2007，104：13780-13785Savage
22、 D CMicrobial ecology of the gastrointestinal tract【JAnnu Rev Microbiol，1977，31：107-133Louis P，Flint H JDiversity，metabolism and microbial ecologyof butyrate-producing bacteria from the human large intestine【JFEMS Microbiol Lett，2009，294：1-8Cummings J H，Maefarlane G TColonic microflora：nutritionand
23、healthJNutrition，1997，476-478Hooper L V，Wong M H，Thelin A，etfMolecular analysis ofcommensal hostmicrobial relationships in the intestine【J】Science，2001，29l：881884Macpherson A JHarris N LInteractions Between CommensalIntestinal Bacteria And The Immune SystemJNat Rev Immunol，2004RakoffNahoum SInnate i
24、mmune recognition of the indigenousmicrobial floraJMucosal Immunol，2008，1：S10一S14Mazmanian S K，Liu C H，Tzianabos A 0，etfAnimmunomodulatory molecule of symbiotic bacteria directsmaturation of the host immune systemJ1Cell，2005，122：107118Dewhirst F E，Chien C C，Paster B J，et nfPhylogeny of thedefined mu
25、rine microbiota：altered Schaedler flora【J】ApplEnviron Microbiol，1999，65：32873292Kamada N，Seo S U，Chen G Y，et a1Role of the gutmicrobiota in immunity and inflammatory disease【JNat RevImmunol，2013，13：321335Hooper L VDo symbiotic bacteria subvert host immunity?【JNat Rev Microbiol，2009，7(5)：367374Vaishn
26、ava S，Behrendt C L，Ismail A S。et nfPaneth cellsdirectly sense gut commensals and maintain homeostasis at theintestinal hostmicrobial interfaceJ1Proc Natl Acad Sci U SA，2008，105：2085820863Hooper L V，Stappenbeck T S，Hong C V，et a1Angiogenins：anew class of microbicidal proteins involved in innate immun
27、ity【JNat Immunol，2003，4：269-273Corr S C，Gahan C G，Hill CImpact of selected Lactobacillusand Bifidobacterium species on Listeria monocytogenes infectionand the mucosal immune response【J1FEMS Immunol MedMicrobiol，2007，50：380388Banasaz M，Norin E，Holma R，et nfIncreased enterocyteReview Papers综 述producti
28、on in gnotobiotic rats monoassociated withLactobacillus rhanmosus GGf1Appl Environ Microbiol，2002，68：303l一3034【25】Hooper L V，Midtvedt T，Gordon J LHow hostmicrobialinteractions shape the nutrient environment of the mammalianintestineJAnnu Rev Nutr，2002，22：283307【26】Tuohy K M，Probert H M，Smejkal C W，e
29、t afUsing probioticsand prebiotics to improve gut healthJDrug Discov Today，2003，8：692700【27】Maslowski K M，Mackay C RDiet，gut microbiota and immuneresponsesJNat Immunol，201 l，12：5-928Yatsunenko T，Rey F E，Manary M J，et耐Human gutmicrobiome viewed across age and geography【J】Nature，2012，486：222-22729Chic
30、hlowski M，De Lartigue G，German J B，et nfBifidobacteria isolated from infants and cultured on human milkoligosaccharides affect intestinal epithelial functionJJ PediatrGastroenterol Nutr，2012，55：321-327【30】Zhao L PrI118 gut microbiota and obesity：from correlation tocausalityJNat Rev Microbi012013，l 1
31、：639-64731Turubaugh P J，Ley R E，Mahowald M A，et 01An obesityassociated gut microbiome with increased capacity for energyharvestJNature，2006，444：1027-1031【32】Ridaura V K，Faith J J，Rey F E，et 01Gut microbiota fromtwins discordant for obesity modulate metabolism in mice【J】Science，2013，341：1241214【33】Co
32、tillard A，Kennedy S P，Kong L C，etfDietary interventionimpact on gut microbial gene richnessJ】Nature，2013，500：585588【34】Le Chatelier E，Nielsen T，Qin J，et dRichness of human gutmicrobiome correlates with metabolic markersJ】Nature，2013，500：54l一54635Ley R E，Backhed F，TurnbatIgh P，et以Obesity alters gutmi
33、crobial ecology【JProc Natl Acad Sci USA，2005，102：110701107536Zhang C H，Zhang M H，Wang S Y，et nfInteractions betweengut microbiota，host genetics and diet relevant to development ofmetabolic syndromes in miceJISME J20104：31231337Tumbaugh P J，Baeckhed F，Fulton L，etfDietinducedobesity is linked to marke
34、d but reversible alterations in themouse distal gut microbiomeJCell Host Microbe，2008，3：213223【38】07Connor A，Quizon P M，Albright J E，et nfResponsiveness ofcardiometabolicrelated microbiota to diet is influenced by hostgeneticsJMatron Genome，2014，25：583-599【39】Zhao L L，Wang G，Siegel P，et nfQuantitati
35、ve GeneticBackground of the Host Influences Gut Mierobiomes in Chickens【JSci Rep U K，2013，3：1163中固鸯牧东忿囝万方数据综 述Review Papers 2016年第52卷第5期热应激对动物小肠黏膜影响的研究进展卜星晨12，邹晓庭卜，田 勇妒(1浙江大学动物科学学院，浙江杭州310058；2浙江省农业科学院畜牧兽医研究所，浙江杭州310021)摘 要：热应激在现在的集约化养殖模式中已成为常见的应激原之一，而动物的小肠黏膜在经受热应激时十分容易受到损伤，导致其机体代谢和生产性能受到严重的不良影响。本文主
36、要就热应激对动物小肠黏膜形态结构、吸收功能、屏障功能和肠道微生态等方面影响的近阶段研究进展进行了阐述。关键词：热应激；小肠黏膜；吸收功能；屏障；微生态中图分类号：$8142 文献标识码：A 文章编号：02587033(2016)05008804集约化的畜禽养殖业已成为我国乃至世界的生产养殖大趋势，整个行业都在向着高密度、高效率、高投入、高产出的目标迅速发展。与此同时，与人类社会的发展相类似，养殖中的环境问题已经成为了制约其发展的因素。畜禽的集约化养殖体系对于生产水平和经济效益的提高是极其显著的，但这与畜禽本身的生理生长规律有着巨大的矛盾。在集约化养殖环境中的畜禽生长速度快，活动空问小，这样的环
37、境极易引发收稿日期：20150826；修回日期：2015-1010资助项目：国家水禽产业技术体系；国家自然科学基金项目(31402066)；国家国际科技合作专项项目(2013DFA31880)作者简介：h星晨(1991一)，男，浙江平湖人，在读博士生，主要从事动物营养与饲料科学的研究，Email：buxingchenfoxmailcom+通讯作者：邹晓庭，Email：xtzouzjueducn；田勇，E-mail：1015080153qqeom畜禽一系列的应激反应，导致畜禽免疫力降低，进而产生一系列的经济损失。因此，摆在所有养殖者和相关研究人员面前的一个重要课题即是如何解决或者缓解这一养殖环境
38、问题带来的损失。在实际的生产实践中，热应激是最为常见的应激原之一，特别是在我国南方地区，夏季的高温天气十分常见，江浙一带的最高气温可达37以上，如若降温不当，舍内的温度会比室外更高，这样的环境对养殖业是一个巨大的挑战。目前对于小肠黏膜热应激的研究较多为临床医学方向，对畜牧业的借鉴意义十分有限，本文主要对不同研究领域的多种实验动物上在热应激对小肠黏膜形态结构和功能影响的近阶段研究进展做一综述。1热应激的产生应激是指在一些物理、化学、生产管理等外界或401 Alaish S M，Smith A D，Timmons J，et a1Gut mierobiota，tight translocation
39、and mortality following eholestasis depend on thejunction protein expressionintestinal resistance。bacterial genetic background ofthe hostJGut Microbes，2013，4：292305Research Progress of Intestinal Microbes Interactions with the Host Genetic BackgroundTAN Zhenl，ZHAI Liweil，CHEN Shaokan92，LIU Huijie3，W
40、ANG Chu-duanpf 1College of Animal Science and Technology，China Agricultural University，Beijing 100193，China；2Beijing General Station of Animal Husbandry，Beijing 100101，China；3Institute of Animal Science，Tibet Academy of Agricultural and Animal Science，Lhasa 850000，China)Abstract：The mammalian intest
41、ine is colonized with huge number and kinds of microorganisms，which are affected bythe host genetics and environment，especially by foodIn recent years，with the continuous development ofmetagenomics and sequencing technologies，there are more and more researches on intestinal microbial of human andoth
42、er animalsThe discovery of connections between intestinal microbes and human obesity or diabetes can enhancethe scientific attention community for intestinal microflora communitiesHoweverin-depth studies of the closecontacts and the interaction mechanisms with the gut microbiota and host are still n
43、eededThis paper briefly discussedsome functions of gut microbes on host contributions and effects of the gut microbes by host genetic backgroundKey words：gut microbiota；host；genetic background参中固毒牧缘恙万方数据肠道微生物与宿主遗传背景互作关系的研究进展作者： 谭振， 翟丽维， 陈少康， 刘会杰， 王楚端， TAN Zhen， ZHAI Li-wei， CHEN Shao-kang， LIU Hui-j
44、ie， WANG Chu-duan作者单位： 谭振,翟丽维,王楚端,TAN Zhen,ZHAI Li-wei,WANG Chu-duan(中国农业大学动物科技学院,北京,100193)， 陈少康,CHEN Shao-kang(北京市畜牧总站,北京,100101)， 刘会杰,LIU Hui-jie(西藏自治区农牧科学院畜牧兽医研究所,拉萨,850000)刊名： 中国畜牧杂志英文刊名： Chinese Journal of Animal Science年，卷(期)： 2016,52(5)引用本文格式：谭振.翟丽维.陈少康.刘会杰.王楚端.TAN Zhen.ZHAI Li-wei.CHEN Shao-kang.LIU Hui-jie.WANG Chu-duan 肠道微生物与宿主遗传背景互作关系的研究进展期刊论文-中国畜牧杂志 2016(5)
