同为饲料添加剂，益生菌加速而抗生素延缓肉鸡肠道菌群的成熟
一、导读
抗生素具有保障动物健康、促进动物生长与生产以及提高饲料转化率等作用，在畜牧业中被广泛应用。然而，由于抗生素长期不合理的使用，其负能量受到人们的重视。抗生素在食用动物饲料中的添加以及在这些动物体内的残留是导致人体产生抗生素耐药性的主要原因之一。2015年，复旦大学的研究人员对1000多名8-11岁的上海儿童尿液样品进行检测，在58%的受试者尿液中检测出了只在食用动物养殖中才使用的抗生素（如泰乐菌素、金霉素和恩诺沙星）。因此，寻找合适的抗生素替代物是十分重要的。益生菌由于其低生产成本以及可以广泛应用于不同宿主的特性，成为了重要的抗生素替代物候选者。
最近，内蒙古农业大学张和平教授课题组及中科院青岛生物能源与过程研究所徐建研究员课题组在肉鸡从出生到屠宰全过程中对肉鸡表型和微生物结构进行了同时追踪，比较两种饲料添加剂（益生菌和抗生素）和正常饲料（不含益生菌或抗生素）对肉鸡生理和肠道菌群的影响。该研究发现益生菌能提高肉鸡生长性能和免疫反应。此外，益生菌可以加快肠道菌群的成熟，而抗生素则延缓肠道菌群的成熟。该成果于2017年8月3日发表在Microbiome杂志上，为我们寻找安全有效的抗生素替代物提供了新的证据支持和研究方向。
二、论文ID
原名：Feed-additive probiotics accelerate yet antibiotics delay intestinal microbiota maturation in broiler chicken
译名：饲料添加剂益生菌加速而抗生素延缓肉鸡肠道菌群的成熟
期刊：Microbiome
IF: 8.496
发表时间：2017年
通讯作者：张和平，徐建
通讯作者单位：内蒙古农业大学，中科院青岛生物能源与过程研究所
三、实验流程
四、实验结果
1、LP-8和抗生素都能够促进生长，但只有益生菌能够激活宿主的免疫反应
对于从出生到屠宰的全程，益生菌与抗生素都可以提高平均日增重（ADG）而降低饲料转化率（FCR），意味着益生菌LP-8对ADG和FCR的作用与抗生素的作用相同甚至好于抗生素。此外，益生菌组中肉鸡胸腺、法氏囊和脾脏指数高于对照组，且益生菌组肉鸡的胸腺指数高于抗生素组。与对照组和抗生素相比，益生菌还能够提高IgG和SIgA的水平。以上结果表明益生菌能促进肉鸡生长提高肉鸡的免疫。
图1 肉鸡分别饲喂抗生素日粮、益生菌日粮和正常日粮后的生长性能及免疫活性
（a）平均日增重；（b）平均日采食量；（c）饲料转化率；（d）胸腺、法氏囊和脾脏的器官指数；（e）血清IgG和肠道SIgA含量
2、LP-8可以提高肠道菌群中多种固有乳酸杆菌的丰度
对肠道中LP-8进行检测，发现LP-8只在益生菌组肉鸡中检测出，说明LP-8可在肉鸡消化道中存在且能够到达肉鸡肠道。有趣的是，LP-8的添加还可提高其他乳杆菌的水平。在42天的实验周期中，乳杆菌的丰度在益生菌组中最高，而在抗生素组中最低。
图2 LP-8提高肠道菌群中多种固有乳酸杆菌的丰度
（a）LP-8；（b）乳酸杆菌；（c）嗜酸乳杆菌；（d）短乳杆菌；（e）干酪乳杆菌；（f）加氏乳杆菌；（g）副干酪乳杆菌；（h）植物乳杆菌；（i）罗伊氏乳杆菌；（j）瘤胃乳杆菌；（k）清酒乳杆菌；（l）唾液乳杆菌
3、LP-8可以加速肠道菌群的成熟过程而抗生素延缓成熟过程
除了改变乳杆菌的含量，添加剂的处理还可显著改变菌群的结构。研究发现实验的时间点和添加剂均可以对肠道菌群结构造成影响，且添加剂对菌群变化的影响最大。因此，若要探究添加剂对菌群造成的区别，首先要知道菌群随肉鸡年龄变化的改变。为此，作者通过分别将菌属的相对丰度与对照组相应肉鸡的年龄进行回归分析以识别具有年龄差异的菌群。据此，基于菌群的模型得以建立，可用于区分菌群的不同发展阶段。此模型包括16个菌属，可用于区分在42天过程中肠道菌群的成熟度。为了探究添加剂对菌群成熟度的影响，使用年龄差异菌群来监测益生菌和抗生素组中菌群的发展情况。结果发现益生菌组肠道菌群成熟较早，而抗生素会延缓菌群的成熟。有趣的是，在对照组中，肠道菌群达到完全成熟时，正好是育肥期的起始，此时肉鸡开始快速增重，表明肉鸡的肠道菌群与育肥有关。
图3 三种饮食对肠道菌群成熟的影响
（a）不同因子对肉鸡肠道菌群变化的作用；（b）十折交叉验证误差作为输入的菌属数值，用于对训练数据中的鸡龄进行回归；（c）根据随机森林回归得到的前16个具有年龄差异的菌群。这些菌群被认为是能够区分肉鸡从出生到屠宰过程中肠道菌群成熟度的生物标志。肠道菌群成熟度的时间模式在（d）对照组，（e）抗生素组和（f）益生菌组的比较，这些数据反映了益生菌可以加快菌群成熟而抗生素会延缓菌群成熟。
4、LP-8和抗生素对肠道菌群生物特征的影响
为进一步探索不同添加剂对肠道菌群的改变，作者比较了细菌在属水平上的系统发育。发现在第7天和第28天多种菌群丰度发生改变，而在第42天，三组中菌群的相对丰度没有明显差异。在主成分分析中，发现抗生素组与益生菌组有显著差异。而抗生素组和益生菌组分别与对照组相比，均无明显差异。此外，对于KEGG，益生菌与抗生素均可影响多种通路，但有5条通路只被抗生素影响而不被益生菌影响，这5条通路包括细胞周期-柄杆菌通路、戊糖和葡萄糖醛酸盐相互转化通路、酮体合成降解通路、D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢通路以及药物代谢-其他酶通路（数据未显示）。这些发现表明抗生素会造成能量代谢和细胞周期的紊乱。因此，抗生素和益生菌组中肠道菌群成熟率的差异会导致菌群生物功能的改变。
图4 三种饮食对肉鸡肠道菌群丰度的影响
（a）生物丰度。在第7、28和42天，每个菌属的相对丰度通过与第1天的相对应丰度相比得到。（b）主成分分析（PCA）。
5、LP-8在肠道微生物菌群相关网络的形成和发展中的关键作用
为了研究造成三组肉鸡肠道菌群时间模式不同的机理，作者比较了菌属相应的共发生网络。有趣的是，在对照、益生菌和抗生素组中，乳杆菌都参与了核心的互作网络。与对照组相比，抗生素组属间相关性较弱，而益生菌组中的属间相关性较强。另外，在对照组中，有6个菌属与乳杆菌呈负相关，而在抗生素和益生菌组中分别有4个和14个菌属与乳杆菌呈负相关。并且，与对照相比，抗生素与益生菌组中参与核心互作网络的菌属数目下降。这些发现表明抗生素可明显地扰乱菌群的互作网络，而LP-8可加强互作网络并且其中乳杆菌占主导地位。
图5 细菌的共发生网络揭示乳酸杆菌在肠道菌群的细菌相关网络中的重要作用
（a）对照组的共发生网络（density=0.329,centralization=0.475）; （b）抗生素组（density=0.213,centralization=0.335）；（c）益生菌组（density=0.355, centralization=0.364）；乳酸杆菌用蓝色圆圈标注，与乳酸杆菌直接相关的菌属用绿色圆圈表示。灰线的宽度与Spearman相关系数成比例，而线的类型代表互作的方式（实线：正相关；虚线，负相关）
抗生素与益生菌对细菌互作网络造成的作用的不同主要出现在早期。与对照相比，抗生素可造成菌属相关性的减弱，而LP-8造成相反的作用。在第7天至第28天，上述的相关性模式得以维持。而到后期，抗生素和益生菌都促进平均相关性的下降。对于菌群网络集中性的分析，发现益生菌组在整个实验中总是具有最多的菌属互作。综上，LP-8和抗生素在肉鸡肠道细菌互作的形成和发展中起关键作用。
图6 三种饮食对细菌相关网络密度和集中化的时间变化
（a）网络密度；（b）网络集中化
五、研究结论
通过生化和菌群的分析，发现益生菌可提高肉鸡生长性能和免疫反应。而且肉鸡肠道菌群的成熟可在益生菌的作用下加快而在抗生素的作用下延缓。这些数据说明在家禽生产中，益生菌可作为抗生素的有效替代物，从而减少抗生素的残留并抑制抗生素抵抗的发生。
六、点评
该研究利用多种方法对肉鸡肠道菌群进行分析。从发现LP-8可调节肠道乳酸菌含量的改变，到发现LP-8可加快肠道菌群的成熟，再到发现LP-8对菌群相关网络的作用，实验层层递进环环相扣。文中的内容也启发我们，今后是否可以通过“肠道菌群成熟度”这一指标，来评价饲料添加剂对动物肠道微生物的影响呢？
本文由王阳原创，江舜尧编辑。