饮食与动物肠道微生物群互作的研究进展：从生产性能到疾病管理的多学科视角

《Microorganisms》：CpxA Deletion Is Associated with Altered Polymyxin B Susceptibility and Flagellar-Associated Transcriptional Remodeling in Salmonella Typhimurium

　　

肠道微生物群长期被视为与宿主动物动态互作的“隐藏器官”，在调节营养物质代谢、塑造免疫功能以及维持全身健康方面发挥着不可替代的作用[1,2]。过去数十年间，高通量测序、多组学整合以及微生物培养技术的进步，深化了人们对动物肠道微生物群落组成与功能的理解[3]。该领域最为公认的核心概念之一是饮食与肠道微生物群之间密切的双向互作关系：膳食成分是塑造肠道微生物群落结构与代谢活性的首要决定因素，而微生物群反过来又调节宿主的营养利用效率、影响生长性能并决定疾病易感性[5,6]。尽管取得了上述重大研究进展，饮食–微生物群–宿主互作背后复杂的生态学关系仍未完全阐明，在涵盖畜牧、水产及伴侣动物的不同物种和多样化生产系统中，关键知识空白依然存在。 在此背景下，本特刊旨在汇集推动饮食–肠道微生物群互作如何塑造动物健康、生长与抗病能力的前沿原创研究和权威综述，涵盖的关键主题包括：饮食对肠道微生物群的调节、微生物群在宿主营养代谢中的作用、微生物群与宿主免疫功能之间的串扰、跨物种比较分析以及微生物群研究的方法学创新。本特刊收录的研究成果反映了该领域当前研究的多样性与活力：研究对象涵盖从模式生物到生产牲畜和伴侣动物的广泛物种，研究问题从提高生产效率延伸到支持长期肠道健康等实际紧迫问题，并探索了微生物代谢调控的新机制见解。 作为益生元的膳食功能性低聚糖是调节动物肠道健康的成熟研究方向。本特刊中一项研究系统探索了半乳寡糖（galacto-oligosaccharides, GOSs）对健康小鼠盲肠微生物群和代谢谱的剂量依赖性调节效应，证实GOS干预不仅能重塑肠道微生物群组成，还能显著调节短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）之外的关键微生物代谢物，包括磷脂和芳香族氨基酸代谢物。值得注意的是，高剂量GOS显著上调了吲哚-3-乙酸——一种具有有益生理功能的色氨酸衍生生物活性代谢物——的产量，这拓展了人们对益生元改善肠道功能机制的理解（贡献1）。在反刍动物生产中，另一项研究探讨了不同添加水平的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）对雷州山羊粪便微生物群和代谢物的影响，揭示了微生物组成和代谢的剂量依赖性和性别特异性调控模式，为优化山羊生产中枯草芽孢杆菌的添加剂量提供了实践参考（贡献2）。针对地方猪生产，Zhang等人阐明了江山黑猪小肠和大肠之间肠道微生物组成和代谢的性别特异性差异，发现不同肠段中微生物类群富集和SCFAs产生存在显著性别差异，为猪肠道微生物群的精准性别特异性调控提供了依据（贡献3）。 围绕提高饲料利用效率和减少反刍动物环境足迹这一核心产业目标，本特刊多项原创研究从互补视角探索了海藻衍生添加剂的甲烷减排潜力以及功能性膳食成分对瘤胃发育和健康的调节作用。针对可持续反刍动物生产中肠道甲烷减排的关键优先事项，一项体外研究系统评估了五种印度沿海海藻的抗产甲烷潜力，并优化了最具前景藻株在秸秆–精料混合日粮中的有效添加水平，证实这些海藻在不损害正常瘤胃发酵的前提下实现了显著的甲烷减排。研究发现，添加3–5%干物质（dry matter, DM）的麒麟菜（Kappaphycus alvarezii）可使甲烷产量降低31–42%，而添加4–5% DM的瓦氏马尾藻（Sargassum wightii）可使甲烷排放减少36–48%。进一步的宏基因组分析揭示，两种海藻均显著降低了总原虫和内毛虫（Entodinomorphs）的数量，并增加了硫酸盐还原微生物和低丰度产甲烷菌的丰度，但未改变核心微生物门（拟杆菌门Bacteroidota、芽孢杆菌门Bacillota、假单胞菌门Pseudomonadota等）或优势产甲烷菌——甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）——的 dominant 地位，后者约占古菌群落的79%。甲烷减排效应并非源于基础瘤胃发酵的破坏，证实了这两种海藻作为甲烷减排饲料添加剂的安全性和有效性，为后续体内验证奠定了基础（贡献6）。另一项甲烷减排研究通过用低成本的海洋藻类生物废弃物——裸伞藻（Padina gymnospora）——替代生长绵羊精料日粮中的麦麸，测试了其应用潜力。研究发现，添加5%的裸伞藻生物废弃物（占日粮总DM）不影响生长绵羊的营养摄入量、消化率或平均日增重（average daily gain, ADG），但显著将每日肠道甲烷排放降低了28.4%，并将以总能量百分比计的能量损失降低了23.4%。结合瘤胃宏基因组分析，该甲烷减排效应归因于生物废弃物添加所诱导的总原虫和全毛虫（holotrichs）丰度显著下降，以及硫酸盐还原菌脱硫弧菌属（Desulfovibrio）丰度显著增加。这证实了低成本海洋藻类生物废弃物作为反刍动物日粮甲烷减排添加剂的应用潜力，为绵羊生产的绿色减排提供了一种实用的替代策略（贡献5）。 为改善育肥湖羊的瘤胃发育和生长性能，一项研究评估了花椒籽（prickly ash seeds, PASs）——一种富含生物活性成分的常见植物性饲料——的作用，揭示在基础日粮中添加3%和6%的PAS可提高ADG、改善饲料转化率（feed conversion ratio, FCR），并显著增加瘤胃乳头的高度和宽度。结合宏基因组和代谢组分析显示，PAS补充增加了梭菌目（Clostridiales）和拟杆菌目（Bacteroidales）的丰度，降低了普雷沃氏菌属（Prevotella）、丁酸弧菌属（Butyrivibrio）和甲烷球菌属（Methanococcus）的丰度，并促进了血清素、L-异亮氨酸和L-缬氨酸等生长相关代谢物的积累。进一步的相关性分析证实，微生物群和代谢物的这些调控变化与瘤胃上皮发育和生长性能的改善密切相关，表明PAS可通过重塑瘤胃微生物群和代谢组来改善绵羊的生长性能和抗病能力，为高效湖羊生产提供了一种新的天然饲料添加剂选择（贡献8）。对于地方滩羊——一种主导性地方肉用品种——而言，FCR是直接决定生产效益的关键经济性状。为阐明多位点胃肠道微生物群如何影响FCR，一项研究系统整合了16S rRNA测序、非靶向代谢组学和RT-qPCR，比较了高FCR（低饲料效率）和低FCR（高饲料效率）滩羊在瘤胃、盲肠和直肠中微生物群落结构的差异，以及瘤胃代谢物的差异。这项工作不仅鉴定出不同肠道位点中与FCR显著相关的差异微生物类群，还揭示了瘤胃核心差异微生物与后肠关键差异微生物之间一致的共关联模式，将核心差异微生物与其对应的差异瘤胃代谢物联系起来。具体而言，研究发现瘤胃中的核心差异类群unclassified_f__Selenomonadaceae、Blvii28_wastewater-sludge_group和Papillibacter与L-色氨酸、Etiocholanolone glucuronide和Icilin等差异代谢物呈正相关，并与盲肠和直肠中FCR相关差异类群具有显著的正共现关系。这项工作初步揭示了多位点胃肠道微生物群在调节滩羊饲料消化吸收中的协同机制，为后续通过微生物改良反刍动物饲料效率提供了重要的基础依据（贡献4）。 对于非反刍家禽生产，本特刊还拓展了人们对新型膳食添加剂如何调节肠道稳态的理解。一项研究评估了铜–碳纳米复合材料（nano-composite of copper and carbon, NCCC）——一种新兴的新型微量元素添加剂——对黄羽肉鸡肠道腔微生态系统和黏膜稳态的影响。结果显示，NCCC补充对肉鸡盲肠微生物群结构仅有细微影响：仅低剂量（50 mg/kg）和高剂量（200 mg/kg）NCCC分别降低了少数特定类群（Ruminococcus torques group和norank Clostridia UCG-014）的相对丰度，而未改变整体微生物组成。相比之下，NCCC显著改善了肠道黏膜功能：线性增加了空肠绒毛高度，优化了紧密连接蛋白基因的表达，上调了抗炎细胞因子水平，并改善了肠道黏膜抗氧化能力。总体而言，推荐日粮中添加50 mg/kg的NCCC以维持黄羽肉鸡的肠道稳态，这为这种新型纳米微量元素添加剂在家禽生产中的应用提供了依据（贡献7）。 在猪生产中，本特刊收录了一篇针对猪生产安全、可持续饲料添加剂策略关键需求的目标性综述。Fan等人的综述系统整合了酵母及其衍生物（包括酵母提取物和酵母细胞壁）作为环境友好型安全饲料添加剂在猪生产中应用的研究进展。作为一种多功能的发酵微生物，酵母产生多种生物活性成分，包括氨基酸、维生素、酶和生长因子，这些成分共同促进猪的生长性能改善、免疫功能增强和整体健康水平提升。该综述综合了酵母和酵母衍生物的既定生物学功能，并阐明了其在现代猪生产中的实际应用价值和产业意义（贡献11）。 除生产性能的营养策略外，本特刊还涵盖了跨动物类群的基础微生物生态学研究。Gul等人的综述对野生鸟类亲代食粪这一研究不足的现象进行了全面而深入的探索，并考察了微生物群在该行为中的关键作用。该综述系统分析了鸟类粪便中微生物群的组成和动态变化，总结了塑造微生物多样性的饮食、环境和遗传因素，并综合了关于亲代食粪行为发生的多种现有假说——该行为在众多鸟类物种中广泛存在，尤其是草食性和雀形目鸟类。综述强调了新兴假说：亲代食粪是微生物从雏鸟向成年亲代传播的一种机制，这可能进一步塑造成年繁殖鸟的健康和适合度。它还系统梳理了当前的研究空白和学术争论：包括食粪行为开始时间不明确、对亲代和后代适合度的长期影响未知、雏鸟粪便消耗的营养意义尚未解决、病原体传播风险未量化，以及该行为的生态和进化驱动因素探索不足。通过综合现有证据并识别未解决的研究优先事项，该综述指出了未来研究揭示野生鸟类亲代食粪生态和进化意义的关键方向，这将推动鸟类生物学发展，并为候鸟种群及其复杂生态系统的保护提供科学支持（贡献12）。 在饲料蛋白加工领域，Mulalapele等人的综述对从豆粕（soybean meal, SBM）到发酵豆粕（fermented soybean meal, FSBM）的生化转化进行了批判性综合，特别关注真菌–细菌共发酵的协同机制（贡献9）。该综述确认，FSBM的功效主要由微生物对大豆球蛋白的蛋白水解作用驱动，将其分解为低分子量生物活性肽（<1000 da）。这些肽是改善肠道形态（增加绒毛高度）和调节肠道微生物群的核心驱动因素，为已记录的FSBM益生效应提供了机制基础。此外，综述验证了猪生产中观察到的5–10%的FCR改善在数学上抵消了发酵的额外加工成本。然而，它也强调了固态发酵（solid-state fermentation, SSF）方案标准化方面的关键空白，特别是在真菌（曲霉属Aspergillus）和细菌（芽孢杆菌属Bacillus或乳杆菌属Lactobacillus）菌株的选择方面，其不同的代谢途径在最终FSBM产品的功能特性中产生了相当大的多样性。该综述阐明了FSBM在畜牧业应用中当前的知识状态和未解决的优先事项，为未来的产业发展提供了宝贵指导。 对于伴侣动物，Yang等人的综述浓缩了关于饮食–肠道微生物群双向联系以及营养疗法在犬猫胃肠道、代谢、肾脏、肝脏和免疫介导疾病中应用的现有证据（贡献10）。综述总结指出，基于蛋白质的膳食干预（包括高蛋白或水解蛋白日粮），结合omega-3脂肪酸、可发酵纤维和益生菌，可以积极塑造微生物组成、刺激SCFAs合成并增强肠道屏障功能。相反，过量脂肪和精制碳水化合物可能诱导菌群失调、炎症和代谢失衡。大量研究表明，治疗性营养——如低蛋白肾脏保护日粮、保肝抗氧化方案和过敏原消除日粮——在疾病管理中具有巨大的临床潜力。此外，粪菌移植（fecal microbiota transplantation, FMT）可作为难治性胃肠道疾病的辅助疗法。尽管取得了这些进展，但在方案标准化、研究持续时间和物种特异性数据方面仍存在局限性，尤其是针对猫的数据。该综述强调饮食调整是一种临床上可操作的微生物群靶向治疗工具，并呼吁通过整合性多组学研究将微生物组调节转化为伴侣动物的精准营养。 本特刊收录的八项原创实验研究涵盖了广泛的动物物种和动物肠道微生物群饮食调控领域的核心科学问题，共同为该研究方向提供了新数据、新见解和新实践策略。本特刊收录的四篇综述系统梳理了涵盖猪生产中酵母添加剂应用、鸟类微生物行为生态学、发酵改性饲料蛋白以及伴侣动物微生物群靶向营养疗法的新兴前沿和关键未解决问题，进一步丰富了本特刊的广度和深度。 研究人员希望本特刊能够激发新的跨机构和跨学科研究合作，推动人们对动物饮食–肠道微生物群互作的理解，并最终支持可持续、健康和高效的动物生产系统的发展，使动物福利和人类粮食安全共同受益。

论文主体内容解读

一、研究背景与问题

肠道微生物群长期被视为与宿主动物动态互作的“隐藏器官”，在调节营养物质代谢、塑造免疫功能以及维持全身健康方面发挥着不可替代的作用。过去数十年间，高通量测序、多组学整合以及微生物培养技术的进步，深化了人们对动物肠道微生物群落组成与功能的理解。该领域最为公认的核心概念之一是饮食与肠道微生物群之间密切的双向互作关系：膳食成分是塑造肠道微生物群落结构与代谢活性的首要决定因素，而微生物群反过来又调节宿主的营养利用效率、影响生长性能并决定疾病易感性。尽管取得了上述重大研究进展，饮食–微生物群–宿主互作背后复杂的生态学关系仍未完全阐明，在涵盖畜牧、水产及伴侣动物的不同物种和多样化生产系统中，关键知识空白依然存在。基于此，本特刊旨在汇集推动饮食–肠道微生物群互作如何塑造动物健康、生长与抗病能力的前沿原创研究和权威综述，涵盖饮食对肠道微生物群的调节、微生物群在宿主营养代谢中的作用、微生物群与宿主免疫功能之间的串扰、跨物种比较分析以及微生物群研究的方法学创新等关键主题。

二、主要研究内容与结论

本特刊收录了八项原创实验研究和四篇权威综述，覆盖了从模式生物到生产牲畜和伴侣动物的广泛物种，系统探讨了膳食调控动物肠道微生物群的多维度机制。

（一）益生元与功能性低聚糖的剂量依赖性调控

一项研究系统探索了半乳寡糖（galacto-oligosaccharides, GOSs）对健康小鼠盲肠微生物群和代谢谱的剂量依赖性调节效应，证实GOS干预不仅能重塑肠道微生物群组成，还能显著调节短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）之外的关键微生物代谢物，包括磷脂和芳香族氨基酸代谢物。高剂量GOS显著上调了吲哚-3-乙酸——一种具有有益生理功能的色氨酸衍生生物活性代谢物——的产量，拓展了益生元改善肠道功能的机制理解。

（二）益生菌添加的剂量与性别特异性效应

另一项研究探讨了不同添加水平的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）对雷州山羊粪便微生物群和代谢物的影响，揭示了微生物组成和代谢的剂量依赖性和性别特异性调控模式，为优化山羊生产中枯草芽孢杆菌的添加剂量提供了实践参考。针对地方猪生产，Zhang等人阐明了江山黑猪小肠和大肠之间肠道微生物组成和代谢的性别特异性差异，发现不同肠段中微生物类群富集和SCFAs产生存在显著性别差异，为猪肠道微生物群的精准性别特异性调控提供了依据。

（三）海藻添加剂的甲烷减排潜力

针对可持续反刍动物生产中肠道甲烷减排的关键优先事项，一项体外研究系统评估了五种印度沿海海藻的抗产甲烷潜力，证实麒麟菜（Kappaphycus alvarezii）和瓦氏马尾藻（Sargassum wightii）在不损害正常瘤胃发酵的前提下实现了31–48%的显著甲烷减排。宏基因组分析揭示，甲烷减排效应并非源于基础瘤胃发酵的破坏，而是与总原虫和内毛虫（Entodinomorphs）数量显著降低以及硫酸盐还原微生物丰度增加有关，同时未改变核心微生物门或优势产甲烷菌甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）的主导地位。另一项研究测试了低成本海洋藻类生物废弃物裸伞藻（Padina gymnospora）在生长绵羊中的应用，发现添加5%的裸伞藻生物废弃物不影响营养摄入量、消化率和平均日增重（average daily gain, ADG），但显著将每日肠道甲烷排放降低了28.4%，并将以总能量百分比计的能量损失降低了23.4%。瘤胃宏基因组分析将该效应归因于总原虫和全毛虫（holotrichs）丰度显著下降以及硫酸盐还原菌脱硫弧菌属（Desulfovibrio）丰度显著增加。

（四）植物源性饲料添加剂对瘤胃发育的调控

一项研究评估了花椒籽（prickly ash seeds, PASs）对育肥湖羊的作用，发现添加3%和6%的PAS可提高ADG、改善饲料转化率（feed conversion ratio, FCR），并显著增加瘤胃乳头的高度和宽度。宏基因组和代谢组分析显示，PAS补充增加了梭菌目（Clostridiales）和拟杆菌目（Bacteroidales）的丰度，降低了普雷沃氏菌属（Prevotella）、丁酸弧菌属（Butyrivibrio）和甲烷球菌属（Methanococcus）的丰度，并促进了血清素、L-异亮氨酸和L-缬氨酸等生长相关代谢物的积累。相关性分析证实这些变化与瘤胃上皮发育和生长性能的改善密切相关。

（五）多位点胃肠道微生物群与饲料效率的关联

针对地方滩羊FCR这一关键经济性状，一项研究系统整合了16S rRNA测序、非靶向代谢组学和RT-qPCR，比较了高FCR（低饲料效率）和低FCR（高饲料效率）滩羊在瘤胃、盲肠和直肠中微生物群落结构的差异。研究发现瘤胃中的核心差异类群unclassified_f__Selenomonadaceae、Blvii28_wastewater-sludge_group和Papillibacter与L-色氨酸、Etiocholanolone glucuronide和Icilin等差异代谢物呈正相关，并与盲肠和直肠中FCR相关差异类群具有显著的正共现关系，初步揭示了多位点胃肠道微生物群在调节滩羊饲料消化吸收中的协同机制。

（六）纳米微量元素添加剂对家禽肠道稳态的影响

一项研究评估了铜–碳纳米复合材料（nano-composite of copper and carbon, NCCC）对黄羽肉鸡肠道腔微生态系统和黏膜稳态的影响。结果显示，NCCC补充对盲肠微生物群结构仅有细微影响，但显著改善了肠道黏膜功能：线性增加了空肠绒毛高度，优化了紧密连接蛋白基因的表达，上调了抗炎细胞因子水平，并改善了肠道黏膜抗氧化能力。推荐日粮中添加50 mg/kg的NCCC以维持黄羽肉鸡的肠道稳态。

三、综述性研究

四篇综述分别系统梳理了酵母及其衍生物在猪生产中的应用价值、野生鸟类亲代食粪行为的微生物生态学机制、发酵豆粕（fermented soybean meal, FSBM）的生化转化与真菌–细菌共发酵协同机制，以及犬猫饮食–肠道微生物群双向联系与营养疗法的临床应用。其中，关于FSBM的综述确认其功效主要由微生物对大豆球蛋白的蛋白水解作用驱动，分解为低分子量生物活性肽（<1000 da），并验证了猪生产中5–10%的FCR改善在数学上抵消了发酵的额外加工成本。关于伴侣动物的综述总结了基于蛋白质的膳食干预结合omega-3脂肪酸、可发酵纤维和益生菌可积极塑造微生物组成、刺激SCFAs合成并增强肠道屏障功能，同时指出粪菌移植（fecal microbiota transplantation, FMT）可作为难治性胃肠道疾病的辅助疗法。

四、讨论与结论

本特刊的八项原创实验研究覆盖了广泛的动物物种和动物肠道微生物群饮食调控领域的核心科学问题，共同为该研究方向提供了新数据、新见解和新实践策略。四篇综述系统梳理了涵盖猪生产中酵母添加剂应用、鸟类微生物行为生态学、发酵改性饲料蛋白以及伴侣动物微生物群靶向营养疗法的新兴前沿和关键未解决问题。研究人员希望本特刊能够激发新的跨机构和跨学科研究合作，推动人们对动物饮食–肠道微生物群互作的理解，并最终支持可持续、健康和高效的动物生产系统的发展，使动物福利和人类粮食安全共同受益。