快速增重通过肠道–骨骼轴影响肉鸡胫骨健康的多组学关联研究

《Animal Diseases》：Rapid weight gain as a factor compromising tibial health via the gut?bone axis in broiler chickens

　　

肉鸡快速增重不仅满足了增长市场对高品质蛋白的高需求，还缩短了育种周期，从而提高生产效率。然而，这种快速生长与肉鸡多种不良效应相关，包括代谢异常、心肺负担增加、骨骼和肌肉发育受损、腿健康受损，甚至风味和滋味受损。该研究旨在利用在受控生长环境中饲养21 d的300只肉鸡，探讨快速增重、胫骨健康（tibial health）与肠道–骨骼轴（gut–bone axis）之间的关联。结果表明，快速增重与肉鸡胫骨健康受损相关，证据包括骨相关指标改变、多项组织形态学观察以及核因子κB受体活化因子配体（RANKL）/核因子κB受体活化因子（RANK）/骨保护素（OPG）信号通路失调。转录组分析（transcriptomic analysis）鉴定黏着斑（focal adhesion）为与胫骨生长相关的关键通路，并伴随黏着斑激酶（FAK）/磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）信号通路下调。这种损伤与肉鸡盲肠肠道菌群（cecal gut microbiota）结构和组成的显著变化相关，尤其涉及Ligilactobacillus (L.) aviarius_B、L. salivarius和Limosilactobacillus reuteri。这些变化与胆汁酸（bile acids）相关关键血液代谢物（blood metabolites）的改变有关，如hyodeoxycholic acid和chenodeoxycholic acid，其与胫骨发育呈负相关。总之，研究人员的发现强调，快速增重与肠道–骨骼轴改变相关，这些改变可能促成肉鸡胫骨健康受损，为家禽骨骼健康管理提供新见解。

研究背景方面，全球人口增长和生活质量指标上升持续增加肉类需求，过去60年商业肉鸡增重已增至四倍以上，由20世纪50年代的25 g/d升至2008年的100 g/d；但快速增重带来动物福利、肉品质下降以及代谢异常、心肺疾病和骨骼畸形等生理障碍。腿骨尤其是胫骨常受影响，导致跛行和活动障碍，商业鸡群中约30%存在活动问题，3.3%几乎不能运动。研究指出，肉鸡快速肌肉生长未获得足够骨骼发育以支撑体重，但快速增重对家禽骨骼健康的具体影响仍 largely 未阐明。肠道菌群（gut microbiota, GM，肠道共生微生物群落）参与免疫和代谢稳态并影响包括骨在内的远端器官，骨功能依赖成骨细胞与破骨细胞动态平衡，RANKL/RANK/OPG系统调控破骨细胞活化、分化和存活；胫骨软骨发育不良（tibial dyschondroplasia, TD）肉鸡存在菌群失调，菌群可通过短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFA）、血糖代谢及PI3K/Akt通路等影响胫骨生长板。因此，研究人员以300只Arbor Acres（AA）公母肉鸡在受控环境饲养21 d，按第14天体重极端表型分为High组（前35%）和Low组（后35%），比较胫骨形态、组织学、骨稳态、转录组、盲肠菌群和血液代谢组，发现快速增重与胫骨健康受损及肠道–骨骼轴改变相关，涉及RANKL/RANK/OPG失调、FAK/PI3K/Akt抑制、菌群组成改变和胆汁酸相关代谢物变化，为家禽骨骼健康管理和可持续生产提供新见解。
主要关键技术方法：以300只1日龄AA公母肉鸡为样本队列，随机分30笼、每笼10只，控制环境饲养21 d；第14天按极端表型抽样，前35%为High组、后35%为Low组，第14和21天每组随机30只采样。关键技术包括胫骨形态与生长板参数测量、H&E/番红O-固绿/甲苯胺蓝O/Goldner三色组织学、骨钙素（OCN）免疫组化、qPCR（2^?ΔΔCt）、Western blot、胫骨生长板转录组测序、盲肠内容物全长16S rRNA基因测序、血液非靶向LC–MS/MS代谢组及LEfSe、PCA、OPLS-DA、Pearson/Mantel等分析。
研究结果如下。Relationship between rapid weight gain and bone development in broiler chickens：通过比较体重、采食及胫骨形态指标并进行Pearson相关分析，发现High组体重显著较高，第14和21天生长率分别为20.93%和40.51%，采食量曲线下面积较高；High组胫骨重量、长度和直径较大，第14天生长板宽度和生长板指数较大而第21天反转；相关分析提示胫骨发育异常与快速增重相关。Rapid weight gain influences the tibial histomorphology of broiler chickens：通过H&E、番红O/固绿、甲苯胺蓝O和Goldner三色染色及定量，发现High组骨小梁断裂、扩张、空隙增大、骨小梁面积降低，新骨形成减少，软骨细胞排列紊乱、形态模糊、核溶解并形成空泡状软骨腔，矿化骨相对面积降低；Low组骨小梁完整、连接较好、新骨形成和矿化骨较多，软骨面积组间无显著差异。Dysregulation of bone homeostasis by rapid weight gain：通过qPCR、Western blot和OCN免疫组化检测胫骨生长板，发现High组RANKL和RANK表达升高、OPG/RANKL比值降低，促炎因子TNF-α和IL-1β较高而抗炎因子IL-10较低，BMP-2、RUNX2、VEGF等成骨标志总体较低，OCN阳性面积较低，提示快速增重扰乱RANKL/RANK/OPG轴、增强炎症并抑制成骨分化和骨形成。Transcriptome analysis reveals the mechanism of bone damage in broilers caused by rapid weight gain：通过胫骨生长板转录组测序、PCA、GO/KEGG富集及qPCR/Western验证，发现477个差异表达基因（DEGs），其中332个上调、145个下调（|Log₂FC|>2，p<0.05），富集于黏着斑、钙信号、心肌收缩等通路；PLN、MYLK2和CACNA1S在High组降低，并与RANKL负相关、与OPG正相关，FAK/PI3K/Akt蛋白表达在High组降低，提示快速增重与FAK/PI3K/Akt抑制及骨稳态失衡相关。Effect of rapid weight gain on the intestinal homeostasis of broiler chickens：通过全长16S rRNA基因测序和LEfSe分析，发现α多样性指数组间无显著差异但High组数值较低，群落结构存在差异；High组Bacteroidetes丰度降低，L. aviarius_B降低，L. salivarius和Limosilactobacillus reuteri升高，Low组L. salivarius富集，提示快速增重与盲肠菌群组成和群落结构改变相关。Effect of rapid weight gain on blood metabolic profiles in broiler chickens：通过血液非靶向代谢组、OPLS-DA、随机森林及Pearson/Mantel分析，发现134个差异代谢物，其中91个上调、43个下调；High组3-pyridylacetic acid、Indaziflam、hyodeoxycholic acid和chenodeoxycholic acid升高，didehydrooxayohimban-16-carboxylate和palmitoylglycine降低；Limosilactobacillus reuteri与BMP-2负相关并与OPG正相关，L. aviarius_B与RANKL负相关并与RUNX2正相关，提示菌群和血液代谢物可能参与快速增重肉鸡胫骨发育。
讨论部分指出，快速增重超过骨系统适应能力，造成骨小梁结构破坏、矿化骨减少、软骨细胞变性和骨重塑异常；RANKL/RANK/OPG系统、BMP-2、RUNX2、VEGF和OCN改变支持骨吸收增强与成骨受抑并存；FAK/PI3K/Akt通路抑制及PLN、MYLK2、CACNA1S等肌肉相关基因改变提示骨–肌肉系统关联；菌群中Bacteroidetes减少及Lactobacillus相关物种变化可能与钙吸收、SCFA和胆汁酸代谢有关，hyodeoxycholic acid和chenodeoxycholic acid升高与胫骨发育负相关。讨论同时指出局限：多组学结果主要为相关性分析，不能建立肠道菌群、胆汁酸代谢与胫骨损伤的直接因果关系；非靶向代谢组关键代谢物仍需靶向定量验证；尚需粪菌移植、益生菌或胆汁酸干预及体外骨细胞实验进行功能验证。研究结论（译）：肉鸡快速增重增强胫骨生长板炎症反应，进而通过FAK/PI3K/Akt通路影响RANKL/RANK/OPG系统表达；重要的是，快速增重可能改变肠道菌群多样性，并与异常血液胆汁酸水平相关；这些改变可能促成快速增重相关骨健康受损。这些发现有助于提出合理管理策略以减轻肉鸡快速增重的不良影响，最终改善家禽养殖业动物福利。