日粮丁酸钠通过改善盲肠微生物群落与代谢组学抑制肉鸡腹部脂肪沉积

《Poultry Science》：Dietary sodium butyrate suppresses abdominal fat deposition by improving cecal microbiota and metabolomics in broilers

　　

脂肪沉积的分子机制对于改善肉鸡生产性能和饲料转化效率至关重要。本研究旨在探讨丁酸钠（sodium butyrate）抑制过度脂肪沉积的机制。研究人员利用高脂日粮（high-fat diet, HFD）建立肥胖鸡模型，随后进行丁酸钠补充处理以评估其对脂肪沉积的抑制效应。通过16S rDNA测序和非靶向代谢组学分析盲肠微生物群落与代谢组变化，以探索丁酸钠抑制鸡脂肪过度沉积的可能机制。结果表明，丁酸钠补充显著降低了HFD诱导的过度脂肪沉积。16S rDNA测序显示丁酸钠提高了包括拟杆菌属（Bacteroides）、梭菌目未分类属（Clostridiales unclassified）、瘤胃球菌科未分类属（Ruminococcaceae unclassified）和梭菌纲UCG-014（Clostridia UCG-014）在内的有益菌属丰度。代谢组学分析表明丁酸钠上调了肌醇（myo-inositol）并下调了花生四烯酸（arachidonic acid），鞘脂代谢通路显著下调。相关性网络分析显示拟杆菌属丰度与肌醇呈正相关，与花生四烯酸呈负相关。上述发现提示膳食丁酸钠可通过盲肠微生物群落-代谢物轴调控特定细菌菌属和关键代谢物，从而缓解HFD诱导的肉鸡腹部脂肪沉积。

本研究发表于《Poultry Science》，聚焦于肉鸡脂肪沉积调控这一畜牧业核心问题。随着遗传选育、育种技术及饲料科学的快速发展，现代肉鸡生长速度和产肉性能显著提升，但伴随而来的是脂肪沉积量大幅增加，尤其集中在腹部区域。过度腹部脂肪积累不仅导致饲料转化效率降低、屠体产量下降、繁殖性能受损，还增加了脂肪肝综合征的易感性。沉积单位脂肪所需能量约为沉积等量瘦肉的三倍，且腹部脂肪常被作为废弃物丢弃。因此，在维持高生长速率的同时降低脂肪沉积，是肉鸡产业面临的关键挑战之一。黑羽河壅鸡（Heying black chickens）作为中国本土代表性品种，对HFD诱导的腹部脂肪沉积较为敏感，为评估抗脂质生成干预措施提供了适宜模型。

短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）主要包括乙酸、丙酸和丁酸，是膳食来源碳流向宿主的主要微生物代谢产物，经H⁺依赖性或钠依赖性单羧酸转运蛋白被结肠细胞吸收。大量证据表明，SCFAs在维持肠道与代谢健康中发挥关键作用，通过肠道屏障功能、葡萄糖稳态、免疫调节及肥胖相关通路影响宿主生理。丁酸作为微生物来源SCFAs，参与脂质合成与代谢、能量代谢及细胞信号传导等多种生理过程。研究人员前期研究表明，肠道菌群失调影响鸡的脂肪生成与脂质沉积，而丁酸可能是该代谢互作中的关键调控介质，但其精确机制尚待阐明。

本研究选用42只35日龄黑羽河壅鸡，随机分为正常脂肪日粮组（NFD）、高脂日粮组（HFD）和HFD添加1 g/kg丁酸钠组（HFDB），每组14只，均为雌性以避免性别相关菌群变异，由扬州大学动物福利委员会批准（许可证号SYXK [Su] 2016-0020）。实验持续8周，期间记录体重、腹脂重、肝脏重等屠体参数，采集血清及肝脏组织、盲肠内容物样本，用于后续脂质指标检测、HE染色、16S rDNA测序和GC-MS/MS非靶向代谢组学分析。脂质指标检测采用南京建成生物工程研究所试剂盒测定血清和肝脏甘油三酯（triglyceride, TG）、总胆固醇（total cholesterol, T-CHO）、高密度脂蛋白胆固醇（high-density lipoprotein cholesterol, HDL-C）和低密度脂蛋白胆固醇（low-density lipoprotein cholesterol, LDL-C）。盲肠菌群分析采用E.Z.N.A.?粪便DNA试剂盒提取DNA，对16S rDNA基因V3/V4区进行PCR扩增，在NovaSeq PE250平台测序，使用QIIME2进行α多样性和β多样性分析，PICRUSt2预测菌群功能。代谢组学分析采用气相色谱-串联质谱（gas chromatography-tandem mass spectrometry, GC-MS/MS）技术，结合正交偏最小二乘判别分析（orthogonal projections to latent structures-discriminate analysis, OPLS-DA）筛选差异代谢物，并通过京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG）数据库和MetaboAnalyst平台进行通路富集分析。最后构建关键菌群与差异代谢物的相关性网络。

研究结果显示，丁酸钠缓解了HFD诱导的体重增加和脂肪沉积。HFD组体重显著高于NFD组，而HFDB组较HFD组显著降低；HFD组肝脏重、腹脂重、腹脂率及TG含量显著升高，血清TG、T-CHO和HDL-C水平亦然。HFDB组除血清HDL-C外，上述指标均显著降低。HE染色显示HFD组脂肪细胞直径显著大于NFD组，丁酸钠补充则显著减小脂肪细胞尺寸。

在盲肠菌群方面，HFD未显著改变α多样性，但引起群落结构重组，表现为厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）相对丰度降低，放线菌门（Actinobacteriota）和蓝藻门（Cyanobacteria）比例升高；属水平上拟杆菌属和粪杆菌属（Faecalibacterium）等优势菌减少。丁酸钠补充显著提高了Chao1、Observed Species、Shannon指数、Simpson指数和Pielou均匀度等α多样性指标，厚壁菌门和拟杆菌门丰度回升，放线菌门和蓝藻门降低；属水平上大多数菌属丰度增加，拟杆菌属和粪杆菌属分别增至11.45%和13.46%。跨组比较表明，厚壁菌门经HFD下调、经HFDB上调，放线菌门则相反；拟杆菌属、梭菌目未分类属、瘤胃球菌科未分类属和梭菌纲UCG-014未分类属均呈HFD下调、HFDB上调趋势。功能预测显示，HFD显著抑制了代谢、转运、分解代谢、免疫系统、信号分子与互作、细胞过程和信号转导相关菌群丰度，而丁酸钠补充缓解了这种抑制作用，并显著增加了聚糖生物合成与代谢及内分泌系统相关菌群。

代谢组学分析共检测629种代谢物，经质控保留539种用于分析。NFD与HFD组间鉴定出28种差异代谢物，HFD与HFDB组间鉴定出35种。HFD组肌醇、甘油等8种代谢物显著下调，邻苯二甲酸、肌苷等20种显著上调；HFDB组27种代谢物显著下调，2-酮丁酸、肌醇等8种显著上调。通路富集分析显示，NFD与HFD组间差异代谢物显著富集于ABC转运蛋白、甘油磷脂代谢、丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸代谢等8条通路；HFD与HFDB组间显著富集于丙酸代谢、不饱和脂肪酸生物合成、鞘脂代谢等12条通路。进一步的代谢通路分析确定甘油磷脂代谢为NFD与HFD组间的关键差异通路，鞘脂代谢为HFD与HFDB组间的关键差异通路，后者包含O-磷酰乙醇胺（O-Phosphorylethanolamine）和鞘氨醇（Sphinganine）两种差异代谢物。

菌群-代谢物相关性网络分析揭示了丁酸钠调控脂肪沉积的潜在机制。厚壁菌门与反式芥子酸、D-（甘油-1-磷酸）、肌醇、邻苯二甲酸等呈正相关，与乙醇酸和花生四烯酸呈负相关；放线菌门与D-（甘油-1-磷酸）和2-单油酸甘油酯正相关，与单硬脂酸甘油酯负相关。属水平上，拟杆菌属与胍基乙酸-3、单硬脂酸甘油酯、邻苯二甲酸、肌苷、D-塔罗糖-1和肌酸降解产物正相关，与3-羟基棕榈酸、N(α),N(α)-二甲基-L-组氨酸、花生四烯酸和甘氨酸-脯氨酸负相关。

讨论部分，研究人员首先确认了HFD成功诱导肥胖鸡模型的可靠性，并引用文献佐证丁酸改善HFD诱导肥胖中糖脂代谢的作用。丁酸钠显著降低血清T-CHO、TG、LDL-C水平，同时HDL-C水平较HFD组升高，这与SCFAs调控胆固醇和脂质代谢的报道一致。脂肪细胞肥大是肥胖中脂肪组织扩张的重要特征，丁酸钠补充减小了脂肪细胞直径和面积，提示其可缓解HFD诱导的脂肪细胞肥大。盲肠作为鸟类特化的发酵腔室，微生物密度和代谢活性最高，是SCFAs介导宿主-微生物互作的主要场所，分析盲肠内容物最能直接反映膳食丁酸钠调控菌群-代谢轴影响脂肪沉积的生物学机制。厚壁菌门和拟杆菌门是肠道主要菌群，HFD降低其丰度而丁酸钠补充使之回升，属水平上有益菌属的增加与多项研究中抗肥胖干预效果相符。鞘脂代谢通路的显著富集尤为关键，鞘脂类作为结构多样的两性脂质，参与细胞间相互作用、黏附、增殖、迁移和凋亡等多种细胞功能，其代谢失调与主要代谢性和心血管疾病发病相关，抑制从头鞘脂生物合成可改善肥胖相关胰岛素抵抗并影响白色脂肪组织分化。本研究中丁酸钠显著下调鞘脂代谢通路，与既往研究发现一致。

本研究存在以下局限性：20%大豆油日粮虽能有效快速诱导肥胖表型，但超出商业脂肪水平，可能诱导氧化应激，未来研究应考虑更适度的脂肪水平；分析局限于盲肠内容物，评估其他肠段可提供更全面视角；相关性数据虽强烈提示菌群-代谢轴的存在，但未进行因果验证（如粪菌移植），这应是未来研究的重要方向。

研究结论：本研究结果表明，膳食丁酸钠通过增强厚壁菌门和拟杆菌门丰度调控肠道菌群，该菌群转变改变盲肠代谢组，增加关键代谢物（如反式芥子酸、肌醇、单硬脂酸甘油酯）同时降低其他代谢物（如花生四烯酸、乙醇酸），共同缓解HFD诱导的肉鸡腹部脂肪沉积。