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2019-05-27浏览量:1323

『公海赌船网址成果展』饮食L-色氨酸调节断奶仔猪肠道微生物群的结构和功能成分

导读

哺乳动物的后肠具有复杂的菌群结构,在营养、生理和免疫过程中起着重要作用,并对肠道健康产生深远影响。大量证据表明,饮食是调节肠道微生物组成和多样性、调节免疫反应以及代谢的关键因素,对宿主有积极的作用。有趣的是,Trp由于在调节宿主生理学、代谢和免疫方面的功能作用而引起了越来越多的关注。然而,通过添加Trp来改变肠道微生物群的方式在很大程度上仍是未知的。在本研究发现,断奶仔猪饮食中添加Trp可改变肠道微生物组成和多样性,改善肠黏膜屏障功能,激活AhR信号传导以及下调炎症细胞因子在大肠中的表达。表明在营养、微生物代谢和粘膜免疫方面,饮食Trp与肠道之间存在相互作用。

 

文献ID

题目:Dietary L-Tryptophan Modulates the Structural and Functional Composition of the Intestinal Microbiome in Weaned Piglets

译名:饮食L-色氨酸调节断奶仔猪肠道微生物群的结构和功能成分

发表期刊:Frontiers in Microbiology

发表时间:2018.8   IF:4.019

第一作者:梁海威

通讯作者:武振龙

通讯单位:中国农业大学动物营养国家重点实验室

 

材料与方法

  

实验设计

126头断奶仔猪,随机分为三组(Ctrl、0.2%Trp、0.4%Trp),每组6个猪圈,每个猪圈7头小猪,饲喂玉米和豆粕的日粮,并分别添加0、0.2%、0.4%Trp,持续4周。

本研究中所有仔猪在24天龄时断奶,断奶的第一天记录为实验期的第0天。在为期28天的试验结束时,24头小猪(每组8头)处死。收集组织和大肠内容物,置于液氮中,保存于-80℃。

 

测序区域及平台

16S rDNA V3-V4区,Illumina 平台

 

研究成果

1、断奶仔猪盲肠中添加或不添加Trp的微生物群组成

在属水平上,与对照组相比,饮食中添加0.2%Trp的仔猪盲肠中PrevotellaRoseburiaSuccinivibrio相对丰度增加。添加0.4%Trp的仔猪盲肠中Clostridium sensu strictoClostridium XI和Lactobacillus的相对丰度降低。Prevotella是盲肠微生物的优势菌群,其次是AlloprevotellaClostridium XlVa和Roseburia(图1)。

 

图1 盲肠中属水平菌群的相对丰度

 

2、大肠微生物群落多样性的变化

未加权unifrac距离的PCoA显示,0.2%Trp组形成一个明显的聚类,并沿第一主坐标与对照组和0.4%Trp组显著分离(p<0.05)(图2a)。PCA分析也表明,添加不同浓度Trp饮食的仔猪大肠微生物存在显著差异(图2b)。

LEfSe分析共鉴定出28个组间显著差异OTU,其中门水平1个、纲水平4个、目水平5个、科水平6个和属水平12个。在属水平显著差异OTU中,AnaerotruncusTreponema是0.2%Trp组中丰度最高的两种菌,而在0.4%Trp组中,SuccinivibrioTissierella是丰度最高的两种菌(图2c)。属水平Top12物种热图显示,0.2%Trp组Treponema的丰度分别是对照组和0.4%Trp组的25倍和3.7倍(图2d)。

 

图2 Trp添加对大肠微生物多样性的影响

 

3、大肠微生物群代谢途径预测分析

为研究肠道微生物群对宿主代谢的影响,对代谢途径进行了相关预测分析。共有11个基于环境、细胞过程、代谢和遗传信息处理的途径受到饮食Trp的显著影响,其中包括丰度显著较高的吲哚生物碱生物合成、Trp代谢和mTOR信号通路。

 

4、大肠中SCFAs、3-吲哚乙酸和吲哚的生成

为探讨添加Trp后肠道微生物群的变化是否影响SCFAs的产生,对后肠内容物的SCFAs进行检测,结果表明,饮食中添加Trp促进了SCFAs和Trp代谢产物(IAA和吲哚)的生成(图3a-d)。

已有研究表明PrevotellaRoseburia能够产生SCFAs,添加Trp可增加PrevotellaRoseburia的相对丰度,从而提高SCFAs的浓度。

已报道一些类型的肠道细菌,可以将Trp代谢成IAA、吲哚和其它代谢物,本研究显示在添加Trp的断奶猪中,盲肠和结肠中IAA和吲哚含量升高,且Trp产生菌的数量增加,考虑到猪肠道上皮细胞不会降解Trp,表明吲哚和IAA的产生主要是Trp诱导肠道微生物群改变所引起。

 

图3 饮食中Trp添加可促进断奶猪后肠中SCFAs和Trp代谢产物的产生

 

5、AhR激活与免疫反应

据报道,IAA和吲哚含量增加是导致AhR活化的内源性配体。因此,采用实时定量PCR,测定盲肠和结肠组织中AhR和下游靶点,包括CYP1A1、CYP1B1和各种免疫细胞因子的mRNA表达(图4a-d)。结果显示,饮食中添加Trp会激活AhR和下游CYP1A1基因,适度诱导CYP1B1基因表达。这表明吲哚、IAA、色胺和3-吲哚硫酸盐可以激活人CaCo-2细胞中的AhR信号,参与抗炎反应。总的来说,Trp的添加诱导盲肠和结肠的AhR激活,增强仔猪后肠的CYP1A1的mRNA水平,降低盲肠中TNF-α和IL-8的mRNA水平。

 

图4 饮食中Trp添加对断奶仔猪盲肠和结肠的AhR激活和免疫反应有影响

 

6、大肠微生物群代谢途径预测分析

为了确定微生物群的组成和多样性的变化是否影响肠道粘膜屏障的完整性,对断奶仔猪结肠组织中紧密连接蛋白的蛋白质丰度进行了Western blot分析。结果表明,与对照组相比,添加0.2%Trp的饮食可提高ZO-1和阻塞蛋白的丰度(P<0.05)。

 

研究结论

本研究以仔猪为动物模型,证明4周的饮食Trp添加可以改变肠道微生物群,增加肠道紧密连接蛋白的含量。Trp的有益作用与微生物区系的增加和随后AhR信号的激活有关。Trp或其代谢产物对肠道微生物群的调节可能是改善人类和动物肠道健康的一种新策略。

 

亮点

本研究首次以仔猪作为动物模型,探讨饮食添加Trp对肠道菌群及代谢物的影响作用,在很大程度上填补了目前在饮食Trp与肠道菌群和代谢研究方面的空缺。Trp或其代谢产物对肠道菌群的修饰可能是改善人类和动物肠道健康的一种新策略。

 

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