众所周知,对于反刍动物来说,瘤胃对机体新陈代谢、免疫和健康都很重要。瘤胃中栖息着复杂、多样和非致病的各种微生物,包括原核生物(细菌、产甲烷菌和噬菌体)和真核生物(原虫和真菌)[1]。这些微生物通过分泌胞外酶,分解纤维素和半纤维素等反刍动物不能直接利用的物质,产生挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)、菌体蛋白和B族维生素,为宿主生存提供所需要的能量和营养。同时,瘤胃作为一个天然的生物反应器,为这些微生物的生存繁殖提供了适宜条件。瘤胃上皮是宿主和微生物之间相互作用的独特场所,对宿主营养代谢、能量循环和免疫应答等起着关键作用[2]。有研究表明,瘤胃早期微生物群落组成和组织发育状况影响其后续微生物演替过程及宿主表型[3⇓-5]。因此,深入了解幼龄反刍动物瘤胃上皮发育机制,不仅有助于对瘤胃精准调控,而且对反刍动物后期生长和健康也有深远影响。幼龄反刍动物瘤胃上皮发育受饲粮类型、内分泌等多方面因素的影响。此外,瘤胃上皮发育还受瘤胃微生物与宿主之间信号交流和代谢作用的交互影响,而新生反刍动物瘤胃上皮组织发育不完善,随着日龄的增长和固体饲料采食的增加,瘤胃上皮发育逐渐成熟。这一发育过程不仅对机体有着深远影响,而且被当作一种独特的模式系统来研究微生物-代谢物-宿主基因的相互作用。沙玉柱[6]利用荧光定量PCR(qRT-PCR)和16S rRNA测序技术全面分析了冷季放牧藏绵羊瘤胃内环境变化特征,发现瘤胃微生物-VFA-宿主基因表达之间存在交互作用,瘤胃微生物群落结构的改变,会导致VFA含量、瘤胃上皮形态结构和相关基因的表达发生变化,从而揭示了藏绵羊在冷季的特殊适应性。Wu等[7]研究发现,断奶前牦牛饲喂开食料或苜蓿干草可影响瘤胃微生物-宿主之间的相互作用,进而调控断奶前牦牛瘤胃上皮发育和胰腺消化酶分泌及活性。然而,对瘤胃微生物-宿主之间的相互作用及其调节机制的研究较少,比如瘤胃微生物与瘤胃上皮之间通过哪些信号交流,这些信号物质又是如何通过影响瘤胃上皮功能基因表达、促进瘤胃上皮细胞生长并不明确。因此,本综述对瘤胃微生物与宿主互作以及其促进瘤胃上皮发育的最新研究成果进行了整理,为进一步了解瘤胃上皮发育过程中瘤胃微生物与宿主之间的关系研究提供理论依据。
1 瘤胃微生物与宿主互作
在人类胃肠道中,微生物与宿主的相互作用是明确的,因为它们对宿主的健康有着巨大的影响。但关于反刍动物瘤胃微生物-宿主相互作用的调节机制在很大程度上是未知的。深入了解幼龄反刍动物瘤胃上皮发育过程中微生物-宿主之间的相互作用,有助于以后通过早期干预手段提高反刍动物的健康水平和饲料利用率。
1.1 宿主对瘤胃微生物的影响
幼畜在出生后瘤胃微生物立即开始定植,最初由需氧和兼性厌氧微生物组成,在6~8周龄时被厌氧类群完全取代,并逐渐形成一个稳定的瘤胃群落[8-9]。在门水平,新生反刍动物瘤胃中变形菌门(Proteobacteria)是最优势菌门,其次是拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)。随着日龄的增长,拟杆菌门很快替代变形菌门成为最主要的菌门。2周龄后,瘤胃微生物群落在门水平上不再出现明显的时间变化[8,10-11],但在属水平某些细菌的相对丰度仍有变化。例如,普雷沃氏菌属(Prevotella)在犊牛2周龄时为优势菌属,而在6周龄时拟杆菌属(Bacteroides)替代普雷沃氏菌属成为优势菌属[12]。早期研究还发现,产甲烷菌在羔羊出生后2~4 d内就开始在瘤胃内定植,其丰度随着年龄的增长而提高,在出生后10~14 d达到成年反刍动物的丰度。然而,随着分子技术的发展,发现产甲烷菌在新生奶牛出生后20 min就可以检测到瘤胃内Methanobrevibacter mobile、Methanobrevibacter votae和Methanobrevibacter spp.的定植[13-14]。相比于细菌和产甲烷菌,厌氧真菌和原虫在幼龄反刍动物瘤胃的定植时间较晚[13]。例如,以Neocallimastix frontalis为主的厌氧真菌在出生后8~10 d出现,原虫在幼龄反刍动物的瘤胃中通常可在产后15 d内发现[15]。这些结果表明,宿主日龄是影响细菌群落定植的因素之一。然而,由于原虫主要依赖唾液进行传播,因此,假如新生反刍动物不与成年动物接触,瘤胃原生动物就无法建立[13]。此外,反刍动物出生后,瘤胃经历了非反刍阶段(从出生到21日龄)、过渡阶段(21~56日龄)和反刍阶段(56日龄以后)的生理变化[10]。从非反刍阶段过渡到反刍阶段的过程是微生物与瘤胃共同发育的关键阶段。在瘤胃早期发育过程中,犊牛瘤胃微生物群落的组成存在明显的异质性,瘤胃发育过程显著影响瘤胃细菌多样性。这主要是由于瘤胃的解剖结构发生了实质性的变化,随后生理功能和代谢功能发生了变化[12]。如微生物产生的VFA对瘤胃乳头的大小和形状有影响,这些瘤胃乳头状结构影响微生物的定植,因为它们为某些瘤胃微生物提供了生态位环境[16]。瘤胃微生物定植后,瘤胃与微生物群落之间的功能协同发育。然而,早期瘤胃发育过程中微生物群落的改变是否导致了宿主的功能变化,或者这些变化是否是宿主生理变化的结果,目前还没有定论,因为缺乏验证模型系统来验证它们之间的关系。最近有研究利用转录组和宏基因组测序技术探究山羊从出生到断奶瘤胃壁基因表达和瘤胃微生物之间的动态变化和相互作用,发现瘤胃的功能建立(第1~14天的免疫反应阶段和第21~56天的营养代谢阶段)和微生物群落的演替(第7~28天的细菌素生物合成阶段和第42~56天的糖酵解活性阶段)均可分为2个阶段,瘤胃的功能建立在第14~21天的转变早于微生物的转变(第28~42天)和颗粒料的引入(第25天),说明瘤胃功能建立的第一阶段可能经历了不依赖饲粮和微生物刺激的程序化过程;由于第25天后饲粮逐渐摄入,瘤胃微生物由以蛋白质水解菌为主转变为以淀粉水解菌和纤维水解菌为主;此外,宿主免疫应答功能持续调节瘤胃微生物群落的定植,对瘤胃进化的新基因抗菌能力验证结果显示β-防御素1(DEFB1)和溶菌酶1(LYZ1)这2个新基因具有特异性调控微生物群落的功能,以上结果表明瘤胃微生物群的转换是由饲粮和宿主共同调控的[17]。
越来越多的证据表明,宿主基因对瘤胃内微生物数量有重要影响[18],然而,我们目前对这种影响的程度和潜在机制的理解仍然不完整。Henderson等[19]对来自不同地理位置的742只动物瘤胃和前肠道样品采用16S rRNA基因扩增子测序发现,普雷沃氏菌属、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)、未分类毛螺菌科(unclassified Lachnospiraceae)、瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、拟杆菌目(Bacteroidales)和梭菌目(Clostridiales)在瘤胃中富集程度更高,可能代表瘤胃核心微生物群,虽然他们认为饲粮是瘤胃微生物组组成的主要驱动因素,但他们也发现了不同反刍动物中某些细菌种群的相对丰度存在一些差异,如:与牛相比,未分类韦荣球菌科(unclassified Veillonellaceae)在绵羊、鹿和骆驼中比例更丰富,这可能与瘤胃和骆驼前肠大小、解剖结构和饲养频率的差异有关,这些类群因宿主的不同而不同,从而解释了瘤胃微生物群的宿主特异性。这种微生物对宿主特异性似乎不仅局限于瘤胃细菌,而且还包括古菌和原虫在内的微生物群落中也出现过[20]。Weimer等[21]研究表明,在高效和低效荷斯坦奶牛之间全部交换瘤胃内容物后,宿主能够使瘤胃细菌群落恢复到原来的状态。同样,水牛和娟姗牛在相似的饲养条件下对微生物群进行比较,发现水牛和娟姗牛之间的细菌、原虫和古菌存在差异[22]。这表明瘤胃微生物群在一定程度上受宿主遗传的控制,而关于宿主遗传学在为特定微生物类群建立特定生态位方面的作用的机制方面的研究较少。
1.2 瘤胃微生物对宿主的影响
瘤胃微生物群一旦建立,与宿主相关的共生菌群对宿主的代谢和健康起着重要的作用[26]。大多数关于瘤胃微生物对宿主影响的研究主要以成年反刍动物为试验对象,报道了瘤胃微生物种类和丰度与饲料效率、甲烷排放、产奶量以及亚急性瘤胃酸中毒的相关性[27⇓⇓-30]。然而,关于幼龄反刍动物瘤胃发育过程中微生物对宿主影响的研究较少。在哺乳动物出生期间和出生后,瘤胃迅速定植的微生物与宿主不断地相互作用,以维持新陈代谢和健康。尽管关于早期瘤胃微生物群落定植过程的知识不断积累,但瘤胃微生物定植对反刍动物瘤胃组织发育的重要性在很大程度上是未知的。Malmuthuge等[31]通过对瘤胃微生物宏基因组测序和宿主转录组综合分析,探究犊牛从出生到6周龄瘤胃微生物组成及其对瘤胃早期发育的影响,发现普雷沃氏菌属、瘤胃球菌属、链球菌属(Streptococcus)和梭菌属(Clostridium)等菌属是瘤胃优势菌属,并与瘤胃上皮形态发育、蛋白质定位和转运等功能显著相关。此外,观察到的瘤胃中高异质性和低丰富度的产甲烷菌表明,在断奶前的犊牛瘤胃中,产甲烷菌群落正在建立但不稳定,很容易通过饲粮改变。因此,通过断奶前饲喂策略对犊牛早期瘤胃产甲烷菌的改变,可以促进微生物发酵,减少瘤胃产甲烷菌。杨斌[32]研究发现,在开食料基础上加苜蓿提高了断奶前羔羊瘤胃中丁酸弧菌属的丰度,丁酸弧菌属是瘤胃中主要的产丁酸菌,而丁酸可以促进瘤胃上皮发育。断奶后,开食料基础上加苜蓿提高未分类的梭菌目(unclassified Clostridiales)和未分类的艰难杆菌科(unclassified Mogibacteriaceae)的相对丰度,促进瘤胃纤维消化的能力,同时这2种细菌与血液中β-羟丁酸呈正相关,所以这2种细菌相对丰度增加有助于提高瘤胃功能。此外,瘤胃上皮组织附着细菌与宿主保持密切联系[33],虽然其占瘤胃微生物总数的比例不到1%,对VFA产量的贡献也很低[34],但它们是与宿主直接相互作用的微生物,在瘤胃上皮发育和免疫功能(炎症和屏障功能)中发挥作用。迄今为止,与瘤胃液体和固体相关微生物相比,瘤胃上皮微生物群落在反刍动物生理中的作用一直被低估,研究也较少。虽然推测瘤胃上皮微生物功能作用与清除氧气、尿素分解、组织更新[35]和屏障功能[29]有关,但对该群体的认识仍然非常有限。最近的研究表明,瘤胃上皮微生物比瘤胃内容物相关的群落更多样化[36]。通过Meta分析,Anderson等[37]从17个不同的研究中确定厚壁菌门(41.8%)、变形菌门(20.0%)和拟杆菌门(19.6%)为瘤胃上皮门水平核心微生物群,弯曲菌属(Campylobacter)(8.4%)、普雷沃氏菌属(6.0%)、克里斯滕森菌科R-7群(Christensenellaceae R-7 group)(5.8%)、丁酸弧菌属(5.4%)和奈瑟氏菌科(Neisseriaceae)中未培养的一个属(3.7%)为瘤胃上皮属水平核心微生物群;此外,甲烷短杆菌(Methanobrevibacter)和Methanomethylophilaceae是核心产甲烷菌。
越来越多的研究报道,瘤胃微生物群落在宿主免疫系统发育过程扮演重要角色,瘤胃微生物群落结构及代谢产物的改变影响宿主瘤胃上皮免疫调控网络。Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)基因家族是目前单胃动物中研究最为深入的一种微生物模式识别受体。它们通过与特定的共生菌配体结合,抑制消化道上皮炎症反应,进而维持消化道的免疫稳定。同时,TLR基因家族也是瘤胃上皮维持对共生菌免疫耐受的重要调控元件,它们表达量和表达活性的改变伴随着上皮细胞形态的成熟和微生物定植而发生[38]。这说明TLR基因在调节宿主免疫和定植微生物群落之间的互作方面发挥着关键作用,但目前并不了解TLR的表达水平在多大程度上对瘤胃微生物的定植模式起作用。陈战[38]研究发现,非纤维性碳水化合物引起的瘤胃微生物群落中特定共生菌数量的增加促进了瘤胃上皮TLR10信号的增强,进而抑制瘤胃上皮炎症反应,促进瘤胃上皮对其微生物群落的免疫耐受性。Chen等[29]研究表明,耐酸中毒牛与酸中毒敏感牛相比,瘤胃上皮细菌多样性不同,且耐酸中毒牛瘤胃上皮中TLR2和TLR4的表达更高,提示亚急性瘤胃酸中毒的易感性可能与上皮组织的免疫活性有关,该免疫活性是由瘤胃上皮微生物诱导的。激活的瘤胃上皮免疫系统可能会减少严重炎症恢复时对能量的需求,最终提高宿主动物的饲料效率。此外,微生物产物如脂多糖(LPS)和微生物相关分子模式(microorganism-associated molecular pattern,MAMP)可能会刺激与免疫活性相关的基因表达[39],然而,目前关于瘤胃上皮微生物的LPS和MAMP的研究较少。大多数革兰氏阴性菌的细胞膜结构崩解产生LPS,也产生MAMP,MAMP是毒力因子,包括肽聚糖、脂肽、外膜蛋白、鞭毛蛋白和细菌DNA等外膜部分。这些微生物因子可以影响肠道上皮基因表达,涉及免疫和其他代谢,如细胞增殖[39]。瘤胃上皮微生物也可产生LPS和MAMP,并与瘤胃上皮组织相互作用。因此,瘤胃上皮微生物产生哪些类型的LPS和MAMP,以及它们是否能被检测到或与瘤胃上皮组织受体相互作用,需要进一步研究。
2 瘤胃微生物与宿主互作对瘤胃上皮发育的影响
2.1 瘤胃上皮结构和功能发育
瘤胃壁从腔内到腔外依次由黏膜层、黏膜下层、肌层和浆膜层组成,其中黏膜层即瘤胃上皮是由4层细胞组成的鳞状上皮,包括角质层、颗粒层、棘层和基底层[42-43]。瘤胃上皮各细胞层结构和功能属性不同,随饲粮组成不同发生变化,以适应机体消化需求。角质层中的细胞是由颗粒层中的颗粒细胞角质化形成的,是直接接触瘤胃内容物的细胞层,其可作为一种物理屏障,阻止微生物和包括内毒素及生物胺在内的外源性有毒化合物进入瘤胃上皮,类似于肠道中的黏液层[44]。当犊牛或羔羊饲喂精料时,由于精料颗粒度小,物理刺激清除角蛋白和死亡角质层细胞能力弱,同时精料发酵产生的大量VFA引起瘤胃液pH下降,这些结果会共同导致幼畜瘤胃上皮产生坚硬的角蛋白层,形成角化不全。角化不全会使瘤胃上皮血流减慢和乳头退化,影响VFA的吸收,而添加粗饲料可以改善由精料引起的瘤胃上皮角化不全[45]。颗粒层细胞呈梭形,细胞核呈椭圆形,通过紧密连接蛋白[封闭蛋白-1(claudin-1)、闭锁小带蛋白-1(zonula occludens-1)]和间隙连接分子(如连接蛋白43)紧密连接[46]。颗粒层中形成的紧密连接允许营养物质的选择性吸收[47],同时也是第二个物理屏障,能够阻止物质以扩散方式进入瘤胃上皮。棘层细胞在颗粒层附近呈椭圆形,基底层通过桥粒与棘层连接,桥粒由柱状细胞组成,棘层细胞和基底层细胞内有许多线粒体[48]。线粒体产生的ATP是细胞内发生生化反应的能量来源[46],可为营养物质(VFA、酮类、乳酸、尿素和矿物质等)运输到血流、VFA代谢、组织形态发育、pH调节和其他全身代谢(如激素或免疫相关代谢)提供所需的能量。细胞内线粒体的密度向基底层增加,这说明能量代谢在基底层进行,并且对维持瘤胃上皮稳态具有重要作用。此外,基底层细胞体积相对较小,细胞核具有持续分裂的能力,所以基底层还担负瘤胃上皮更新与损伤修复的主要功能[49]。瘤胃上皮层的独特结构揭示了各层发育、生理和代谢过程中调控机制的复杂性。然而,由于分离每一层瘤胃上皮都比较困难,这些尚未得到很好的研究[50]。
瘤胃上皮发育始于胎儿期,而新生犊牛的瘤胃上皮没有突出的乳头[51]。犊牛出生前90 d胎儿瘤胃组织已经可以区分出黏膜、肌层和浆膜,黏膜层包括2个不同的上皮层(基底和浅表,10个细胞层),为复层立方上皮。出生后30 d的犊牛瘤胃上皮细胞层数较低(6层),结构更分化,为复层鳞状上皮[52-53]。瘤胃鳞状上皮的增殖和生长促进了瘤胃乳头长度和宽度的增长,增加了瘤胃内壁的厚度[54]。新生反刍动物仅饲喂液体饲料的犊牛瘤胃发育有限,表现为降低了瘤胃重量、乳头生长、角化程度、色素沉积和肌肉发育[55]。而固体饲料有助于瘤胃快速发育,刺激瘤胃质量、乳头生长和角化的增加[43]。在哺乳期,幼龄反刍动物瘤胃发育不全,被认为是功能性单胃动物,此时以葡萄糖作为主要能量来源。然而随着日龄的增加,幼龄反刍动物对葡萄糖的利用率降低,VFA的利用率逐渐升高[56-57]。断奶后,反刍动物以VFA作为主要能量来源和生酮前体[43]。其中,吸收的乙酸和丙酸作为主要的能量来源和前体被用于脂肪酸合成和糖异生,吸收的大部分丁酸(95%)在瘤胃上皮内代谢为乙酰乙酸和β-羟基丁酸等酮体[58]。新生反刍动物瘤胃上皮发育不健全,瘤胃上皮颗粒层细胞和基底层细胞不具备生酮功能。瘤胃上皮细胞生酮功能依靠线粒体内3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合成酶(3-hydroay-3-methylglutaryl-CoA synthase,HMGCS)(限速酶)和3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A裂解酶(3-hydroxymethyl-3-methylglutaryl-CoA lyase,HMGCL)[56,59],这2种酶的mRNA的水平在84日龄之前随日龄增加逐渐上升,之后达到成年反刍动物水平,提示瘤胃上皮代谢功能发育与日龄有关[49,56]。此外,角质层和颗粒层不含完全功能的线粒体,因此不具备生酮的能力。
2.2 瘤胃微生物-宿主在瘤胃上皮发育过程中的相互作用
刚出生的反刍动物的胃肠道是无菌的,然后来自母体和周围环境中的微生物在瘤胃中迅速定植[60],并不断地与宿主互相作用,以维持新陈代谢和健康。尽管对早期瘤胃微生物群落多样性的认识不断积累[8,11-12,61],但很少有研究探讨瘤胃微生物-宿主在瘤胃上皮发育过程中的相互作用。瘤胃上皮可以吸收微生物代谢产物,并将这些营养物质运输至机体各个组织,从而提高反刍动物的生产效率,因此瘤胃上皮的代谢贡献逐渐受到研究者的广泛关注。其中,瘤胃上皮的代谢交流主要由许多化学信息交换通道和受体等调节,它们被微生物代谢产物激活后,进一步增强了瘤胃上皮相关基因表达,从而刺激瘤胃上皮生长。同时,在此过程中存在丙酮酸代谢、氨基酸代谢、淀粉和蔗糖代谢以及氧化磷酸化等宿主和微生物相互作用的代谢轴[62]。通过这些代谢轴,实现了瘤胃微生物与瘤胃上皮的跨基因组相互作用,共同影响瘤胃上皮发育相关基因,包括单羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporter,MCT)、G蛋白偶联受体(G-protein-coupled receptor,GPR)、表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)和胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)等[51,63⇓-65]。但是,目前对于瘤胃微生物群落组成和功能的研究大多是独立的,瘤胃上皮发育相关的功能变化与微生物组成变化之间的关系尚不清楚。Lv等[66]研究藏羊瘤胃发酵-微生物-宿主基因表达互作,揭示了藏羊对青藏高原不同时期牧草的营养组成的适应性。藏羊瘤胃发酵产物、微生物区系和宿主基因表达之间的相互作用调控了瘤胃发酵途径,主要影响代谢途径中的氨基酸代谢途径和能量代谢途径,使微生物能够完全分解饲料中的纤维素,为宿主提供尽可能多的能量。同时青藏高原不同时期牧草的营养组成调节瘤胃“核心微生物群”的平衡,促进瘤胃发育,维持瘤胃环境的内稳态。发酵产物与微生物的相互作用进一步影响宿主的基因表达,导致瘤胃上皮通透性的改变,从而提高宿主的能量利用,维持瘤胃环境的稳态,这意味着藏羊在不同时期能更好地适应青藏高原恶劣的环境。Petri等[67]报道了Alkalibaculum、棍状厌氧菌属(Anaerorhabdus)、粪球菌属(Coprococcus)和Dethiobacter与参与pH调节[钠氢交换载体(sodium-hydrogen exchanger,NHE)2和NHE3]和VFA运输(MCT1)的基因表达呈正相关,提示瘤胃上皮微生物群落可能与瘤胃上皮细胞相互作用,通过改变基因表达影响瘤胃上皮功能。然而,瘤胃上皮细菌如何影响基因表达还有待进一步研究。在羔羊20~60日龄阶段补饲精料或者精料加苜蓿颗粒提高瘤胃内容物中纤维分解菌和蛋白分解菌的丰度,促进了瘤胃发酵和纤维分解,其中未分类瘤胃球菌属驱动了瘤胃上皮转录组和细胞信号代谢通路的发生,促进了瘤胃上皮的发育,可能是影响山羊羔羊瘤胃发育的重要菌属[49]。但是此研究结果是基于PICRUSt分析来预测瘤胃微生物菌属的功能,PICRUSt分析最初主要来自于对人类微生物组相关微生物基因组的广泛选择,这可能会降低反刍动物微生物组数据功能预测的准确性。目前关于瘤胃上皮基因表达谱及信号通路的变化研究主要依靠转录组测序手段,辅以qRT-PCR进行佐证[68]。Wu等[7]通过16S rRNA基因扩增子测序,确定添加开食料可提高产丁酸菌克里斯滕森菌属(Christensenella)和促丁酸产生菌Limnobacter、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、大肠杆菌志贺氏菌属(Escherichia-Shigella)、Aquabacterium、Vulcaniibacterium和Kandleria的相对丰度;进一步对瘤胃上皮细胞的转录组分析显示,细胞增殖相关生物学过程的基因表达和磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)信号通路在苜蓿干草或开食料的添加后上调,PI3K-Akt信号通路在细胞生长等许多方面起着至关重要的作用。这些结果支持了饲粮-瘤胃微生物-宿主互作促进犊牛瘤胃上皮细胞发育的潜在机制。林立梅[42]和Lin等[69]基于瘤胃微生物与宿主相互研究早期补饲开食料促进羔羊瘤胃上皮发育的机制发现,饲喂开食料的羔羊瘤胃微生物群落中,产乙酸的光冈菌属(Mitsuokella)、产丁酸的巨球形菌属(Megasphaera)、产乳酸的Sharpea和降解淀粉的内毛虫属(Entodinium)富集;对淀粉酶基因研究结果显示,饲喂开食料提高了α-淀粉酶的糖苷水解酶13家族(glycoside hydrolase family 13,GH13)的酶基因相对丰度,说明乙酸和丁酸产量增加与淀粉降解途径相关;这些瘤胃微生物驱动的乙酸和丁酸的产生介导了生长相关基因[上调丝裂原激活蛋白激酶1(MAPK1)、磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸3-激酶催化亚基β亚型(PIK3CB)、肿瘤坏死因子超家族成员10(TNFSF10)、整合素α6亚单位(ITGA6)、Snail家族转录因子2(SNAI2)、Salvador同源物1(SAV1)和Disc大同系物1(DLG1)基因的表达,下调B淋巴细胞瘤-2基因相关启动子(BAD)基因的表达]对瘤胃上皮生长相关信号通路的调控,这些共同发育网络调控上皮细胞的许多生理过程,包括乳头形态和瘤胃上皮生长,揭示了乙酸和丁酸可能是瘤胃微生物和宿主之间驱动瘤胃上皮发育的重要因素。Shen等[70]研究表明,瘤胃微生物来源的短链脂肪酸对瘤胃上皮细胞生长和代谢的影响是通过GPR和组蛋白脱乙酰基酶(histone deacetylase,HDAC)调控网络介导的。这些调控网络调节着上皮细胞的多种生理过程,尤其是生长和代谢,并在维持上皮细胞的完整性和促进动物生长方面发挥着重要作用。同时,这些调控网络是共生细菌通过调节上皮细胞生理来改善共生条件的重要机制。
此外,Liang等[71]探讨microRNA(miRNA,一组非编码的RNA)在犊牛早期胃肠道发育中的潜在调控作用,发现在微生物定植过程中miRNA可能通过响应微生物组(包括双歧杆菌或乳杆菌属)的变化(密度、组成或存在)来介导微生物-宿主的相互作用。Malmuthuge等[31]通过研究犊牛从出生到6周龄微生物-宿主相互作用调节瘤胃发育的程度和功能基础,发现瘤胃早期发育的潜在分子机制,可分为微生物驱动机制和个体发生机制;早期瘤胃微生物群落产生的VFA与宿主miRNA中涉及生长发育功能的基因模块的表达谱具有显著相关性,进一步证实了miRNAs可能在新生犊牛瘤胃早期发育过程中协调微生物-宿主的相互作用,这为微生物-宿主的相互作用调控瘤胃发育机制提供了新依据。
3 小结
综上所述,瘤胃微生物可以通过与宿主的相互作用,在瘤胃上皮发育和代谢中发挥作用。瘤胃微生物-宿主相互作用对瘤胃上皮发育的促进作用与瘤胃微生物产生的VFA有关,其可作为信号分子通过调控瘤胃上皮生长信号通路中与瘤胃上皮生长相关的基因表达,从而促进瘤胃上皮的发育。此外,miRNA也在瘤胃早期发育过程中协调微生物-宿主的相互作用。目前,对于具体调控靶点还未涉及,还需大量研究充分揭示瘤胃微生物与宿主之间的关系及其对瘤胃上皮发育的影响。
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