动物营养学报 >

2023 , Vol. 35 >Issue 6: 3902 - 3909

DOI: https://doi.org/10.12418/CJAN2023.362

研究论文

饲粮中添加谷氨酰胺对安哥拉兔肠道微生物结构的影响

  • 李玉娟 , 1, 2, 3 ,
  • 张原铭 1, 2, 3 ,
  • 张北育 1, 2, 3 ,
  • 李福昌 , 1, 2, 3, * ,
  • 刘磊 , 1, 2, 3, *
展开
  • 1 山东农业大学动物科技学院,泰安 271018
  • 2 农业农村部非粮食饲料资源高效利用重点实验室(部省共建), 泰安 271018
  • 3 山东省动物生物技术与疾病预防控制重点实验室,泰安 271018
*李福昌,教授,博士生导师,E-mail: ;
刘 磊,副教授,硕士生导师,E-mail:

李玉娟(1998—),女,河北衡水人,硕士,从事家兔营养与代谢研究。E-mail:

收稿日期: 2022-10-26

  网络出版日期: 2023-06-08

基金资助

山东省特种经济动物产业技术体系(SDAIT-21-16)

国家兔产业技术体系(CARS-43-B-1)

收起

Effects of Glutamine Supplementation in Diet on Intestinal Microbiota Structure of Angora Rabbits

  • LI Yujuan , 1, 2, 3 ,
  • ZHANG Yuanming 1, 2, 3 ,
  • ZHANG Beiyu 1, 2, 3 ,
  • LI Fuchang , 1, 2, 3, * ,
  • LIU Lei , 1, 2, 3, *
Expand
  • 1 College of Animal Science and Technology, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China
  • 2 Key Laboratory of Efficient Utilization of Non-Grain Feed Resources (Co-Construction by Ministry and Province), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Tai’an 271018, China
  • 3 Shandong Provincial Key Laboratory of Animal Biotechnology and Disease Control and Prevention, Tai’an 271018, China
*LI Fuchang, professor, E-mail: ;
LIU Lei, associate professor, E-mail:

Received date: 2022-10-26

  Online published: 2023-06-08

Fold

摘要

为探究谷氨酰胺对安哥拉兔肠道菌群结构和多样性的影响,本试验选取8月龄体重、产毛量相近的安哥拉兔12只,随机分为2组,每组6个重复,每个重复1只兔。对照组饲喂基础饲粮,谷氨酰胺组在基础饲粮中添加0.9%谷氨酰胺,饲喂1个剪毛周期后,采集各试验兔新鲜粪便样品,采用Illumina MiSeq测序平台进行肠道菌群16S RNA高通量测序分析。结果表明:与对照组相比,饲粮中添加0.9%谷氨酰胺后,安哥拉兔肠道菌的Chao指数、Shannon指数显著提高(P<0.05)。在门水平上,家兔肠道中优势菌门为厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、髌骨细菌门(Patescibacteria)和放线菌门(Actinobacteria);与对照组相比,饲粮中添加谷氨酰胺能显著降低厚壁菌门的相对丰度(P<0.05)。在属水平上,家兔肠道内优势菌属为g_norank_f_Muribaculaceae、瘤胃球菌属(Ruminococcus)和瘤胃球菌科NK4A214群(Ruminococcaceae_NK4A214_group);与对照组相比,饲粮中添加谷氨酰胺显著降低瘤胃球菌属、梭菌属UCG-014(Clostridia_UCG-014)相对丰度(P<0.05),显著提高果胶降解菌属(Monoglobus)相对丰度(P<0.05)。由此可见,饲粮中添加谷氨酰胺可改善肠道微生物区系丰度,降低有害菌数量,提高了肠道的健康水平。

关键词： 谷氨酰胺; 安哥拉兔; 肠道菌群

本文引用格式

李玉娟 , 张原铭 , 张北育 , 李福昌 , 刘磊 . 饲粮中添加谷氨酰胺对安哥拉兔肠道微生物结构的影响[J]. 动物营养学报, 2023 , 35(6) : 3902 -3909 . DOI: 10.12418/CJAN2023.362

Abstract

To explore the effects of glutamine on intestinal flora structure and diversity of Angora rabbits, 12 eight-month-old Angora rabbits with similar body weight and hair production were selected and randomly divided into 2 groups with 6 replicates per group and 1 rabbit per replicate. Rabbits in the control group were fed a basal diet, and rabbits in the glutamine group were fed the basal diet supplemented with 0.9% glutamine and fed one shearing cycle. Fresh fecal samples of rabbits were collected, respectively, and 16S RNA high-throughput sequencing analysis of intestinal flora was performed by Illumina MiSeq sequencing platform. The results showed as follows: compared with control group, the Chao index and Shannon index of intestinal bacteria of Angora rabbits were significantly increased after dietary supplementation of 0.9% glutamine (P<0.05). At the phylum level, the dominant bacteria in rabbit intestine were Firmicutes, Bacteroides, Patescibacteria and Actinobacteria; compared with control group, dietary glutamine could reduce the relative abundance of Firmicutes (P<0.05). At the genus level, the dominant bacteria in the intestine of rabbits were g_norank_f_Muribaculaceae, Ruminococcus and Ruminococcaceae_NK4A214_group; compared with control group, the relative abundance of Ruminococcus and Clostridia_UCG-014 decreased significantly, and the relative abundance of Monoglobus increased significantly (P<0.05). It can be seen that glutamine can improve intestinal microflora and abundance, reduce the number of harmful bacteria, and improve intestinal health.

Key words： glutamine; Angora rabbits; intestinal flora

家兔肠道中定居着大量微生物,其与家兔互利共生,与机体的健康存在密切的关系[1]。食草动物依赖肠道微生物将植物类食物中的物质转化为可吸收的营养物质,因此肠道微生物对食草类哺乳动物十分重要[2]。肠道微生物包含细菌、真菌、古细菌、原生动物及病毒。这些微生物与宿主相互作用,影响宿主的生理和健康[3]。肠道微生物的种类及丰富度在不同品种或同一品种不同生产性能的个体中都有所不同。肠道微生物区系主要包含厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、梭杆菌门和疣微菌门等,其中厚壁菌门和拟杆菌门相对丰度较高,变形菌门、放线菌门、梭杆菌门和疣微菌门相对丰度较低[4]。Medelin等[5]发现,肠道内微生物的某单一菌群的增加与机体某些特定的健康结果存在关联。在小肠营养中,谷氨酰胺能够促进肠上皮细胞的修复,防止绒毛萎缩,减轻肠黏膜损伤,维持小肠黏膜的正常形态[6]。在家兔上的研究表明,添加1%谷氨酰胺可抑制肠道梭菌和螺杆菌的增殖,降低产气荚膜杆菌的数量,从而提高肉兔成活率[7-8]。饲粮中添加0.8%谷氨酰胺促进断奶肉兔肠道发育[9]。本课题组前期饲养试验研究了不同剂量的谷氨酰胺对安哥拉兔产毛性能的影响,发现饲粮中添加0.9%谷氨酰胺可显著提高安哥拉兔的产毛性能[10]。在此基础上,本试验旨在检测饲喂添加0.9%谷氨酰胺饲粮的安哥拉兔肠道微生物的组成及多样性,进一步研究饲粮中添加谷氨酰胺对安哥拉兔肠道健康的影响,为谷氨酰胺在安哥拉兔养殖中的应用提供理论依据及参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

选取初始体重相近的安哥拉兔12只,随机分为2组,每组6只(每组6个重复,每个重复1只兔)。对照组饲喂基础饲粮(消化能10.82 MJ/kg,粗蛋白质含量18.76%),谷氨酰胺组在基础饲粮中添加0.9%的谷氨酰胺。基础饲粮组成及营养水平见本课题组前期试验[10]。试验于2021年4月开始至2021年7月结束,其中预试期3 d,正试期65 d。饲养期间,所有兔单笼饲养,自由饮水,常规免疫接种,兔舍自然采光和通风,定期对兔舍进行消毒。试验结束后,采集各试验兔新鲜粪便样品进一步检测分析。

1.2 样品采集

于试验结束当天08:00清理所有试验兔粪便,并放入无菌托盘,6 h后各试验兔采集50 g左右新鲜粪便样品置于无菌冻存管内,液氮中保存,并于采样结束后-80 ℃保存。

1.3 指标测定

将采集到的新鲜粪便样品进行DNA抽提,然后利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA的完整性,并使用紫外分光光度计进行质量和浓度的测定。选取合格的样品对16S RNA基因V3~V4可变区通用引物338F和806R扩增16S RNA基因,然后使用2%琼脂糖凝胶电泳检测,合格后由上海美吉生物医药科技有限公司进行测序分析。

1.4 数据处理与分析

本试验所用到的数据分析软件及算法参照上海美吉生物医药科技有限公司官网说明进行处理分析。显著性分析在美吉生信云云平台上选用Student T检验分析(https://cloud.majorbio.com),其中P<0.05时差异显著。

2 结果与分析

2.1 测序基本结果

由表1可知,本次分析共得到有效序列370 717条,平均长度409~418 bp,其中包括16个门,24个纲,60个目,101个科,223个属,385个种和1 282个操作分类单元(OTUs)。经筛选后,基础饲粮组和谷氨酰胺组各得到193 124和177 593条高质量序列。
表1 样品序列表

Table 1 Sample sequence listing

样品
Sample		 序列数
Sequence number/条		 序列长度
Sequence length/bp		 有效序列数
Effective sequence number/条		 有效比例
Effective ratio/%
B1 40 575 410.86 26 355 64.95
B2 46 960 410.88 30 327 64.58
B3 47 387 409.83 30 749 64.89
B4 49 738 411.21 32 615 65.57
B5 52 800 410.56 40 100 75.95
B6 46 356 409.12 32 978 71.14
M1 41 079 413.08 28 092 68.39
M2 39 166 412.39 31 207 79.68
M3 30 442 412.34 29 004 95.28
M4 38 760 410.51 27 022 69.72
M5 42 683 417.81 31 509 73.82
M6 46 736 411.87 30 759 65.81

B1~B6为对照组样品;M1~M6为谷氨酰胺组样品。

B1-B6 were control samples; M1-M6 were Gln group samples.

稀释曲线可以用来比较测序数量不同的样本物种丰富度,也可说明样本的取样是否合理。通过绘制稀释曲线,统计feature的丰富程度。由图1可知,各组的稀释曲线均趋于平缓,说明该测序深度包含了样品中绝大多数细菌类型,表明测序量合理,稀释曲线可反映安哥拉兔肠道菌群中微生物的大部分真实信息,可以用来研究细菌的群落结构。
图1 安哥拉兔肠道菌群稀释曲线

B:基础饲粮组;M:谷氨酰胺组。下图同。

横坐标代表随机抽取的序列数量,纵坐标代表可观测到的feature数量。

Fig.1 Rarefaction curve of intestinal flora of Angora rabbits

B: basic diet group; M: Gln group. The same as below.

X-axis represents number of randomly selected sequences, and Y-axis represents number of observable features.

2.2 Alpha多样性分析

由表2可知,与对照组相比,谷氨酰胺组Sob指数、Ace指数、Chao指数均显著提高(P<0.05),表明谷氨酰胺饲粮提高了肠道微生物菌群的丰富度;Shannon指数显著提高(P<0.05),表明谷氨酰胺饲粮提高了肠道微生物群落的多样性。
表2 饲粮中添加谷氨酰胺对安哥拉兔肠道菌群多样性的影响

Table 2 Effects of Gln supplementation in diet on intestinal flora diversity of Angora rabbits

项目
Items		 对照组
Control group		 谷氨酰胺组
Gln group		 P值
P-value
Sobs指数 Sobs index 10.33±1.03b 11.66±1.03a 0.049 3
Shannon指数 Shannon index 0.82±0.04b 1.11±0.18a 0.004 0
Ace指数 Ace index 5.52±6.15 8.20±6.40 0.476 4
Chao指数 Chao index 10.33±1.03b 11.66±1.03a 0.049 3
覆盖度 Coverage 1.00±1.22 1.00±1.80 0.226 2

同行数据肩标不同字母表示差异显著(P<0.05)。下表同。

In the same row, values with different letter superscripts mean significant difference (P<0.05). The same as below.

2.3 Beta多样性分析

由图2可知,主成分1(PC1)可以解释全部微生物菌群菌落的24.03%,主成分2(PC2)可以解释全部微生物菌群菌落的58.62%,两者共可以解释全部微生物菌群菌落的82.65%。谷氨酰胺组样品和基础饲粮组样品分布较远,可说明谷氨酰胺对安哥拉兔微生物群落有较显著的影响。
图2 安哥拉兔肠道菌群主成分分析

Fig.2 Principal component analysis of intestinal flora of Angora rabbits

2.4 Venn图分析

Venn图可以反映各组间样品的相似性及重叠度。由图3可知,对照组包含1 109个OTUs,谷氨酰胺组包含1 115个OTUs。2组共有942个OTUs,对照组特有167个OTUs,占对照组总数的15.06%,谷氨酰胺组特有173个OTUs,占谷氨酰胺组总数的15.52%。
图3 安哥拉兔肠道菌群Venn图

Fig.3 Venn chart of intestinal flora of Angora rabbits

2.5 谷氨酰胺对安哥拉兔肠道微生物群落组成的影响

门水平下以微生物相对丰度高于1%作为各组的优势菌门进行分析。表3为门水平下群落的具体相对丰度,图4反映的是门水平下各组间群落分布情况。饲粮中添加谷氨酰胺后,兔肠道微生物相对丰度依次为厚壁菌门(51.20%)、拟杆菌门(27.86%)、髌骨细菌门(6.15%)、放线菌门(6.78%)、变形菌门(5.38%)和疣微菌门(1.10%)。与对照组相比,饲粮中添加谷氨酰胺后兔肠道中厚壁菌门的相对丰度显著降低(P<0.05),对拟杆菌门、髌骨细菌门、放线菌门、变形菌门和疣微菌门的相对丰度无显著影响(P>0.05)。
表3 门水平肠道菌群菌落组成

Table 3 Colony composition of intestinal flora at phylum level%

项目
Items		 对照组
Control group		 谷氨酰胺
Gln group		 P值
P-value
厚壁菌门 Firmicutes 69.23±5.07a 51.20±12.66b 0.008 9
拟杆菌门 Bacteroidetes 26.23±5.60 27.86±11.66 0.763 9
髌骨细菌门 Patescibacteria 1.56±0.81 6.15±5.65 0.077 0
放线菌门 Actinobacteria 0.37±0.18 6.78±15.10 0.322 9
变形菌门 Proteobacteria 0.46±0.29 5.38±10.95 0.297 6
疣微菌门 Verrucomicrobia 0.83±0.72 1.10±0.88 0.573 2
图4 门水平下不同组物种相对丰度

Firmicutes:厚壁菌门;Bacteroidetes:拟杆菌门;Patescibacteria:髌骨细菌门;Actinobacteria:放线菌门;Proteobacteria:变形菌门;Verrucomicrobia:疣微菌门;Others:其他。

Fig.4 Relative abundance of species in different groups at phylum level

属水平上将相对丰度大于1%作为各组的优势菌属。表4为属水平下群落的具体相对丰度,图5反映的是属水平下各组间群落分布情况。在属水平上,饲粮中添加谷氨酰胺后,群落中前10的菌群依次为g_norank_f_ Muribaculacea(21.97%)、瘤胃球菌科NK4A214群(7.00%)、未分类毛螺菌科(5.71%)、瘤胃球菌属(4.03%)、梭菌属UCG-014(3.53%)、克里斯滕森菌科R-7群(3.42%)、毛螺菌科NK4A136群(2.44%)、瘤胃球菌科V9D2013群(1.88%)、梭菌属UCG-014(0.57%)、不动杆菌属(1.64%),其中瘤胃球菌属、梭菌属UCG-014相对丰度显著降低(P<0.05),果胶降解菌属相对丰度显著提高(P<0.05)。
表4 属水平肠道菌群菌落组成

Table 4 Colony composition of intestinal flora at genus level%

项目
Items		 对照组
Control group		 谷氨酰胺组
Gln group		 P值
P-value
g_norank_f_Muribaculaceae 21.22±6.63 21.97±9.90 0.881 0
瘤胃球菌属 Ruminococcus 12.16±2.03a 4.03±3.50b 0.000 6
瘤胃球菌科NK4A214群 Ruminococcaceae_NK4A214_group 6.19±2.30 7.00±3.21 0.624 0
未分类毛螺菌科Unclassified_f_Lachnospiraceae 6.27±1.24 5.71±1.57 0.509 2
梭菌属UCG-014 Clostridia_UCG-014 7.62±0.99a 3.53±3.75b 0.027 3
毛螺菌科NK4A136群Lachnospiraceae_NK4A136_group 5.86±2.20 2.44±3.65 0.077 3
候选糖化假丝酵母菌属 Candidatus_Saccharimonas 1.56±0.81 6.15±5.65 0.077 0
双歧杆菌属 Bifidobacterium 0.06±0.14 0.03±0.04 0.343 3
克里斯滕森菌科R-7群Christensenellaceae_R-7_group 2.75±0.33 3.24±1.31 0.395 5
果胶降解菌属 Monoglobus 1.69±0.83b 4.06±1.98a 0.022 1
瘤胃球菌科V9D2013群 Ruminococcaceae_V9D2013_group 3.01±1.30 1.88±1.94 0.264 1
不动杆菌属 Acinetobacter 0.00±0.01 0.37±0.47 0.297 0
图5 属水平下不同组物种相对丰度

norank_f_Muribaculaceae:属于拟杆菌门;Ruminococcus:瘤胃球菌属;NK4A214_group:NK4A214群;unclassified_f_Lachnospiraceae:未分类毛螺菌科;norank_f_norank_o_Clostridia_UCG-014:梭菌属UCG-014;Lachnospiraceae_NK4A136_group:毛螺菌科NK4A136群;Candidatus_Saccharimonas:候选糖化假丝酵母菌属;Bifidobacterium:双歧杆菌属;Christensenellaceae_R-7_group:克里斯滕森菌科R-7群:Monoglobus:果胶降解菌属;V9D2013_group:V9D2013群;Acinetobacter:不动杆菌属;Alistipes:另枝菌属;Bacteroides:拟杆菌属;unclassified_f_Ruminococcaceae未分类瘤胃球菌科;norank_ f_ norank_O_Clostridia_vadinBB60_group:梭菌属vadinBB60群;Eubacterium_siraeum_group真杆菌科siraeum群;Phascolarctobacterium:考拉杆菌属;norank_ f_ Eubacteriaceae:未分类真杆菌科;Akkermansia:阿克曼氏菌属;Subdoligranulum:罕见小球菌属;norank_ f_ Eubacterium_ coprostanoligenes_ group:真杆菌科coprostanoligenes群;Others:其他。

Fig.5 Relative abundance of species in different groups at genus level

3 讨论

肠道微生物以一定的比例存在于肠道中,相互依赖,共同维持肠道的平衡[11]。本试验添加谷氨酰胺后安哥拉兔肠道菌群的丰富度和多样性得到提高,并且通过Beta分析可得,基础饲粮组和谷氨酰胺组肠道微生物群落有较大差异。在Venn图中发现谷氨酰胺组特定OTUs数占总OTUs数的15.52%,多于对照组的15.06%。这也表明饲粮中添加谷氨酰胺能够提高安哥拉兔肠道菌群的群落丰富度。在肠道微生物中,厚壁菌门主要代表菌科为瘤胃球菌科、毛螺菌科等;主要代表属为芽孢杆菌属、梭菌属、瘤胃球菌属、乳杆菌属等[12]。瘤胃球菌属能够促进宿主对纤维饲料的分解,并促进宿主从中获取能量[13]。拟杆菌门可降解碳水化合物,合成多种单链脂肪酸[14]。拟杆菌门和厚壁菌门的比例会影响机体吸收养分的能力。有研究表明,机体过度肥胖时厚壁菌门相对丰度提高,拟杆菌门相对丰度降低[15-16]。此外,厚壁菌门与拟杆菌门比例的改变能够抑制有害菌的生长,维持肠道菌群结构的稳定。本试验中,2组样品中相对丰度最高的微生物均为厚壁菌门和拟杆菌门,饲粮中添加谷氨酰胺后,肠道微生物中厚壁菌门相对丰度降低,拟杆菌门相对丰度提高,提示添加谷氨酰胺后可能会提高机体对碳水化合物的降解,促进多种单链脂肪酸的生成。本试验结果与先前研究结果相一致。小鼠饮食补充14 d谷氨酰胺后厚壁菌门相对丰度下降,并导致厚壁菌和放线菌的比例发生改变[17]。谷氨酰胺可降低大鼠肠道内大肠杆菌相对丰度,增加双歧杆菌和乳酸杆菌相对丰度,减少内毒素含量[18-19]。本试验中,饲粮添加谷氨酰胺提高了安哥拉兔肠道微生物的多样性,使得肠道微生物的种类更丰富。
在属水平上,饲粮中添加谷氨酰胺对瘤胃球菌属、梭菌属UCG-014、毛螺菌属NK4A136群的相对丰度具有抑制作用,表明谷氨酰胺有抑制家兔体内球菌和梭菌的作用。同时饲粮中添加谷氨酰胺能提高果胶降解菌属相对丰度,有利于肠道内果胶等胶黏物质的降解。由此可见,谷氨酰胺的添加提高了有益菌属的相对丰度,降低了相对有害菌属的相对丰度,对于机体抵抗炎症具有潜在的提高作用,提高了机体的肠道健康水平。本课题组前期生产性能试验中,谷氨酰胺添加水平为0.9%时,产毛性能最佳[10],推测可能是谷氨酰胺除了影响毛囊密度外,还调整了安哥拉兔肠道微生物菌群结构,进一步影响了营养物质的吸收,从而促进了生产性能的提高。

4 结论

安哥拉兔肠道的优势菌门为厚壁菌门和拟杆菌门,饲粮中添加0.9%的谷氨酰胺能提高安哥拉兔肠道菌群的丰富度和多样性,提高有益菌属的相对丰度,对抵抗肠道炎症具有潜在作用。

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