肉品质主要由肉的感官性状和营养价值构成,包括pH、嫩度、肉色、系水力和风味等指标[1]。然而,品种、饲养管理和环境等诸多因子会影响畜禽肉品质。热应激是我国南方地区主要的环境应激源,会降低畜禽生产性能,严重影响肉品质。研究表明,热应激会损害肌肉的嫩度及持水力,乳酸过度积累使pH骤降,从而引起肌浆蛋白变性,容易发生PSE(pale,soft and exudative)肉[2]。肠道菌群是动物消化道内丰富的微生物集合,能够参与调控宿主的新陈代谢、免疫和消化吸收等功能[3]。维持肠道菌群稳定对机体健康具有重要意义,已有研究证明热应激会改变肠道菌群的结构[4]。Wen等[5]发现,高温会破坏小鼠肠道菌群的稳态并改变肠道代谢物组成。胆汁酸是胆汁的关键组成部分,在肝脏由胆固醇合成,能够帮助消化脂肪和脂溶性物质以及作为信号分子调控机体代谢[6]。研究发现,胆汁酸通过“肠肝循环”与肠道微生物紧密联系,并发现胆汁酸抑制肠道致病菌对维持动物肠道和肝脏内环境稳定具有重大意义[7]。近年来,国内外对“肠道菌群-胆汁酸”轴的研究较多,主要集中在人类疾病治疗上,如糖尿病、癌症、肥胖症等,但在畜禽热应激方面的应用研究很少。另外,在有关热应激的研究中发现,通过添加益生菌平衡肠道菌群或者补充外源性胆汁酸均能在一定范围内起到缓解热应激的效果[8-9]。肠道菌群-胆汁酸互作可能直接参与机体抵抗热应激,本文将系统阐述热应激对肉品质的影响、肠道菌群和胆汁酸互作以及“肠道菌群-胆汁酸”轴与热应激的关系,期望通过分析热应激畜禽的“肠道菌群-胆汁酸”轴探讨改善热应激降低肉品质的有效措施和可能机制,为解决热应激降低畜禽肉品质这一问题提供参考。
1 热应激对畜禽肉品质的影响
1.1 畜禽肉品质的评价指标
肉品质是用以描述畜禽肉类整体特征的指标,主要包括肌肉的理化特性及营养价值,可以通过测定肌肉pH、肉色、剪切力、系水力等常规指标判定其好坏[10]。肉色是最直观的判定指标,包括亮度(L*)、黄度(b*)和红度(a*),肉色鲜红能提高消费者的购买欲望。肉色由肌肉中所含有的肌红蛋白、血液中的血红蛋白和细胞色素等有色物质的种类和含量控制。嫩度直接影响食用口感,肌肉的剪切力越小,嫩度越好。肌内脂肪含量高、肌束细、结缔组织越少,肌肉越嫩。系水力是畜禽屠宰后肌肉保持原来水分的能力,含水量会影响肉的嫩度和多汁性。肌细胞和蛋白质空间结构被破坏时肌肉的水分流失,同时可溶性营养物质也会被带走[11]。肉的pH也属于肉品质的重要指标之一,畜禽在屠宰后肌糖原酵解,乳酸堆积导致肌肉pH有所下降。而过低的pH会破坏肌肉中蛋白质构象中的离子键,引起蛋白质变性。风味是肌肉在加热后,所含蛋白质、脂质、碳水化合物等成分经过一系列化学反应形成了挥发性气味物质和呈味物质[12]。总之,优质肉类富含营养,色泽鲜亮、系水力强、嫩度适中且风味前体物质丰富。
1.2 热应激降低畜禽肉品质
畜禽的肉品质容易受到各种应激因素的影响,高温是最主要的威胁之一。热应激是指外界温度超过畜禽耐受的温度上限,机体产生了一系列非特异性免疫反应。热应激能够影响畜禽的肉色,在一定程度上降低肌肉的pH、系水力和嫩度。研究发现,热应激会显著降低肉鸡胸肌含水量,并加剧肌肉损伤,表现为硫代巴比妥酸反应物质含量增加和肌原纤维碎裂指数降低[13]。在爱拔益加(AA)肉鸡的研究中发现,慢性热应激使胸大肌的pH、a*、弹性、嫩度和系水力显著降低,并且影响了肌肉纤维密度和结缔组织含量[14]。热应激还会降低肌肉的营养价值,促进肉鸡的肌肉萎缩以及肌肉蛋白质分解[15]。在湖羊遭受热应激后,背最长肌的肉色、系水力和pH均发生变化[16]。伊比利亚猪遭受热应激后,腰最长肌和臀中肌的肌内脂肪含量增高,肌肉颜色加深[17]。然而,也有部分研究发现,热应激对某些畜禽的肉品质没有显著影响,比如热应激对公羔羊的主要胴体性状和肉品质影响不大,这可能与品种差异有关[18]。
此外,畜禽肉品质与肌纤维类型组成密切相关。骨骼肌的肌纤维是一种多核细胞,因肌球蛋白重链(myosin heavy chain,MyHC)基因的差异表达而分成MyHC Ⅰ、Ⅱa、Ⅱx和Ⅱb 4种类型,具有不同的结构、功能和代谢特征[19]。根据肌纤维的收缩和代谢,这4种类型的肌纤维分别对应慢速氧化型、快速氧化糖酵解型、中间型和快速糖酵解型。畜禽屠宰后,肌肉pH下降和PSE肉的发生均与糖酵解能力相关,Ⅰ型肌纤维所占比例高时,肉品质更好[20]。而在不同条件下,肌纤维类型能够互相转变“Ⅰ型、Ⅱa型、Ⅱx型、Ⅱb型”,以适应外界环境。研究表明,热应激能够影响湖羊背最长肌的肌纤维组成,MyHC Ⅱb基因表达被上调,同时MyHC Ⅱa和MyHC Ⅱx基因表达被下调[16]。Lu等[21]以湖羊肌原细胞建立体外热应激模型,发现热应激能够影响骨骼肌发育,通过损害线粒体功能、促进细胞自噬、抑制细胞增殖和分化等途径促进细胞凋亡。由上述研究结果可知,热应激可能通过改变肌肉中关键基因的表达水平来影响肉品质。
2 “肠道菌群-胆汁酸”轴和热应激的关系
2.1 肠道菌群与热应激
肠道菌群是在动物肠道内寄居的数量庞大、种类丰富的微生物群落,能够影响宿主的肠道健康。肠道菌群的稳态对维持肠道健康有重要意义,而环境温度会影响肠道菌群的构成,热应激会破坏动物肠道菌群的平衡,包括肠道菌群的数量、组成和代谢物质。Wang等[22]发现,热应激会破坏广西本地公鸡肠道的完整性,诱导盲肠中厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度增加及拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度减少,致使肠道菌群失衡。在黄羽肉仔鸡遭受热应激后,肠道内的微生物种类减少,盲肠中能够产生有益短链脂肪酸的Bacteroidetes相对丰度提高,这可能是机体自我调节的一种形式[23]。在猪方面的研究也发现,慢性热应激会使肠道微生态失衡,表现在星形原体、梭氏菌和支原体等病原体数量增加,粪球菌和罗氏菌等与肠道免疫功能相关的有益菌受到抑制[24]。有研究对比了4种不同气候区牛的粪便样品,发现耐热性更强的热带地区牛的粪便中具有更多比例的Firmicutes和Bacteroidetes以及更少比例的变形菌门[25]。高温还会破坏小鼠盲肠的菌群稳态,且涉及脂肪酸合成代谢的肠道代谢产物发生显著变化[5]。研究发现,调节肠道微生物区系可以提高机体对热暴露的耐受性,适应高温环境的大鼠具有更丰富多样的肠道微生物区系[26]。补充益生菌或益生元可以改善畜禽的肠道微生物组成,起到抵抗热应激的效果[27]。另外,还有研究发现鞣花酸等饲料添加剂可以通过改善肠道菌群、促进肠道健康来缓解畜禽的热应激反应[28]。
由上述研究结果可知,健康动物的肠道菌群稳态会被热应激打破,菌群种类、数量和结构均受到影响;热应激畜禽的肠道有益菌比例减少,致病菌比例增多,且菌群丰富度下降;可以通过补充益生菌或其他能改善肠道菌群结构的添加剂来缓解热应激造成的肠道损伤。
2.2 胆汁酸与热应激
胆汁酸是胆汁的重要组成部分,在促进脂类物质消化吸收的同时又具有抗菌活性。在肝脏中,前体胆固醇合成初级胆汁酸,再与甘氨酸或牛磺酸偶联形成结合胆汁酸,储存于胆囊中。动物摄食后,胆汁酸从胆囊中释放,大约95%的胆汁酸在回肠和结肠末端被重吸收,经过一系列反应最后回到肝脏,形成了胆汁酸的“肠肝循环”[29]。部分初级胆汁酸受到肠道菌群的修饰转化为各种次级胆汁酸,如脱氢、脱羟基及差向异构化等等,各种胆汁酸按一定比例组成胆汁酸池[30]。胆汁酸通过激活不同的胆汁酸受体可以控制复杂的信号通路,调节能量稳态,从而影响宿主的代谢和免疫功能[31]。它在脂质代谢方面至关重要,能提高畜禽生产性能、减轻应激损伤和保障畜禽健康等。
畜禽的胆汁酸代谢会受到高温环境的影响,胆汁酸池的结构也相应发生变化。在猪的研究上发现,慢性热应激能够抑制大白猪肝脏合成和摄取牛磺酸结合胆汁酸(TCBAs),回肠和盲肠内的熊去氧胆酸含量则显著高于常温对照组,并且这与饲粮摄入量的减少无关[32]。短期热应激可改变猪的脂质代谢,促进肝脏中胆固醇向TCBAs转化以及胆固醇释放入血,也显著提高了猪血清中的熊去氧胆酸(UDCA)和牛磺脱氧胆酸(TDCA)含量[33]。种类复杂的胆汁酸具有不同的功能,在机体中参与不同的生化反应,而在饲粮中添加外源性胆汁酸对热应激畜禽也能起到一定的缓解作用。据报道,热应激会导致AA肉鸡的胆汁酸代谢紊乱,补充外源性胆汁酸能提高热应激肉鸡的生长速度[9]。热应激还会引起AA肉鸡肝脏脂质沉积,在饲粮中添加200 mg/kg猪源性胆汁酸可以降低肝脏内甘油三酯含量以及靶向固醇调节元件结合蛋白-1c(SREBP-1c)、脂肪酸合成酶(FAS)等促进脂肪积累的基因表达,并且不会影响内源性胆汁酸的代谢,这对缓解热应激引起的异常脂质代谢有帮助[34]。另外,来源不同的胆汁酸其组成和功能略有差异,因此所发挥的抗热应激效果也有一些区别。Li等[35]对比研究了来源于猪和羊的胆汁酸,发现在雏鸡饲粮中添加羊源性胆汁酸能更好地抑制炎症因子、改善肠道组织结构以及丰富肠道菌群等,从而更有效地缓解热应激损伤。
以上研究结果说明,热应激会影响畜禽机体的胆汁酸代谢,从而改变胆汁酸池的功能;在饲粮中添加外源性胆汁酸可以缓解畜禽的热应激损伤,改善生长性能。
2.3 “肠道菌群-胆汁酸”轴与热应激
畜禽的肠道菌群参与机体各种生理代谢活动,通过代谢产物产生能量或具有调节功能的信号分子来促进宿主健康。肠道菌种复杂多样,对胆汁酸的修饰作用各异,造成了胆汁酸池的多样性[36]。首先,乳杆菌属(Lactobacillus)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)等许多菌属能够分泌胆盐水解酶(bile salt hydrolase,BSH),BSH可将结合胆汁酸水解为含有C-24羧基的游离胆汁酸,并释放出甘氨酸或牛磺酸[37-38]。其次,Firmicutes和Bacteroidetes可介导胆汁酸去羟基化,7α/β-去羟化酶分别将初级胆汁酸胆酸(cholic acid,CA)和鹅脱氧胆酸(chenodeoxycholic acid,CDCA)转化为次级胆汁酸脱氧胆酸(deoxycholic acid,DCA)和石胆酸(lithocholic acid,LCA)[39]。此外,在肠道细菌的α/β-羟基类固醇脱氢酶催化下,胆汁酸发生氧化和异构化反应。胆汁酸的羟基异构化发生了从α到β构型的可逆立体转化,能够产生较为稳定的含氧胆汁酸中间体。与α-羟基异构体相比,羟基异构化的胆汁酸更亲水,对细菌的毒性减弱[36]。
胆汁酸能调控肠道菌群结构,它具有抗菌活性,且游离胆汁酸的抗菌活性比结合胆汁酸更强。胆汁酸可促进具有其代谢酶的细菌生长,抑制胆汁酸敏感菌的生长。胆汁酸能通过与磷脂结合破坏细菌的细胞膜结构,最终导致细菌死亡。研究表明,慢性热应激会导致肉鸡的胆汁酸代谢失衡,并且与肠道菌群的改变有关[40]。CA可以抑制胃肠道中革兰氏阴性菌的生长,还可以提高Firmicutes的丰度;DCA能够通过破坏细菌的细胞膜来抑制产气荚膜梭菌、Lactobacillus和Bifidobacterium等革兰氏阳性菌的生长;UDCA可以平衡Firmicutes与Bacteroidetes的比例,改善肠道菌群的失衡[41]。另外,胆汁酸还能影响肠上皮细胞的完整性和黏膜免疫应答,间接地调节肠道菌群的组成[42]。
肠道菌群、胆汁酸及其受体的互作共同调节着碳水化合物、脂质和能量代谢等许多生理过程,形成了“肠道菌群-胆汁酸”轴[42]。该轴各部分互相调控,一旦破坏其中某个环节,畜禽的健康就会受到威胁。热应激作为我国夏季最常见的应激源,对畜禽体内的胆汁酸代谢和肠道菌群均会造成影响,进一步将降低生产性能。首先,热应激对肝脏和肠道的损伤会干扰“肠道菌群-胆汁酸”轴的正常运行。肝脏和肠道是胆汁酸往返的场所,对肠道微生物的调控也具有重要作用。热应激通过激活肉仔鸡Toll样受体4-核因子-κB(TLR4-NF-κB)和NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)信号通路,诱发肝脏中性粒细胞和淋巴细胞浸润[43]。Tang等[44]研究得到,慢性热应激造成了肉鸡肝脏炎症反应,并发现热应激通过自噬和下调核因子E2相关因子2-Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1(Nrf2-Keap1)信号通路来诱导肉鸡肝脏损伤。另外,热应激畜禽的肠道损伤会对肠道菌群的定植和生存造成危害。鸡在热应激条件下,肠道黏膜损伤致使肠道菌群结构和丰度改变[22]。热应激能引起樱桃谷鸭的肠道损伤及腹部脂肪沉积,血清总胆固醇含量升高,还导致了空肠和回肠的菌群结构发生改变[45]。其次,热应激畜禽肠道菌群的变化影响了胆汁酸的修饰。据报道,热应激通过改变肉鸡回肠菌群组成影响胆汁酸的修饰,导致胆汁酸代谢紊乱,且摄入额外的胆汁酸减轻了热应激肉鸡的肝脏脂质沉积[34]。热应激条件下,由于肠道菌群结构的改变和肝脏线粒体功能受损,妊娠期小鼠的胆汁酸分泌增加,导致胆汁淤积[46]。最后,热应激对畜禽体内胆汁酸受体的表达会造成一定负面影响,从而影响代谢通路。胆汁酸作为肠道菌群和宿主之间联系的枢纽,能够激活法尼醇X受体(FXR)、G蛋白偶联受体5(TGR5)等许多胆汁酸受体来影响宿主的代谢通路[47]。Fang等[32]在猪上的研究发现,热应激下调了肝脏中FXR基因表达,采食量减少与肝脏中胆汁酸调控基因TGR5和成纤维细胞生长因子受体4(FGFR4)的表达量下调有显著相关。
综上可知,畜禽热应激与“肠道菌群-胆汁酸”轴的联系紧密。热应激会诱发畜禽肝脏和肠道的炎症反应,破坏肠道菌群生存以及胆汁酸代谢的场所,既改变了肠道菌群结构和数量,又干扰了胆汁酸的修饰;此外,热应激能够调控胆汁酸受体和调控胆汁酸等相关基因的表达,进而影响畜禽代谢。
3 通过“肠道菌群-胆汁酸”轴改善热应激引起的畜禽肉品质下降的可能机制
第一,通过优化肠道菌群结构可能可改善热应激畜禽肉品质。热应激畜禽肉品质下降与肠道菌群失衡有关,而改善肠道菌群结构对提高肉品质有作用。肠道菌群驱动进入血液的消化代谢物,可调节肌肉纤维发育[50],并且在脂质代谢中也发挥着重要作用,影响肉质性状[51]。研究显示,在饲粮中添加5 g/(d·只)丁酸梭菌(2.5×108 CFU/g)提高了羔羊的肌肉质量,丁酸梭菌通过调节“肠道-肌肉”轴来影响骨骼肌发育和肉品质[52]。据报道,肉鸡盲肠微生物组成能调控腿肌、胸肌的肌内脂肪含量[53]。而给热应激肉鸡补充益生菌或益生元直接影响肠道菌群结构,对促进骨骼健康、提高免疫力具有良好效果[54]。此外,Hu等[55]把热应激猪的粪便菌群移植到小鼠体内,造成了小鼠肠道损伤和肠道菌群改变,其中拟杆菌属(Bacteroides)的丰度减少,阿克曼菌属(Akkermansia)的丰度增加。由此可见,移植健康动物的粪便菌群到热应激畜禽体内,也许能够改善肠道健康,从而提高肉品质。
第二,调控胆汁酸池组成对热应激畜禽肉品质可能有积极影响。研究发现,陆川猪的肉品质比杜洛克猪更好,这2个品种猪背最长肌中与葡萄糖、脂质代谢相关的基因表达存在显著差异,说明能量利用是决定肌肉性状的关键因素[56]。因此,胆汁酸调节动物的脂质、碳水化合物和能量代谢,能决定肉品质的好坏。胆汁酸还具有调节宿主炎症反应和肠道微生物组成的功能,可作为肠道和肝脏之间的信使,或许它能够缓解热应激诱导的肠道和肝脏损伤[57]。一些研究表明,适当补充外源性胆汁酸有助于提高畜禽的生长性能,维持肠道健康,这也极有可能影响肉品质。例如,在饲粮中添加80 mg/kg猪源性胆汁酸提高了肉仔鸡的生长性能和养分消化率,并且胴体特性及脂质代谢均得到改善[58];饲用200 mg/kg CDCA能改善断奶仔猪的肠道形态和屏障功能,肠道菌群的结构发生明显变化,改善了脂质代谢和生长性能[59];相似地,饲粮中添加200 mg/kg牛磺酸脱氧胆酸(TUDCA)提高了断奶仔猪的肠道屏障功能和免疫力[60]。由于胆汁酸的种类复杂,并非所有胆汁酸对肉品质的影响都是正面的,也可能没有效果,甚至会损害肉品质。比如,UDCA可诱导健康小鼠肌肉力量和功能减弱,肌肉质量、肌纤维直径和肌钙蛋白Ⅰ水平下降[61]。胆汁酸与肌肉中的胆汁酸受体结合可能会诱导某些反应来影响肌肉性状。胆汁酸受体TGR5在健康的骨骼肌中表达,参与肌肉分化和代谢变化的调节,CA和DCA通过TGR5诱导小鼠骨骼肌氧化应激增加、肌肉萎缩[62]。CA和DCA还能诱导小鼠肌纤维中TGR5依赖性线粒体功能障碍,对肌肉发育有害[63]。因此,调节体内的胆汁酸池组成,补充能够改善肉品质的外源性胆汁酸,对改善热应激畜禽肉品质降低可能有效果。
综上可知,热应激对畜禽肉品质的影响与“肠道菌群-胆汁酸”轴的改变有关,通过调控该轴可能会缓解热应激降低畜禽肉品质的问题。优化肠道菌群结构以及胆汁酸池的组成,可能对提高热应激畜禽肉品质有效果,具体措施是通过补充益生菌、外源性胆汁酸等添加剂,或者通过移植健康动物的粪便菌群到热应激畜禽肠道中。
4 小结
热应激造成的畜禽肉品质降低一直是生产过程中需要解决的难题。畜禽的肠道菌群与胆汁酸相互作用,肠道菌群参与胆汁酸的修饰,胆汁酸又能调节肠道菌群的结构。热应激扰乱了畜禽的脂质代谢和能量利用,影响了“肠道菌群-胆汁酸”轴的正常运行,对肉品质产生负面影响。通过优化肠道菌群和胆汁酸池的结构来调控“肠道菌群-胆汁酸”轴,能够改善动物肠道健康,同时影响肌肉发育、肌内脂肪含量等肉品质相关指标,主要方法包括添加益生菌、外源性胆汁酸和菌群移植等,这对于改善热应激畜禽肉品质具有指导意义。另外,通过“肠道菌群-胆汁酸”轴改善热应激畜禽肉品质的作用机理不够明确,未来可以进一步研究该轴改善肉品质的具体途径,为缓解热应激畜禽肉品质下降提供方法和参考。