近年来,由于兽药残留和抗生素耐药问题,中草药因其副作用小,不易产生耐药性而受到关注。作为饲料添加剂,中草药不仅富含营养物质,而且具备多种保健功效。现代研究显示,中草药中的免疫活性物质能增强动物免疫功能,提高抵抗力,改善动物的生产性能[1-2]。中草药还具有来源广泛、无残留和不易产生耐药性等优点,因而成为近年来动物营养学研究的热点之一。目前,已有利用中草药非药用部位饲喂动物的相关研究[3],但由于成分复杂和多靶点的特点,传统药理学方法很难阐明其作用机理。代谢组学(metabolomics)可通过高通量检测和数据分析,对生物或细胞在特定条件下的代谢产物进行定性与定量分析[4]。目前,常用的检测技术包括核磁共振(NMR)、气相色谱-质谱(GC-MS)、液相色谱-质谱(LC-MS)和高效液相色谱-质谱(HPLC-MS)等,这些技术有助于揭示中草药在预防和治疗畜禽疾病中的作用。瘤胃在反刍动物的消化中扮演着核心角色[5]。瘤胃液代谢物的变化与反刍动物的健康和生产性能紧密相关[6],不仅可作为疾病诊断的标志物,而且能反映营养物质的利用效率[7]。近年来,代谢组学技术在研究中草药对瘤胃菌群代谢的影响中得到广泛应用。本文回顾了这一领域的研究进展,旨在为未来深入研究中草药调控反刍动物瘤胃菌群的机制提供参考。
1 瘤胃微生物区系组成与饲料利用率
瘤胃微生物主要包括细菌、真菌、古菌和原虫。每克瘤胃内容物中,细菌数量约1011个,有200余种;纤毛虫数量在104~106个,分属24个属;厌氧真菌数量为102~104个,涵盖5个属。这些微生物群体共同维持瘤胃生态平衡,促进食物发酵和营养吸收。近年来,科学家还发现瘤胃中存在病毒,这些病毒可通过溶菌和基因转移调控微生物种类和菌株数量[8]。瘤胃微生物的互作维持了内环境的稳态和饲料的消化。瘤胃真菌、细菌和原生动物共同作用,分解饲料纤维,生成挥发性脂肪酸,作为宿主动物的营养来源[9]。此外,瘤胃内纤毛虫具有多种碳水化合物活性酶,能分解饲料和微生物中的碳水化合物,调节瘤胃pH,促进微生物蛋白合成[10]。因此,瘤胃微生物的组成和数量与饲料利用率密切相关,瘤胃内纤维杆菌科(Fibrobacteraceae)、瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)和普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)等优势菌群丰度与饲料利用率呈负相关,而毛螺菌科(Lachnospiraceae)丰度则与饲料利用率呈正相关[11]。另有研究表明,为绵羊灌服产酸能力较强的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、平肠球菌(Enterococcus hirae)、小芽孢杆菌(Bacillus pumillus)和屎肠球菌(Enterococcus faecium)混合液,能显著提高绵羊体重和饲料利用率[12]。
2 影响瘤胃菌群组成和数量的因素
2.1 年龄和生理状况
年龄对瘤胃微生物区系的影响较大,有研究发现犊牛随着年龄的增长,瘤胃微生物区系的组成逐渐成熟,丰度趋向稳定[13]。围产期是反刍动物生理敏感期,研究显示反刍动物在此期间瘤胃菌群结构会发生显著变化。围产期高产奶牛瘤胃菌群中参与氨基酸和维生素代谢的基因丰度高于低产奶牛[14];奶牛瘤胃中厚壁菌门(Firmicutes)丰度从产前的57%降至产后的35%,拟杆菌门(Bacteroidota)丰度从产前的22%降至产后的18%[15];奶牛产后第1天与第14天瘤胃微生物结构和发酵模式存在明显差别[16];奶牛在围产前期干物质摄入量较低,瘤胃菌群中降解纤维的菌属丰度较高,而在围产后期,与蛋白质水解、淀粉溶解以及泌乳相关的细菌丰度显著增多[17]。
2.2 饲料营养成分
饲料中的营养成分以及特定的功能性成分同样能够影响瘤胃微生物群落的构成和数量。高粗饲料水平饲喂奶牛时,瘤胃纤维杆菌门(Fibrobacterota)丰度较高;而高精料水平饲喂奶牛时,瘤胃拟杆菌门丰度则较高[18]。奶牛在食用低谷物饲粮时,瘤胃中瘤胃球菌科和未分类的拟杆菌目(unclassified Bacteroidales)丰度较高;但转为高谷物饲粮后,反刍单胞菌属(Ruminobacter)丰度减少,而普雷沃氏菌属(Prevotella)和未分类的琥珀细菌科(unclassified Succinivibrionaceae)丰度增加[19]。另有研究发现,瘤胃中分解纤维素的微生物会竞争性地附着在纤维素上,通过不同的方式附着和分解纤维素,导致它们在不同底物上的降解效率不同,进而影响瘤胃发酵过程[20]。
2.3 抗生素与饲料添加剂
3 瘤胃代谢物与代谢性疾病
4 中草药及提取物调控瘤胃菌群的代谢组学研究
中草药活性成分必须经过胃肠道菌群的转化后才能在体内发挥其药效。同样,中草药也能调节胃肠道菌群,影响脂肪、糖类和氨基酸代谢,进而影响机体功能[31]。
4.1 清热解毒类中草药调控瘤胃菌群代谢组学研究
水飞蓟素可降低瘤胃中产甲烷相关菌群的丰度,提高瘤胃2-苯乙酰胺、根皮苷、Dalspinin、N6-(1,2-二羧乙基)-腺嘌呤核苷一磷酸(AMP)、5,6,7,8-四氢甲蝶呤、还原型黄素单核苷酸(FMNH)、吡哆醇5'-磷酸、水飞蓟苷和β-D-果糖6-磷酸含量,影响苯丙氨酸代谢、类黄酮生物合成和叶酸生物合成途径[41]。
4.2 健脾益气类中草药调控瘤胃菌群的代谢组学研究
健脾益气类中草药主要用于治疗脾胃虚弱、消化不良、食欲不振等症。它们能够增强脾胃功能,促进消化吸收,提高体内能量水平。相关研究表明,健脾益气类中药可通过影响瘤胃微生物的代谢对动物的机体产生积极影响。
黄芪可显著增加瘤胃溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibrio fibrisolvens)、黄色瘤胃球菌(Ruminococcus flavefaciens)及溶糊精琥珀酸弧菌(Succinivibrio dextrinosolvens)等的丰度。在脂质代谢中,不饱和脂肪酸生物合成、花生四烯酸代谢以及脂肪酸生物合成途径的关键代谢物含量均有所上调。同时,在氨基酸代谢中,甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸代谢以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成途径的关键代谢物含量也显著上调[42]。
菊芋多糖具有降低胃肠道微生物丰度与多样性的作用,能够使瘤胃中的优势菌群得到生长,显著降低瘤胃中放线菌门(Actinobacteria)丰度,增加了瘤胃螺旋体门(Spirochaetes)丰度,降低瘤胃放线菌门与瘤胃螺旋体门的比值。同时上调瘤胃中精氨酸生物合成和嘧啶代谢等通路代谢物含量,有利于生长发育、提高肉品质、降低脂肪沉积[43]。
4.3 疏肝理气类中草药调控瘤胃菌群的代谢组学研究
疏肝理气类中草药主要用于治疗动物肝气郁结所致的多种症状,常见的疏肝理气类中草药包括柴胡、陈皮、益母草等,研究发现此类中草药也能影响瘤胃微生物代谢功能。
花椒性温,能够温暖脾胃,促进胃肠功能。研究表明,花椒精油能显著改变雄性杂交小尾寒羊羔羊瘤胃酶活性、瘤胃微生物菌群及其代谢物,发生显著变化的58种代谢物主要富集于甘油磷脂代谢和蛋白质消化吸收等代谢途径[46]。
陈皮中含有大量的柑橘黄酮,柑橘黄酮可使奶牛瘤胃伪丁酸弧菌属(Pseudobutyrivibrio)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、硒单胞菌属(Selenomonas)和普雷沃氏菌科UCG-004(Prevotellaceae_UCG-004)丰度显著增加,Metanobrevibate丰度显著降低,同时上调了丙酮酸代谢途径中代谢物的含量[47]。这提示柑橘黄酮可通过调节奶牛瘤胃相关菌群的丰度增强对碳水化合物的降解能力。
5 小结与展望
代谢组学在研究中草药如何调节瘤胃微生物代谢方面发挥着至关重要的作用,不仅揭示了中草药的活性成分,还能精确地分析瘤胃液中代谢产物含量的变动。代谢组学的快速发展解决了许多传统生物学方法难以攻克的难题,促进了对中草药作用机制的深入探索。
随着中草药研究的深入和代谢组学技术的进步,传统分析技术在样本制备过程中往往需要进行切割和染色等处理,这些步骤可能会破坏组织的原始结构和形态,从而难以精确描绘中草药活性成分及其代谢物在组织内的分布[51]。此外,在研究瘤胃菌群及其功能时,尽管代谢组学技术常与16S rRNA技术结合使用,但与其他技术如宏基因组学、转录组学和蛋白质组学的联合应用相对较少,这限制了对奶牛瘤胃菌群研究的全面性和深度。因此,传统的色谱-质谱联用技术已无法满足对中草药在动物体内各组织中活性成分释放和代谢研究的需求。
目前,关于中草药与微生物群落相互作用的研究尚处于初级阶段,与此同时,色谱和质谱等分析技术与平台也在持续完善之中。例如,随着分子原位成像技术的发展,空间代谢组学等新兴技术正在不断涌现。代谢组学正朝着更高通量、更便捷、更准确、更低成本的方向发展。借助多种技术平台的联合应用,有助于更深入探究中草药成分、瘤胃微生物群落及其代谢产物之间的关系。