近年来,随着科学技术的发展和生活水平的提高,人们逐渐认识到抗生素滥用会引起畜产品和环境抗生素残留、细菌耐药性增强以及畜禽免疫力下降等诸多负面问题,严重危害人类健康[1-2]。因此,寻求1种或多种的绿色、高效、无污染、无残留的饲料添加剂显得十分重要。近年来,白藜芦醇因其重要的抗氧化功能及代谢调节作用受到国内外学者的密切关注。白藜芦醇是一种非黄酮类多酚化合物,广泛存在于葡萄、花生、虎杖等多种植物中,是植物的一种次生性代谢产物,在植物抵抗病原微生物感染时发挥重要作用[3-4]。因此,白藜芦醇又称植物抗毒素。在人、小鼠和猪上的药代动力学研究结果显示,白藜芦醇的生物学利用率极低且白藜芦醇及其代谢产物大部分分布于肠道[5-7]。方伟[8]研究发现,白藜芦醇可显著抑制由高脂饮食引起的小鼠结肠肠腔自由基水平升高,还可改善肠道菌群紊乱。De La Lastra等[9]认为白藜芦醇具有调节抗氧化相关酶活性的功能,它既是一种自由基清除剂,也是一种潜在的抗氧化剂,白藜芦醇作为抗氧化剂的能力主要取决于其酚羟基的氧化还原特性。杨兰泽等[10]研究发现,在D-半乳糖诱导小鼠衰老模型中,白藜芦醇可通过清除氧自由基和抗脂质过氧化来发挥抗衰老作用。目前关于白藜芦醇在畜禽生产中的研究报道,主要集中在对动物脂质代谢方面[11],然而有关白藜芦醇对生长育肥猪肠道菌群和抗氧化能力影响的研究鲜有报道。前人有研究发现,白藜芦醇不被动物前肠吸收或吸收较少,主要到达后肠[6-7]。该消化吸收特点为探寻白藜芦醇的可能作用机制提供了新的方向。因此,我们推测白藜芦醇可能通过调节生长育肥猪或断奶仔猪肠道微生物组成,进而发挥其改善免疫和抗氧化的作用。然而,相关研究尚未见报道。因此,本试验旨在考察饲粮中添加白藜芦醇对生长育肥猪抗氧化能力、空肠黏膜免疫及结肠菌群的影响,为深入了解白藜芦醇的生物学作用及其用作功能性饲料添加剂的可能性提供理论依据和试验证据。
1 材料与方法 1.1 试验材料白藜芦醇购买于杨凌慈缘生物技术有限公司,纯度为99%。
1.2 试验设计及饲粮试验选取体重[(24.67±3.49) kg]相近的“杜×长×大”生长育肥猪36头,随机分为2个组,分别饲喂基础饲粮(基础饲粮组)和基础饲粮中添加600 mg/kg白藜芦醇的试验饲粮(白藜芦醇组,白藜芦醇等量替代配方中玉米),每组6个重复,每个重复3头猪。基础饲粮参考NRC(2012)猪营养需要推荐量分4个阶段配制,饲粮为粉料,其组成及营养水平见表 1。试验期共119 d。
动物试验在四川农业大学动物营养研究所教学试验基地进行。试验猪按正常程序免疫和驱虫,清洁和消毒工作按常规进行,保持圈舍通风、卫生、干燥。试验猪每天饲喂3次(08:30、14:30、20:30),以试验猪吃饱后料槽内有少量余料为度。每天清理粪便保持圈舍清洁,每间隔1周进行带猪消毒。
1.4 样品采集与处理试验结束时试验猪空腹称重,前腔静脉采血20 mL,置于普通离心管,室温下放置30 min,3 500 r/min离心10 min,分离血清,置于-20 ℃保存待测血清抗氧化和免疫指标。采血后,所有试验猪屠宰取样,迅速打开腹腔,采取肝脏样品,装于灭菌的EP管中,-80 ℃保存待测抗氧化指标,并分离肠道,取结肠食糜装于灭菌的EP管中,用锡箔纸包裹好,液氮速冻,-80 ℃保存待用于PCR方法测定食糜中的菌群数量。将空肠从其肠系膜处取下后于冰上取样,预冷生理盐水冲洗后,用盖玻片将空肠黏膜轻轻刮下来,然后置于无菌EP管中,用锡箔纸包好,液氮速冻后-80 ℃保存待测血清抗氧化和免疫指标。
1.5 测定指标与方法 1.5.1 生长性能分别在试验起始和结束时以重复为单位对试验猪进行空腹称重,试验期记录各重复试验猪每日的采食量,计算试验猪平均日采食量(ADFI)、平均日增重(ADG)和料重比(F/G)。
1.5.2 血清、空肠黏膜及肝脏抗氧化指标测定血清和空肠黏膜中总抗氧化能力(T-AOC)、过氧化氢酶(CAT)、总超氧化物歧化酶(T-SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性及丙二醛(MDA)含量;测定肝脏T-AOC、GSH-Px和CAT活性及MDA含量。指标全部采用南京建成生物工程研究所的试剂盒测定,严格按照说明书操作。样品主要制备过程为:称取一定量的空肠黏膜和肝脏样品(0.5~1.0 g),按重量(g):体积(mL)=1:9的比例加入预冷的生理盐水,在冰浴条件下进行手动匀浆后,制备成10%的匀浆液,匀浆液于4 ℃冷冻离心机中3 500 r/min离心10 min,取上清液进行测定。
1.5.3 血清和空肠黏膜免疫指标测定血清中白细胞介素-6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)含量;测定空肠黏膜中IL-6、白细胞介素-10(IL-10)、TNF-α及分泌性免疫球蛋白A(SIgA)含量。采用北京诚林生物科技公司的酶联免疫吸附测定(ELISA)试剂盒测定,严格按照说明书操作。
1.5.4 结肠菌群数量结肠食糜中DNA的提取按照Omega公司的DNA提取试剂盒E.Z.N.A.TM stool DNAisolation kit (D4015-01,美国)的操作方法进行,随后进行实时荧光定量PCR检测,测定结肠食糜中总菌、大肠杆菌、乳酸杆菌、双歧杆菌和芽孢杆菌的数量。
1.6 数据统计分析所有数据使用Excel 2003初步整理,使用SPSS 20.0统计软件对相关指标进行t检验(t-test),结果以平均值和标准误表示,以P < 0.05为差异显著,0.05≤P≤0.10为有趋势。
2 结果 2.1 白藜芦醇对生长育肥猪生长性能的影响由表 2可知,与基础饲粮组相比,饲粮中添加白藜芦醇对生长育肥猪全程ADG、ADFI和F/G无显著影响(P > 0.05),但使ADFI增加3.02%(P > 0.05)。
由表 3可知,与基础饲粮组相比,饲粮中添加白藜芦醇显著提高了生长育肥猪血清CAT活性以及T-AOC(P < 0.05),同时有升高T-SOD活性的趋势(P=0.07)。由表 4可知,与基础饲粮组相比,饲粮中添加白藜芦醇对生长育肥猪血清免疫相关指标无显著影响(P > 0.05)。
由表 5可知,与基础饲粮组相比,饲粮中添加白藜芦醇对生长育肥猪空肠黏膜抗氧化相关指标无显著影响(P > 0.05)。由表 6可知,与基础饲粮组相比,饲粮中添加白藜芦醇显著降低生长育肥猪空肠黏膜中IL-6含量(P < 0.05),显著增加IL-10含量(P < 0.05),但对其余免疫指标无显著影响(P > 0.05)。
由表 7可知,与基础饲粮组相比,饲粮中添加白藜芦醇对生长育肥猪肝脏抗氧化相关指标无显著影响(P > 0.05)。
由表 8可知,与基础饲粮组相比,饲粮中添加白藜芦醇显著提高生长育肥猪结肠食糜中双歧杆菌的数量(P < 0.05),有降低大肠杆菌数量的趋势(P=0.05)。
Cromwell[12]指出,一些饲料添加剂可通过抑制病原微生物黏附肠上皮细胞,提高营养物质利用率,从而提高动物生长性能。有研究表明,白藜芦醇具有强烈的抑菌作用,在一定程度上具有促进动物生长、保障健康的作用[13-14]。Ahmed等[15]研究表明,白藜芦醇可显著逆转由大肠杆菌和沙门氏菌感染引起仔猪采食量降低。王俊文[16]研究表明,生长育肥猪接种蓝耳病弱毒苗会引起机体发生免疫应激,饲粮中添加白藜芦醇可缓解免疫应激造成的试验猪生长抑制,而对正常情况下试验猪的生长性能无显著影响。本试验中,与基础饲粮组相比,饲粮中添加白藜芦醇对试验猪生长育肥全程生长性能无显著影响,其原因可能是本试验的试验猪是处于正常饲养环境条件。Zhang等[17]研究发现,饲粮中添加白藜芦醇(300、600 mg/kg)对育肥猪ADFI和ADG无显著影响,与本试验结果一致。
3.2 白藜芦醇对生长育肥猪抗氧化与免疫功能的影响正常情况下,生物体内有一套完整的抗氧化体系,以维持自由基的代谢平衡,如广泛分布的SOD和CAT在消灭自由基中起着重要的防御作用。但是,当机体在某些疾病或外源性物质入侵后,自由基代谢可能会发生异常,从而诱发脂质过氧化反应,并可能导致组织细胞发生氧化应激性损伤[18-19]。因此,及时清除机体多余自由基对于维持动物健康及生产具有重要意义。大量研究发现,白藜芦醇具有很强的自由基清除及改善机体抗氧化功能的能力[20]。Cao等[21]研究表明,白藜芦醇预处理后的H9C2细胞能有效地抵抗阿霉素等物质引起的毒性反应,H9C2细胞中活性氧(ROS)含量显著降低,同时引起T-SOD、GSH-Px等抗氧化物酶活性显著升高。Rubiolo等[22]体外研究发现,白藜芦醇预处理后的肝细胞能显著增加核因子E2相关因子2(Nrf2)的表达水平,并促进其进入细胞核,从而诱导激活细胞抗氧化通路。Liu等[14]发现,热应激可导致雪峰乌骨鸡血清中GSH-Px及CAT等抗氧化酶活性显著降低,而饲粮中添加白藜芦醇可显著增强血清中GSH-Px、T-SOD及CAT活性,并随着白藜芦醇添加量的升高(200、400、800 mg/kg)呈线性升高趋势。Zhang等[23]以生长育肥猪为研究对象,发现在试验饲粮中添加白藜芦醇可显著增强生长育肥猪背最长肌T-AOC及GSH-Px活性。上述研究表明,白藜芦醇既可直接清除ROS,也可通过激活Nrf2通路发挥其抗氧化作用。本试验发现,添加600 mg/kg的白藜芦醇可显著增强试验猪血清T-AOC及CAT活性,本研究结果与Liu等[14]在鸡上研究结果一致;而对肝脏或空肠黏膜的抗氧化相关指标并无显著影响。许多炎症相关疾病的产生都与体内过多的自由基有关,因此我们推测白藜芦醇在改善机体抗氧化能力的同时,可能也会缓解机体炎症的发生。
ROS的产生和代谢平衡被破坏后导致的氧化应激能诱发炎症级联反应并导致一系列的组织损伤[24]。白藜芦醇具有强烈清除自由基的能力,因此可能缓解由氧化应激诱导动物炎症疾病时引发的动物肠道损伤[25]。与此同时,有研究表明,某些类型的炎症性疾病与环氧合酶-2(COX-2)和一氧化氮合酶(iNOS)表达量的上调有关,而核因子kappa B(NF-κB)参与调节COX-2和iNOS的表达,细胞促炎因子如TNF-α和IL-6含量升高可激活NF-κB信号通路。白藜芦醇可通过抑制TNF-α和IL-6表达水平,阻断非正常NF-κB通路活化,抑制COX-2和iNOS表达,缓解炎性疾病的发生[26-27]。李佳曦等[28]研究表明,在呼吸道合胞病毒感染BALB/c小鼠的模型中,白藜芦醇能显著抑制早期肺泡灌洗液内炎性细胞因子TNF-α、白细胞介素-1β(IL-1β),IL-6的过度表达,且随着感染时间的延长,能使TNF-α、IL-1β、IL-6的表达维持在相对较低的水平。Li等[29]也发现,白藜芦醇对小鼠淋巴细胞性白血病的抗癌作用,可能是由于其有效地抑制细胞内IL-6的mRNA表达量,降低了细胞内IL-6含量。本研究结果发现,饲粮中添加白藜芦醇显著降低了生长育肥猪空肠黏膜中IL-6含量,显著提高了IL-10含量,与前人在小鼠上的研究结果[29]一致。Singh等[30]在葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导小鼠结肠炎的模型中发现,100 mg/kg白藜芦醇能显著逆转由DSS导致的沉默信息调节因子2相关酶1(SIRT1)低表达,抑制NF-κB活性。SIRT1是NF-κB活性和炎症反应的逆调节器,SIRT1表达升高则NF-κB活性受到抑制[31],也就是说白藜芦醇也可能通过上调结肠中免疫细胞SIRT1表达量来预防肠道炎性疾病的发生。
3.3 白藜芦醇对生长育肥猪结肠菌群数量的影响研究发现,白藜芦醇作为一种含有芪类结构的非黄酮类多酚化合物,在体内很快地被代谢,且生物学利用率较低[32-34]。除白藜芦醇,其他植物多酚如姜黄素、槲皮素也被报道存在水溶性低、稳定性差、生物利用率低等问题,大部分植物多酚经过小肠,到达结肠,与结肠微生物相互作用,释放出更活跃、更易被吸收的代谢产物,从而维持肠道健康[35-37]。Larrosa等[38]发现在DSS诱导结肠炎小鼠模型中,以1 mg/(kg·d)剂量的白藜芦醇作为膳食补充剂,连续服用25 d后,显著改善由DSS导致的双歧杆菌和乳酸杆菌数量降低,这有可能是由于白藜芦醇具有清除自由基一氧化氮(NO)、抑制COX-2的能力。李永军等[39]体外试验结果表明,白藜芦醇对葡萄肠菌具有较强的抑制效果。Qiao等[35]也发现白藜芦醇能改善高脂饮食引起的小鼠肠道菌群失调,增加拟杆菌门/厚壁菌门,增加乳酸菌和双歧杆菌数量,抑制粪球肠菌生长。Zhang等[40]研究发现,试验饲粮中添加白藜芦醇有利于修复热应激引起的肉鸡肠道屏障受损,有效改善肠道微生物组成,显著增加乳酸菌和双歧杆菌数量。在本试验中白藜芦醇显著提高了生长育肥猪结肠中双歧杆菌数量,且有降低大肠杆菌数量的趋势,与Zhang等[40]在鸡上的研究结果一致。Dolara等[41]研究结果表明,在致癌大鼠模型中结肠菌群数量的强烈变化与饲粮中添加多酚类物质有关,红酒中的多酚物质可以改善大鼠肠道微生态平衡,减少了结肠黏膜DNA氧化损伤。王挺等[42]以D-半乳糖所致亚急性衰老小鼠为衰老动物模型,发现双歧杆菌可提高机体抗氧化能力,清除机体多余自由基,而起到延缓衰老的作用。上述研究进一步说明,肠道微生物在一定程度上可调节机体氧化还原状态,因此白藜芦醇可能通过重塑肠道微生物组成,进而影响机体抗氧化能力。
4 结论饲粮中添加白藜芦醇对试验猪生长育肥全程生长性能无显著影响,但可以改善生长育肥猪血清抗氧化能力,显著增加结肠乳酸杆菌数量,且维持空肠黏膜免疫屏障,其原因与白藜芦醇具有较强清除机体多余自由基和改善肠道微生态组成的能力有关。
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