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肠道菌群对鸡蛋质量和安全的影响

时间:2022-11-14
来源:鸡保姆,作者:佚名
文章编辑:灵儿



  垂直微生物群传播直接影响鸡蛋质量和安全

  被大肠杆菌和沙门氏菌等致病菌污染的鸡蛋可导致人类消费者发生食源性感染(Wen 等人,2021 年)。除了环境因素外,蛋壳表面的微生物组还有助于通过垂直微生物群传播建立母婴接触(van Veelen 等人,2018 年)。产卵期间,蛋鸡可以将肠道和泄殖腔微生物传给后代,因为鸡蛋暴露于泄殖腔中的盲肠分泌物。以前的研究报告说,厚壁菌门是蛋壳表面的主要细菌类群,约占总门的 50% ( Neira et al., 2017;Shi et al., 2020)。蛋鸡的泄殖腔微生物群落也主要以厚壁菌门为主( Wen et al., 2021),表明垂直微生物群落传播是蛋壳污染和鸡蛋安全的关键(Trudeau et al., 2020))。因此,调节肠道微生物群将是降低食源性病原体在人类中传播风险的有效方法。作为第一道屏障,蛋壳微生物群在通过竞争性排除来预防病原菌方面发挥着重要作用。与不接触泄殖腔并通过解剖去除的鸡蛋相比,产卵的鸡蛋表面具有明显的微生物群和更高的细菌负荷,密度为每 1800 μm 2 0.75 ( Bunker et al., 2021 )。一般来说,真菌可以通过分解鸡蛋中的营养物质并产生有害毒素和难闻的气味而迅速繁殖(Chang 等人,2021 年)。最近,Bunker 等人。(2021)证实蛋壳微生物具有通过真菌附着测定的抗真菌特性。微生物可以产生水解酶,如几丁质酶或蛋白酶,以降解菌丝体并破坏真菌生长(Gutiérrez-Román 等人,2015 年)。此外,研究发现蛋壳表面的微生物如沙门氏菌和埃希氏菌直接影响蛋壳质量,并通过细菌渗透加速鸡蛋半透明的形成(Chousalkar et al., 2010)。相反,蛋壳特征和抗菌分子可能决定蛋壳表面微生物群(Réhault-Godbert,2021)。某些基质蛋白从外层角质层分布到蛋壳的内膜增强了鸡蛋的抗菌性能(Gautron 等人,2007 年)。通过数量性状位点搜索揭示了 ovocalyxin-32 与蛋品质之间的关联,包括蛋壳颜色、蛋壳强度、蛋壳硬度、血液和肉斑( Takahashi 等,2010 )。此外,ovocalyxin-36 是一种在贝壳矿化阶段在输卵管中表达的重要蛋白质( Gautron 等,2007)。由于与脂多糖结合蛋白和杀菌增透蛋白相似,ovocalyxin-36 与蛋壳的天然防御有关( Yin et al., 2020)。纯化的 ovocalyxin-36 可以抑制金黄色葡萄球菌的生长,并在 LPS 挑战模型中表现出免疫调节功能 ( Kovacs-Nolan et al., 2014 )。与枕骨大部和子宫相比,包括 AvBD-1、AvBD-7、AvBD-3 和 AvBD-10 在内的一些禽 β-防御素家族成员在输卵管峡部过度表达 ( Yin et al., 2020 )。这意味着蛋壳膜还对进一步的病原入侵发挥防御功能(Hincke et al., 2012 )。此外,色素从输卵管上皮分泌到子宫液中,然后沉积在蛋壳上(Sparks,2011)。最近的一项研究发现,卵管葡萄球菌的丰度与蛋壳的深褐色呈正相关(Wen et al., 2021)。值得注意的是,葡萄球菌已被证明可以生物合成尿卟啉和粪卟啉(De la Fuente 等人,1986 年),它们是影响蛋壳颜色的色素的一部分。总体而言,蛋壳不仅是减少鸡蛋污染机会的屏障,而且还提供了微生物和宿主之间潜在的串扰,以调节鸡蛋的质量和安全性。

  值得注意的是,卵子内部内容物中的微生物可以在卵子发育过程中从母体输卵管传下来(Trevelline 等人,2018 年)。变形杆菌是鸡蛋内部内容物中最丰富的门(Vieira et al., 2019),这与蛋鸡输卵管中变形杆菌的最高丰度相吻合(Wen et al., 2021)。当蛋鸡感染沙门氏菌等病原菌时,由于家禽独特的解剖结构,肠道沙门氏菌会通过泄殖腔传播到输卵管( Gantois et al., 2009)。此外,沙门氏菌会改变TLRs、NLRs、AvβDs的表达,以及输卵管中的细胞因子家族基因,导致卵子质量下降(Zhang et al., 2019)。最后,鸡蛋中存在食源性病原体对食品安全构成严重威胁(Gantois 等人,2009 年;Salihu 等人,2015 年)。此外,通过垂直传播的鸡胚早期微生物定植是遗传中肠道先天免疫程序的重要驱动因素。因此,未来的研究需要了解垂直微生物群传播的机制,以通过塑造输卵管微生物群来提高卵子的质量和安全性。

  微生物代谢物对卵子质量的影响

  微生物群衍生的代谢物主要通过碳水化合物的糖酵解发酵产生,特别是短链脂肪酸 ( SCFAs ),如乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐和乳酸盐,与宿主-微生物群的串扰有关(Morrison 和 Preston,2016 年)。SCFAs 可以通过刺激肠上皮细胞增殖和分化,进一步增加肠绒毛高度和吸收表面积来提高肠道养分利用率 ( De Vadder et al., 2014)。钙是蛋壳中含量最多的矿物质元素,占蛋壳干重的37%。肠钙利用率下降被认为是蛋鸡生产后期蛋壳质量差的主要原因(Al-Batshan等,1994)。SCFAs 诱导的肠道结构改善有利于钙的吸收,增加钙在蛋壳中的沉积,改善蛋壳厚度(Feng et al., 2021)。然而,在喂食后约 4 至 5 小时,肠内容物中几乎没有钙。为了避免在强烈的蛋壳钙化过程中出现膳食缺钙,髓质骨的发育发生在性成熟开始时。大量的钙储存在髓质骨中,并在蛋鸡光周期的夜间释放到血液中形成蛋壳(Bar et al., 1998)。然而,长期和激烈的产蛋行为会导致蛋鸡后期出现骨质疏松症和蛋壳质量差(Hanna,2019)。短链脂肪酸已被证明在预防和治疗骨代谢相关疾病中发挥重要作用(Zaiss 等,2019)。短链脂肪酸直接诱导破骨细胞前体细胞的代谢重编程,导致 糖酵解增强和氧化磷酸化减少,从而抑制破骨细胞分化(Montalvany-Antonucci 等人,2019 年)。另一方面,丁酸等SCFAs可以与GPR43结合,促进辅助CD4+细胞分化为Treg,激活骨髓基质细胞中的Wnt信号,增殖分化为成骨细胞(Zaiss et al., 2019)。因此,SCFAs对骨吸收和骨形成的调节对改善骨吸收具有重要意义。骨代谢、蛋壳质量的稳态,并延长老年蛋鸡的产蛋期。另一个潜在的机制涉及 SCFA 降低宿主肠腔的 pH 值并增加钙的溶解度,从而进一步提高蛋鸡的日粮钙利用率( Gultemirian 等人,2014 年)。总体而言,SCFAs 作为微生物代谢物通过调节全身钙代谢的稳态来影响钙的利用和沉积,从而改善蛋壳质量(图 2)。
 

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图 2。蛋鸡肠道菌群对鸡蛋质量和安全性的影响。

  建议微生物作用机制如下:①肠道细菌可通过泄殖腔传播至输卵管,导致卵子污染,并通过细菌渗透加速卵子透明质的形成。此外,产卵管细菌生物合成影响蛋壳颜色的色素。此外,输卵管病原菌激活 TLR4/NF-κB 信号通路,诱导 IL-1β 和 IL-6 的合成,通过抑制钙结合蛋白和 Ca 2+的蛋白表达影响蛋壳超微结构。运输。② 肠道菌群产生的短链脂肪酸(SCFAs)可降低肠腔内的 pH 值,增强钙的溶解度、利用率和沉积,从而改善蛋壳厚度。③ SCFAs与G蛋白偶联受体43(GPR43)结合,激活骨髓基质细胞中的Wnt信号,改善骨代谢的Ca 2+稳态和蛋壳质量。④肠道菌群产生的三甲胺(TMA)沉积在蛋黄中,产生难闻的鱼腥味。⑤肠道益生菌可激活肝脏Nrf2信号通路,调节抗氧化状态和代谢功能,可改善蛋白质量。⑥ 肠道菌群产生的胆汁酸 (BA) 调节脂质代谢和 肠道吸收改善蛋黄颜色。⑦ SCFAs、BA、吲哚衍生物可以直接与内源性肠神经元和支配肠道的迷走神经和脊髓传入神经相互作用,调节雌二醇的分泌,从而调节输卵管大管中蛋白质的分泌,最终完成对蛋白质量的调节。

  鸡蛋中的鱼腥味严重影响鸡蛋的质量和风味,这与异常升高的三甲胺( TMA ) 水平有关。由于过量的 TMA 不能被代谢,它会逐渐沉积在蛋黄中,从而产生难闻的鱼腥味(Honkatukia 等人,2005 年)。除了鸡单加氧酶 3酶活性外,TMA 水平异常升高还主要来源于肠道微生物群对胆碱和其他日粮 TMA 前体的降解(Honkatukia 等,2005;Rath 等,2017),以及降低的 TMA 水平。通过细菌还原酶氧化 TMA(Barrett 和 Kwan,1985)。研究发现蛋黄中的TMA水平与盲肠中的TMA水平呈正相关(Wang et al., 2016),蛋鸡的盲肠切除后鸡蛋中的鱼腥味消失了(Pearson et al., 1983))。进一步的研究发现,厚壁菌门和变形菌门与盲肠中的 TMA 水平呈正相关,而拟杆菌门与 TMA 水平呈负相关(Long et al., 2017)。细菌基因组分析表明,胆碱利用基因簇广泛分布于厚壁菌门和变形菌门,但在拟杆菌门中不存在 ( Martínez-del Campo et al., 2015)。厚壁菌门和变形菌门通常被认为是产生 TMA 的细菌(Long 等人,2017 年)。因此,肠道微生物群介导的 TMA 形成表明其在改善鸡蛋风味方面的重要作用和潜在目标(图 2)。这一假设也得到了抗生素补充剂干扰肠道微生物群减少鱼卵的支持(Zentek,2003)。

  此外,微生物代谢物可以调节脂质代谢以影响鸡蛋质量。脂代谢紊乱在蛋鸡的后期生产中很常见(Wang et al., 2020b)。肝脏是家禽脂质代谢的主要器官,诱导的脂肪堆积和肝功能障碍不仅会影响蛋黄颜色,还会影响蛋黄中胆固醇的沉积(邱等,2021 )。由于膳食胆固醇含量极低,几乎所有的胆固醇都在肝脏中内源性合成,并通过血液富集到蛋黄中。此外,肝脏中胆固醇的酶促氧化会产生许多不同的胆汁酸(BA),它们在肠道中被肠道微生物群代谢(Wahlström 等人,2016 年)。除了作为清洁剂促进膳食脂质的消化和吸收外,BA 还可以作为激活法尼醇 X 受体 ( FXR ) 的有效配体来调节脂质代谢(de Aguiar Vallim 等人,2013 年)。最近的研究发现,补充丁酸梭菌可通过塑造 BA 曲线和增强肠道吸收来改善蛋黄颜色,从而调节老年蛋鸡的脂质代谢(Wang et al., 2020a , b)(图 2 ))。肠道微生物引起的 BA 改变依赖于胆汁盐水解酶( BSH ) 的分泌,通过去结合产生未结合的游离 BA ( Wahlström et al., 2016 )。同样,乳酸杆菌产生的 BSH可以调节胆汁酸肠肝循环,从而改善胆固醇代谢,从而有助于降低血清和蛋黄中的胆固醇水平(Choe 等,2012;Hou 等,2020)。

  产卵管粘膜微生物介导的免疫反应对蛋壳质量的影响

  有充分证据表明,微生物可以被免疫细胞(如巨噬细胞和树突状细胞)的模式识别受体感知,从而与宿主建立相互作用(Agostinis 等人,2019 年)。这个过程涉及调节宿主子宫内膜的先天性和适应性免疫反应。值得注意的是,维持宿主粘膜稳态需要微环境中产生的抗炎和促炎细胞因子之间的动态平衡(Maillard 和 Snapper,2010)。IL-1β和IL-6促炎细胞因子和CX3CL1的表达蛋壳矿化过程中蛋鸡输卵管子宫黏膜中的趋化因子增加。此外,在蛋壳矿化的初始阶段,TGF-β2抗炎细胞因子的表达也显着增加(Elhamouly等,2018)。然而,当受到病原菌或某些革兰氏阴性菌的攻击时,输卵管组织的先天免疫系统通过 Toll 样受体识别微生物相关分子模式,包括来自微生物细胞壁(肽聚糖)和细胞膜(脂多糖)的分子。这通过激活转录因子NF - κB和AP-1 ( Yoshimura, 2015 ),导致子宫黏膜组织中的抗炎因子和促炎因子失衡。进一步的研究表明,促炎细胞因子IL-1β和IL-6通过抑制钙结合蛋白 (CABP-D28K) 的蛋白表达和蛋鸡输卵管子宫黏膜中Ca 2+的转运来影响蛋壳超微结构。等人,2017 年)。这可能是由于IL-1β和IL-6在促进造血和蛋白质降解中的关键作用(Narsale 和 Carson,2014),干扰蛋壳矿化过程中基质蛋白的作用和无机离子供应的效率。此外,老年蛋鸡输卵管内有机基质蛋白合成失调和免疫功能受损导致蛋壳超微结构和力学性能发生变化。后者可能是蛋鸡生产后期蛋壳质量下降的主要原因(冯等,2020)。最近,冯等人。(2021)发现膳食牛至精油通过改变微生物组成和减少志贺氏菌来改善上皮屏障功能和粘膜免疫状态丰富,从而有利于后期蛋鸡的蛋壳质量。肠道菌群的平衡可以有效减少病原菌转移到输卵管引起炎症和免疫反应。因此,我们假设输卵管黏膜中微生物介导的免疫反应对蛋壳质量有潜在影响,通过蛋鸡的输卵管微生物群促进蛋壳质量的营养改善。

  微生物群-肠-肝/脑-生殖道轴对卵子质量的影响

  在产蛋高峰期进行强烈新陈代谢后,老年蛋鸡抗氧化功能的减弱导致过量的活性氧破坏了宿主氧化还原系统的平衡(Liu et al., 2018)。许多与年龄有关的疾病与氧化修饰蛋白水平升高有关(Stadtman,2001 )。因此,老年蛋鸡肝脏代谢受损可能导致蛋白质量下降,包括蛋白高度和Haugh 单位下降(Wang et al., 2018)。研究发现,膳食益生菌或茶多酚通过改变肠道微生物群组成及其代谢物来调节肝脏的抗氧化状态和代谢功能,从而改善蛋白质量。王等人,2018;詹等人,2019;王等人,2020b)。事实上,肠道和肝脏在解剖学和生理学上是相连的,被称为肠-肝轴(Ohtani 和 Kawada,2019 年)。作为重要的肠-肝轴介导因子,微生物群通过体循环影响肠道和远处器官。例如,在无菌小鼠模型中,肠道微生物群诱导肝脏的 Nrf2 抗氧化和外源性反应上调。此外,乳酸杆菌的口服给药通过产生 5-甲氧基吲哚乙酸来有效激活肝脏中的 Nrf2,从而防止氧化性肝损伤(Saeedi 等人,2020 年)。确实,细菌吲哚等色氨酸分解产物可被肠内分泌细胞感知,激活肠道和迷走神经通路,实现对肝脏的远程调控(Ye et al., 2021)。同样,BA 是重要的微生物代谢物,涉及调节脂质代谢和炎症反应,是肠-肝串扰的关键介质。BA通过激活肠道和肝脏 FXR 并诱导过氧化物酶体增殖物激活受体的表达来促进肝脏中的脂肪酸氧化( Schneider et al., 2018)。它进一步抑制脂质合成关键基因的表达,从而降低血浆甘油三酯和胆固醇水平(Xi和Li,2020),表明胆汁酸有可能成为调节蛋黄脂质的重要靶标。

  此外,众所周知,蛋鸡卵巢卵泡的发育和生产性能主要受下丘脑(促性腺激素)-垂体(促黄体和促卵泡激素)-性腺(雌激素)轴的调节。之前的研究发现不同生产性能的蛋鸡肠道菌群存在显着差异(Elokil et al., 2020)。有趣的是,高产母鸡的粪便微生物群移植提高了低产母鸡的生产性能( Wang 等人,2020c )。值得注意的是,一些肠道微生物的丰度与血清促卵泡激素、促黄体激素呈正相关。和雌二醇水平(Liu et al., 2020a ),表明微生物群-大脑串扰参与调节蛋鸡的生产性能。一般来说,肠道微生物及其代谢物,如 SCFA、BA 和吲哚衍生物,可以通过肠内分泌细胞和肠嗜铬细胞发出信号,调节神经肽的分泌(Agirman 和 Hsiao,2021 年)。此外,它们可以直接与内在肠道神经元和支配肠道的迷走神经和脊髓传入神经相互作用,以调节氨基丁酸和 5-羟色胺等神经递质( Cryan 等人,2020 年))。此外,下丘脑还可以通过脑-生殖道轴调节蛋鸡的输卵管健康,特别是通过改变雌二醇的分泌来调节大输卵管中蛋白质的分泌,最终完成对蛋白质量的调节。., 1990 年)。总体而言,微生物-肠-肝/脑轴可能被提议作为一种新的系统性策略来提高鸡蛋质量和安全性(图 2),但仍需要进一步研究以了解其潜在机制。

  结论和未来研究

  分析肠道微生物群的定植和演替模式对于我们了解肠道微生物群生态学和有针对性的微生物群干预至关重要。现有文献表明,蛋鸡不同生理阶段的微生物演替似乎与器官发育和代谢功能的变化相对应,包括驱动免疫系统发育、促进营养利用和骨骼发育以及维持生产性能。除了通过肠-输卵管-卵子中的垂直传播途径直接影响卵子质量和安全外,肠道微生物群及其代谢物如 SCFAs、BA和色氨酸衍生物通过微生物-肠-肝/脑-生殖道轴间接参与调节卵子质量。尽管如此,肠道微生物群与卵子质量之间的联系仍然是暂时的,因为在之前的研究中使用相关性分析总结了许多结论。因此,需要全面了解肠道微生物群与卵子质量之间的相互作用。我们建议未来的研究应关注蛋白分泌和蛋壳矿化的关键时期,以探索基于微生物-肠-肝/脑-生殖道轴的相关分子和信号通路。它将有助于扩大我们对肠道微生物群和宿主串扰的理解,以提高蛋鸡生产后期的蛋质量和安全性。


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