2018, Vol. 13
人体胃肠道微生物群在宿主正常物质代谢和维持机体生理健康中扮演着重要角色。目前，更多的学者集中于研究疾病发生对人体正常微生物群的影响及利用微生物组学探讨疾病的根源和防控措施，针对畜禽的研究相对较少。近年来，兽医、动物营养学家和微生物学者开始关注研究畜禽(鸡、猪和反刍动物)的微生物群，利用微生物组学来揭示动物疫病对机体正常微生物群的影响，从而寻求相应的防控措施。这样不仅有利于畜禽养殖业的健康发展，还降低了食源性疾病传播给人类的风险，有利于公共卫生安全。
利用微生物组学研究动物疫病起步相对较晚，很多尚处于起始阶段，但显示出良好的应用前景。动物体内微生物群的变化不仅是大多数传染病的发生源头，还与食品安全、动物健康和公共卫生密切相关[1-2]。由于食源性疾病带来的经济损失巨大，畜禽微生物组研究正成为全球食源性疾病来源的关注点之一[3-4]。本文就近年来微生物组学在动物疫病防控中的研究进展及发展方向进行综述。
1 揭示疾病与菌群的相关性在养殖过程中，家禽需经历从肠道微生物群发育不全的新生期至6~8周龄市售期，此时每克肠道内容物含有1011个细菌，包含成千上万不同种类的微生物[5-6]。同时，病原微生物在养殖期间的定植不仅影响家禽的产量，还可通过食物链传播给人类[7]。因此，监测家禽养殖过程中肠道微生物群的变化对家禽养殖和公共卫生安全很重要，尤其是机体感染病原微生物(如空肠弯曲菌)时引起的肠道菌群改变对疾病防控具有重要指导意义。
微生物组学可帮助人们动态观察病原菌和肠道菌群的发生发展进程。Oakley等通过对两个养鸡场进行“从农场到餐桌”(farm to fork)的肠道、环境、胴体等微生物群的持续监测，从核心基因组数据分析中发现机体含有3种常见致病菌：弯曲菌、梭菌和志贺菌[2]。其中大多数序列型弯曲菌在不同阶段、不同菌群条件下均能持续存在，显示前期采取的竞争排斥防控措施达不到应有效果；但有2个序列型弯曲菌与其他菌群紧密相关，包括在家禽肠道中可定植的趋巨巨单胞菌[8]。此外，Thibodeau等检测到空肠弯曲菌在鸡盲肠内的定植与微生物群中双歧杆菌的增加密切相关，同时影响梭菌和柔膜菌的相对丰度[9]。
Mohd Shaufi等利用微生物组学技术观察鸡在不同生长发育阶段肠道菌群的动态变化过程，揭示了不同肠道中菌群的特点和规律。其中，盲肠的微生物群总体变化比回肠大，回肠的菌群主要与营养物质的吸收、利用相关，而结肠的菌群与物质的发酵、代谢相关。此外，一些潜在的病原菌如梭菌会随着鸡的衰老而数量增加，但各时期肠道内乳酸菌的含量整体水平偏低[10]。
2 鉴定新发病原体通过微生物组学比较分析，可找出引发动物疾病的细菌或菌群。即对病因不清楚的某些疾病，微生物组学研究可帮助寻找病原或病因。此外，虽然微生物组学分析无法精确确定病原，但健康机体和发病机体在菌群结构组成上的特征性变化也能成为鉴定疾病发生的生物标记之一[11]。尽管不同生长环境中的健康动物在菌群结构上存在差异，但代谢组学差异较小，且发病动物的代谢能力与健康动物相比存在明显变化。例如，腹泻奶牛犊体内维生素、氨基酸和糖类等的代谢明显减弱[12]。
Yang等对20份新生仔猪腹泻粪便样本进行基因组学分析，判定普雷沃菌可能是引起仔猪腹泻的主要原因[13]。奶牛子宫内膜炎是奶牛养殖业中的常见病，能降低奶牛的繁殖能力，造成严重的经济损失。其病因极其复杂，可能是多种病原微生物作用的结果。在患有子宫炎的奶牛中，40%~60%没有发热症状，其生殖能力未受影响，而发热病例的繁殖能力明显降低。Jeon等利用微生物组学方法比较发热与未发热奶牛子宫内微生物群的差异，发现拟杆菌和吡啉单胞菌在发热病例中增加是导致差异的主要原因。其中酿脓拟杆菌与发热病例密切相关，可能是引起奶牛子宫炎的病原菌之一[14]。
3 确立有益于维持机体健康生长的菌群微生物组学研究主要通过以下几种方式寻找和鉴定对维持动物机体健康生长有益的菌群：①利用微生物组学比较病原菌在宿主定植器官或组织中的变化，认识和筛选出对动物生长有利或不利的菌群；②利用微生物组学比较分析不同养殖场或养殖条件下动物肠道菌群的差异，寻找或筛选出对动物生长健康有利及预防或抵御动物病原微生物的有益菌群，不仅有利于提高动物产量，还可有效防控疾病发生[15]；③基因组学与代谢组学研究方法联用可更清晰地判定机体被病原感染后的菌群变化，以及寻找对维持机体健康起重要作用的菌群[16]；④微生物组学比较研究可发现对疾病敏感与不敏感动物中肠道或组织器官中的微生物群差异[17]。在此基础上，通过将不敏感动物的微生物群或相关细菌接种至敏感动物，可使后者获取对疾病的抵抗力。据此建立的肠道菌群移植是帮助肠道易感动物抵御病原攻击或降低炎症发生的常用手段[17]。
Espinosa-Gongora等对44只携带金黄色葡萄球菌和55只不携带该菌的猪鼻腔微生物组进行比较，发现不携带金黄色葡萄球菌的猪鼻腔中存在与益生菌功能相似或有抗菌效应的产乳酸菌群，如能产生丁酸盐的明串珠菌属和毛螺旋菌科家族。然而，携带金黄色葡萄球菌的猪鼻腔中存在多种病原微生物，如多杀性巴氏杆菌和克雷伯菌。进一步表明鼻腔微生物菌群在金黄色葡萄球菌感染宿主及其定植过程中发挥重要作用，为疾病防控提供了方向[18]。
4 筛选疾病防控的新药物和新制剂微生物组学可用于检测抗生素治疗某些动物疾病时导致的体内菌群变化。通过持续监测这种变化，可获得更有利于治疗疾病的抗生素使用方法或程序[19]。此外，益生菌在改善动物肠道菌群和提高机体免疫力方面起重要作用，而增强动物免疫力也是微生物组学研究在动物疫病防控中的应用之一。益生菌或直接饲喂的微生物(direct-fed microbials，DFMs)被定义为“适量食用后可使机体更健康活着的微生物”[20]。乳酸菌作为一种益生菌，其对机体的作用包括竞争性排斥有害微生物、改变宿主微生物群及其代谢、刺激免疫应答等[21-23]。
de Cesare等在鸡饲料中添加嗜酸乳杆菌D2/CSL后，鸡肠道微生物群发生明显改变，其中毛螺旋菌科细菌比未添加组增加约3%，卵形瘤胃球菌(Ruminococcus obeum)、梭状梭菌(Clostridium clostridioforme)、罗氏弧菌(Roseburia intestinalis)、毛螺旋菌14-2T和规则粪球菌(Coprococcus eutactus)也显著增加。此外，添加组的代谢功能明显强于未添加组，尤其是β-葡萄糖苷酶明显升高[24]。Lin等给鸡喂食地衣芽胞杆菌后，可有效改善产气荚膜梭菌造成的鸡盲肠微生物群紊乱[25]。
Adel等给凡纳滨对虾食用乳酸乳球菌后，体内消化酶含量明显高于未食用组；虾体内乳酸菌和芽胞杆菌数量明显增加，而致病性弧菌数量明显降低；虾的免疫力和存活率也明显升高[26]。此外，多种益生菌联用可改变机体肠道菌群，增强肠道健康，提高机体免疫力，明显降低病原菌的体内载量，减弱病原菌(如沙门菌)感染给机体带来的损害[27]。
5 开发新疫苗或改进疫苗的使用效果微生物组学研究可协助改进疫苗及其使用方法。通过分析疫苗免疫(不同免疫方式或途径)、疾病感染及与正常动物菌群进行比较，不仅能发现对机体生长有益的菌群，或与病原菌负相关的菌群，还能筛选出更好的疫苗或更佳的疫苗使用方式。Nothaft等发现，在利用表达空肠弯曲杆菌N-glycan的大肠埃希菌疫苗口服接种鸡时，加入益生菌(罗伊乳杆菌)能提高疫苗免疫效率，同时肠道中与空肠弯曲杆菌负相关的梭菌数量明显增加[28]。
6 提出更简单有效的防控措施后抗生素时代，在饲料中加入其他可食用的成分来替代抗生素是维持动物健康和提高动物产量的常用方法之一[29]。微生物组学可帮助开发利用食疗法防控动物疾病的策略。动物在喂食不同饲料后，其抵御病原菌的能力存在差异，而这种差异与食用不同饲料后的菌群改变密切相关[30]。Rubinelli等研究食用3种米糠(Calrose、Jasmine和Red Wells)的鸡抵抗沙门菌感染的能力，发现Calrose米糠能有效抑制沙门菌在宿主体内的定植。微生物组学研究显示，这主要与肠道菌群中厚壁菌比例降低和脂肪酸代谢增强相关[30]。Thibodeau等[9]在鸡饲料中加入一种非抗生素食品添加剂，其能降低空肠弯曲杆菌在鸡盲肠中的定植和减少链球菌的相对含量，但并不影响盲肠中其他微生物。在养禽业中，加入饲料添加剂丁酸钠可防控鸡球虫病。微生物组学研究显示，丁酸钠可抑制艾美耳球虫感染机体后引起的盲肠厚壁菌增加和拟杆菌减少[31]。另一种方式是给动物食用DFM。现有微生物组学研究证明，肠道微生物群在维持动物机体健康中起重要作用，通过给动物服用相应的微生物可保证机体新陈代谢的正常运行和提高免疫力，从而维持机体的内稳态[30]。
7 结语微生物组学的发展加快了动物疫病基础研究的步伐，也为疫病防控提供了新的靶标和方向。然而，在组学研究之前需要收集和提取样品，因此规范和提高样品质量显得尤为重要，这也是目前不同科研机构在动物或人体微生物组学研究过程中所得数据存在差异的主要原因。因此，对微生物组学研究仍需做到精细和谨慎，以达到真正为动物疫病防控提供指导的目的。
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