馬屬動物胃腸道微生物多樣性區系影響因素的研究進展

郭 榮，孫玉江,2，張國梁，黃嬌嬌，劉書琴*

（1.青島農業大學動物科技學院，山東青島 266109；2.東營職業學院，山東東營 257091）

馬屬動物包括馬、驢、騾等，屬于單胃草食動物，擁有獨特的解剖結構和飲食類型。與反芻動物最大的區別就是馬屬動物屬于后腸發酵，不能像反芻動物的瘤胃一樣進行食物消化，但馬屬動物的腸道十分發達，尤其是盲腸。馬屬動物具有發育良好的后腸結構，其潛在長度和體積超過4.5 m 和110 L，約為前腸體積的15.95 倍。

微生物區系是指生物體包含有微生物的器官所共同組成的微生物組，而微生物區系的組成結構也會因環境因素以及宿主的健康程度發生大幅度的變化。近80%的腸道微生物無法用傳統方法分離出來，且微生物在腸道不同部位分布也不同，這是由于不同部位的氧氣程度、酸堿程度、溫度都不同，造成各個部位菌株種類不同，其中大腸中的細菌數最多。腸道微生物群構成一個復雜的生態系統，除在消化功能中發揮作用外，腸道微生物群還在免疫功能、腸-腦連接和行為以及糖尿病和肥胖癥等中發揮作用，然而在某些情況下它也可能成為腸道病原體。馬屬動物在品種、年齡和胃腸各區室微生物群組成的不同以及個體的可變性，使得很難做出概括，其主要原因在于對胃腸道微生物菌群的組成受眾多因素影響。本文主要綜述了品種、年齡、飲食和疾病等對馬驢胃腸道微生物群的影響，對改善馬驢胃腸道微生態環境、預防與控制馬驢疾病的發生提供參考。

1 不同品種對胃腸道微生物的影響

胃腸道內部的微生物與其宿主存在著互利共生的關系，不同品種體內微生物的組成存在異同。在蒙古馬和純血馬的研究中發現，厚壁菌門（Firmicutes）（蒙古馬中的56%，純血馬中的53%）和擬桿菌門（Bacteroidetes）（蒙古馬為33%，純血馬為32%）是2 種馬體內最豐富和主要的種，并且細菌群落組成相似，其中互養菌門（Synergistetes）、浮霉菌門（Planctomycetes）、變形菌 門（Proteobacteria）、TM7 門（TM7）和綠彎菌門（Chloroflexi）在蒙古馬中的含量顯著低于純血馬；密螺旋體屬（）在蒙古馬中的含量最高（蒙古馬為43%，純血馬為29%），相比之下，蒙古馬的顫螺旋菌屬（）、絲狀桿菌屬（Fibrobacter）、甲烷粒菌屬（）和琥珀酸弧菌屬（Succinivibrio）水平較低；在75 個屬中，有30 個屬在2 個品種間有顯著差異。品種是誘發某些臨床狀況的內在因素，如阿拉伯馬容易發生腸絞痛，而矮種馬更容易患葡萄糖耐受不良、肥胖癥和代謝綜合征，不同品種間腸道微生物差異可能會增加腸絞痛的風險或刻板行為的發生率。

Liu 等通過高通量測序V3-V4 區16s rDNA 基因來分析野驢和家驢的腸道微生物群，結果表明，野驢的干物質消化率顯著高于家驢，2 組之間的多樣性沒有顯著差異，但多樣性差異顯著；野驢的擬桿菌門和厚壁菌門2 個優勢門顯著高于家驢，而野驢中的瘤胃菌科_NK4A214（Ruminococcaceae_NK4A214）、考拉桿菌屬（）、糞甾烷寡烯類群（Coprostanoligenes）、毛螺菌科_XPB1014（Lachnospiraceae_XPB1014）和阿克曼菌（Akkermansia）顯著高于家驢；統計比較表明，40 種不同的代謝途徑表現出顯著差異，其中29 條途徑在野驢體內高于家驢，主要包括氨基酸代謝、碳水化合物代謝和能量代謝；值得注意的是，野驢比家驢擁有相對更復雜的細菌網絡，這可能反映了腸道細菌群落通過物種相互作用的特定生態位適應?？傮w結果表明，野驢在干物質消化、腸道微生物群落組成和功能方面均優于家驢，野驢有其獨特的腸道菌群以適應青藏高原的高海拔。以上差異除品種因素影響外，不同海拔地區有著不同的環境條件，可能地理海拔條件對胃腸道微生物也有一定的影響。

2 不同年齡對胃腸道微生物的影響

新生馬的腸道微生物群很復雜，初生時微生物通過母乳及其他途徑定居在新生幼畜的胃腸道中，其內的微生物群落重新組成，初生時的胃腸道環境有利于特定厭氧菌生長，并且腸道中的微生物在后來的生長發育中起主導作用。新生馬在子宮環境中時，其胃腸道中沒有共生微生物，微生物的定居過程從出生開始，一直持續到斷奶。隨著母馬的奶成分變化或從牛奶向飼料飲食的過渡，新生馬消化微生物群不斷適應飲食需求和食物類型的變化。Satokari 等從新生馬的臍帶和胎糞中分離出了鏈球菌屬（）和腸球菌屬（）。Faubladier 等分析了從出生到1 歲的5 頭馬駒的糞便樣本，結果表明在出生至30日齡階段后腸的微生物群迅速變化，30 日齡到1 歲變化趨于平緩；Costa 等使用11 對母馬-馬駒的樣本，在產后第1 天從母馬和馬駒中縱向收集糞便樣本，并定期再次收集，持續到馬駒 9 個月大，結果表明微生物群從馬駒出生達到相對穩定需要60 d。Lindenberg 等研究表明，腸道微生物群的相對穩定性在產后50 d 內達到。造成胃腸道微生物差異的原因可能是取樣時間和喂養方法不同，分娩方式和母乳喂養對腸道微生物群的發育和功能的影響也很大。

Xing 等對不同年齡驢糞便樣本的功能預測，對不同年齡組的腸道微生物群進行表征，發現與成年驢（≥7 個月）相比，幼驢（≤3 個月）腸道微生物群的多樣性和豐富性差異顯著，且隨著年齡的增長而增加，但在第1 個月微生物組成有明顯變化；擬桿菌門、乳桿菌屬（）和臭桿菌（Odoribacter）數量有減少的趨勢，而鏈球菌的比例隨著年齡增長而顯著增加；就功能預測而言，不同年齡組糞便中路徑的相對豐度有顯著差異。微生物群落的組成和結構在每個年齡組都有獨特的特征，這與微生物群落的功能穩定性相一致。隨著驢齡增加，糞便中微生物的多樣性增加，說明年齡是微生物演替的關鍵因素，這意味著母乳成分影響最初腸道微生物群的組成。

3 胃腸道不同部位菌群的特征及比較

馬屬動物是食草性非反芻動物，具有高度分隔的胃腸道（Gastrointestinal Tract，GIT），可利用多種植物纖維。GIT 的每個部分都有一個獨立的生態系統，其微生物群的組成和功能對動物健康和代謝非常重要。

Costa 等研究發現，馬腸道的細菌種群組成在各區室差異很大，尤其是在較低的分類學水平上，而相鄰的部位彼此更相似，但是黏膜組成與內腔含量不同；在較高的分類學水平下，糞便樣品可能是代表遠端部位發生變化的有用樣品，重要的是要考慮到這些部位區域之間存在的差異，尤其是在較低的分類學水平上。Su 等對比蒙古馬胃腸道不同位置的菌群發現，不同GIT 區域的微生物群落組成有顯著差異：小腸和大腸的微生物群落結構顯著不同，盲腸和結腸的微生物群落結構相似；在前腸中，厚壁菌門（65%）和變形菌門（23%）最豐富，而厚壁菌門（45%）和擬桿菌門（42%）在后腸中最常見。Liu 等研究發現，德州公驢GIT 不同部位具有豐富多樣的微生物，后腸微生物的豐富度和多樣性遠高于前腸，并且沿著GIT 的不同微生物區系在功能上與不同GIT 位點相應的生理功能是相容的，前腸中的微生物在碳水化合物新陳代謝方面更活躍，而后腸中的微生物在氨基酸新陳代謝方面更活躍。劉桂芹等對德州公驢前后腸內容物腸道菌群組成多樣性和功能預測進行分析，發現驢前后腸各個部位菌群的多樣性與其豐富程度差異極顯著；后腸段各個部位的內容物菌群的豐富程度和種類多樣性均顯著優于前腸，具有發酵纖維素的疣微菌屬等菌群基礎；前腸微生物主要具有氮代謝、動物寄生蟲和共生體清除功能、發酵作用等功能，后腸主要為厭氧和好氧作用、氮呼吸、硫細菌等功能，為驢營養代謝及科學的飼養管理提供理論支持。方雷等研究新疆驢盲腸、腹結腸、背結腸中固相食糜細菌組成多樣性，結果表明，不同腸道固相食糜細菌條帶組成上有相似區域，也有各自的特異條帶，盲腸和腹結腸的固相食糜細菌的群落多樣性豐富，顯著高于背結腸。這幾個研究的共性特征為后腸微生物的豐富度和多樣性高于前腸，前腸和后腸的最主要的新陳代謝方面不同。

4 營養與管理對腸道微生物的影響

4.1 高纖維和高淀粉 飲食是不同物種之間細菌多樣性的主要驅動力。在人類中，富含動物蛋白和脂肪的飲食導致糞便微生物群中厚壁菌門數量增加，而高植物的飲食纖維導致擬桿菌門和纖維素及木聚糖降解物的數量增加?；谂囵B的微生物學證明，與高纖維飲食相比，高淀粉飲食的馬乳桿菌和鏈球菌數量增加，同時纖維素分解菌數量減少。Warzecha 等報道了與飼喂低淀粉飲食馬的盲腸相比，飼喂高淀粉飲食馬的盲腸帕拉普氏菌科（Paraprevotellaceae）、韋氏菌科（Veillonellaceae）和乳桿菌科（Lactobacillaceae）豐度更高，并且鏈球菌科（Streptococcaceae）豐度有增加的趨勢，在瘤胃菌科（Ruminococcaceae）中也觀察到了減少的趨勢。當馬被喂以富含淀粉的食物時（每頓大于1g/kg 體重），大量淀粉在前腸中未被酶促淀粉分解消化，到達后腸時淀粉被發酵，產生更多乳酸。因此，盲腸和結腸酸堿度的降低可歸因于代謝淀粉產生乳酸的細菌類群增加，為有益的纖維分解菌增殖創造了不良條件，這可能是影響正常消化的一個風險因素。

馬的消化系統適合長期食用少量的高纖維飲食。但在訓練過程中，通常飼喂高淀粉和低纖維飲食，這可能會引起后腸微生物紊亂和腸道疼痛。Destrez 等研究的飲食壓力是從高纖維飲食（100%干草）到漸進式低纖維和高淀粉飲食（從90% 干草和10% 大麥到5%干草和43%大麥）；飲食壓力引起結腸總厭氧菌、乳酸利用菌和淀粉分解菌濃度顯著增加；當給馬飼喂43%～57%的干草大麥飲食時，馬保持警惕的時間往往與社交能力測試中盲腸和結腸淀粉分解菌的濃度呈正相關，與新恐懼癥測試中利用盲腸乳酸和結腸淀粉分解菌的濃度呈正相關。Broom假設壓力可以引起動物一系列反應，包括一系列免疫反應，例如包括粒細胞的增殖和活化。Willing 等研究發現，僅含纖維的飲食會導致更穩定的微生物群落和更低的乳酸菌，這與胃腸疾病有關。這些相關性研究表明飲食引起的微生物群調節可能影響馬的行為并引發疾病。

4.2 干草類型 Sorensen 等分析了食用苜蓿和無芒雀麥干草對成年馬盲腸和直腸微生物群的影響，結果顯示飼喂苜蓿的馬直腸 pH 高于盲腸，而飼喂無芒雀麥干草的馬直腸 pH 低于盲腸；在盲腸和直腸中苜蓿導致的總揮發性脂肪酸（VFA）濃度比溴甲烷高；并且無論干草類型如何，盲腸中的VFA 濃度和擬桿菌豐富度均比直腸高；且與盲腸樣本相比，直腸中的多樣性更大。Daly 等研究顯示，喂養濃縮飼料馬的結腸樣本中擬桿菌科細菌含量高于純草飲食的馬。有研究顯示，與飼喂濃縮物的馬相比，草食馬體內的纖維桿菌和乳桿菌科細菌數量更多，這些菌會降解纖維，并可能受到酸性環境抑制。Julliand 等報告稱，與葵花籽粕顆粒相比，飼喂脫水苜蓿顆粒的馬糞便樣本中的淀粉分解菌、果膠分解菌和乳酸利用菌增加?？傊?，各采樣位置和干草類型的微生物群落結構各不相同，發酵參數和細菌豐度受干草類型和后腸取樣位置的影響。

4.3 斷奶方式 斷奶會使飲食及方式突然改變，而在馬身上，腸道微生物群是否在調節斷奶應激反應所涉及的生理機制中起關鍵作用尚不清楚。Mach 等評估了漸進（P 組）或突然（A 組）斷奶方法對腸道微生物群組成的影響，并研究了6 個年齡層（產前30 d、斷奶后第0、3、5、7 和30 天）的不同宿主表型和腸道微生物群組成，結果顯示，與P 組相比，在斷奶前屬于普雷沃氏菌屬（）、副普雷沃氏菌屬（）和乳球菌屬（）的有益物種在A 組中更豐富，表明A 組的腸道微生物群更適合斷奶；而鏈球菌在斷奶后表現出相反的模式，研究表明無論采用何種方法，斷奶都會影響馬駒腸道微生物群組成。相反，Lindenberg 等研究發現斷奶對馬駒微生物組成沒有影響，斷奶前后血液中促炎和抗炎細胞因子的基因表達無明顯變化，產后50 d 內腸道微生物群達到相對穩定。造成結果不同的原因可能是馬駒斷奶通常在4～6 月齡，但牛奶到固體食物的轉變是漸進的，因為大多數馬駒在斷奶前就已經開始攝入固體食物。

5 疾病對腸道微生物的影響

5.1 結腸炎 馬和驢是典型的單胃食草動物，幾乎所有的食草動物都使用粗纖維作為腸道中的發酵底物。腸道微生物群的紊亂會導致馬的許多疾病，最明顯的是馬駒的結腸炎。Costa 等將健康馬與未分化結腸炎馬的糞便微生物群進行比較，發現健康馬體內的厚壁菌門占優勢（68%），其次是擬桿菌門（14%）和變形菌門（Proteobacteria）（10%）；在結腸炎馬中，擬桿菌門（40%）最豐富，其次是厚壁菌門（30%）和變形菌門（18%）。腸道內優勢菌種的改變被證明與結腸炎有關，然而將腸道微生物多樣性與結腸炎聯系起來的機制仍有待闡明。此外，腸道通透性降低或“腸漏”也可能導致微生物數量改變。健康馬和患有結腸炎馬之間微生物組的顯著差異表明結腸炎不僅僅是由單一病原體引起的，而是一種與主要微生物群紊亂引起腸道有關的疾病。病原體誘導的屏障功能障礙可能導致腸道中其他細菌增殖的減少或增加。

5.2 椎板炎 各種因素可能導致馬出現臨床椎板炎，例如攝入過量淀粉、與過度放牧茂盛牧場有關的果聚糖攝入過多以及糖皮質激素的使用和腸絞痛也可能導致椎板炎的發作。Steelman 等對從糞便中分離出細菌的基因進行焦磷酸測序，以表征健康馬和患有慢性椎板炎的馬的后腸細菌群落，結果顯示細菌群落以厚壁菌門（69.21%健康馬，56.72%椎板炎馬）和疣微菌門（18.13%健康馬，27.63%椎板炎馬）為主；椎板炎馬組中每個個體的OTUs 比健康馬組多，同時梭菌屬豐度存在差異，其中椎板炎馬組中最豐富的屬是鏈球菌屬、梭菌屬和密螺旋體屬；后腸核心菌群主要由鏈球菌屬組成。這些數據為以后研究慢性椎板炎的發生和發展奠定了基礎。

5.3 寄生蟲與驅蟲藥 放牧的馬很容易被寄生蟲群落感染，主要是線蟲感染。腸道中寄生蟲的物理存在會改變腸道微生物群的活性和組成。Clark 等使用20 個無寄生蟲的雌性威爾士小馬，10 個對寄生蟲敏感（S），10 個對寄生蟲具有抵抗力（R），發現在無寄生蟲條件下R 和S 小馬顯示出不同的免疫學特征和微生物組成；暴露于自然感染后，R 小馬在放牧92 d 和132 d 后表現出較低的糞卵計數（Fecal Egg Counts，FEC）并且單核細胞和嗜酸性粒細胞維持在較高水平，而淋巴細胞則在S 小馬中持續存在；盡管在寄生蟲感染過程中2 組馬腸道菌群的整體多樣性和結構相似，但S小馬表現出細菌減少，如乳球菌、梭菌屬XIVa 和毛螺旋菌科家族成員，這可能是由于在放牧第92 天黏膜穩態遭到破壞。根據這一假設，假單胞菌屬（）和彎曲桿菌屬（）等病態生物增加，以及幾種預測的免疫途徑變化，包括病原體感染、脂質代謝和信號轉導的激活，對于調節免疫系統和能量至關重要。腸道寄生蟲容易引起營養不良，消瘦多食，異食癖和發育障礙等，引起腸道的物理損傷和導致胃腸道微生物菌群的變化等，對引起寄生蟲感染最主要的影響因素還需進一步研究。

在馬身上，驅蟲治療是導致腸絞痛的一個因素，這可能是由于驅蟲治療改變了胃腸道微生物群。對馬用驅蟲藥芬苯達唑治療后，腸道中的擬桿菌的相對豐度降低。Walshe 等的研究也報告了類似的結果，即對于任何年齡組和治療藥物種類（芬苯達唑或莫西沙星），腸道中的擬桿菌的相對豐度都有所下降。除了驅蟲藥對細菌種群有直接影響之外，寄生蟲可能改變粘蛋白的產生，這可能導致腸道細菌營養環境改變。Kunz 等研究表明，莫西克汀和吡喹酮降低了微生物多樣性，而多樣性不變，在21 個分類組的豐度中發現顯著差異，但作者認為驅蟲治療后對胃腸道微生物群沒有重大影響。Daniels 等研究結果顯示莫西克汀沒有顯著改變菌群多樣性，而13 種不同的OTU 在治療組和對照組之間有所不同。雖然驅蟲藥對菌群沒有顯著影響，但其能使菌群多樣性和豐度下降，另外用藥時間長短也是影響的一個因素，不能排除長時間用藥對胃腸道微生物產生的影響，提示應該合理控制用藥時間。

5.4 肥胖和馬代謝綜合征 隨著現代管理方式和高能量飼料的供應，肥胖癥成為馬的一個嚴重的、越來越普遍的健康問題。Biddle 等研究發現，與健康馬相比，患肥胖癥馬的腸道微生物群落更加多樣化，腸道微生物群落的相對豐度較高，類桿菌和放線桿菌的數量較少；研究指出特定的細菌物種可能是馬患肥胖癥和瘦弱的標志，特別是與血液分析結果和肥胖呈正相關的細菌群，其中包括：丁酸弧菌屬（）、普雷沃氏菌屬、布勞特氏菌屬（）、丹毒絲菌科（Erysipelotrichaceae）以及毛螺菌科（Laospirillaceae）。這些結果是揭開肥胖癥和瘦馬腸道群落之間的代謝差異，并設計有針對性的微生物干預策略的重要第一步。然而，這項研究沒有對飲食進行控制，而飲食是微生物組成的主要驅動力。

Morrison 等進行了單一小馬品種的飲食控制研究，發現患肥胖癥馬的糞便微生物群在細菌種類方面更加多樣化，這與Biddle 等的研究結果一致。但Morrison 等研究表明肥胖癥組的擬桿菌和放線菌數量增加，而Biddle 等研究顯示上述分類群減少。這些差異可能是由于Biddle 等研究中有更多的異質性人群和多樣化飲食，而Morrison 等更嚴格地控制了研究設計。這表明微生物群可能在體重調節的生理學中起重要作用，建議用糞便移植進入腸道，進一步研究其微生物組成來確定是否有明顯的相似效果。

Elzinga 等研究顯示，馬代謝綜合征（Equine Metabolic Syndrome，EMS）馬和健康馬的整體群落結構存在差異；EMS 馬與XI 梭菌（Clostridium cluster XI）、疣微菌門和乳桿菌屬（）等未分類成員增加以及毛螺菌科、黃桿菌科（Flavobacteriaceae）和紅螺菌科（Rhodospirillaceae）等未分類成員的減少有關。此外，EMS 馬表現出糞便微生物多樣性的降低。雖然這項研究確定了EMS 馬和健康對照之間糞便微生物群組成的差異，但尚不清楚當瘦馬和有肥胖癥馬保持相同飲食時這些差異是否會持續存在。

6 小結

動物胃腸道有著數量龐大且種類豐富的微生物群落，不僅影響營養物質的消化和吸收，還參與調控宿主的多項生理功能包括疾病發生，二者達成共生可促進動物機體健康，從而有利于而提升動物生產力。馬屬動物在飼養時應注意外界環境以及結合本物種的特性來加強對其的合理管理，比如合理飲食、斷奶方式和時間、防止寄生蟲感染和合理使用驅蟲藥等。并且對于深層次信號傳導機制的研究還有較大空白，還不能確定影響微生物群落結構的主導因素是飼糧還是宿主基因型，所以還需要研究者對腸道微生物進行大量深層次的研究，這對改善馬驢胃腸道微生態環境、預防與控制疾病的發生有重要的理論指導意義。