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高谷物日粮对山羊小肠发酵_肠道结构和微生物菌群数量的影响研究_薛春旭

DOI:10.11686/cy

xb2015381http://cy

xb.lzu.edu.cn薛春旭,叶慧敏,冯泮飞,刘军花,毛胜勇.高谷物日粮对山羊小肠发酵、肠道结构和微生物菌群数量的影响研究.草业学报,2016,25(5):175-183.XUE Chun-Xu,YE Hui-Min,FENG Pan-Fei,LIU Jun-Hua,MAO Sheng-Yong.The effect of high-grain diets on small intestinal fermentation,morphological structure and microbial flora in g

oats.Acta Prataculturae Sinica,2016,25(5):175-183.高谷物日粮对山羊小肠发酵、肠道结构和

微生物菌群数量的影响研究

薛春旭,叶慧敏,冯泮飞,刘军花,毛胜勇*

(南京农业大学动物科技学院,江苏南京210095

)摘要:

本试验旨在研究高谷物日粮对山羊小肠微生物发酵、上皮组织形态及微生物菌群数量的影响。采用随机区组实验设计,将12头山羊随机分为两组,即全干草组(只饲喂粗饲料)和高谷物组(75%精料和25%粗饲料混合饲喂),每组6头,试验期为6周,试验结束后屠宰取小肠内容物及组织样品用于相关分析。结果表明,1)与干草组相比,饲喂高谷物日粮显著提高了空肠内容物中总挥发性脂肪酸(P=0.015)、丙酸(P=0.008)、丁酸(P=0.004)、异丁酸浓度(P=0.035),降低了乳酸浓度(P=0.008),但对pH值、乙酸、戊酸、异戊酸浓度及LPS含量无显著性影响(P>0.05)。与干草组相比,饲喂高谷物日粮显著提高了回肠内容物的总挥发性脂肪酸(P=0.007)、丙酸(P=0.

013)、丁酸(P=0.008)、戊酸(P<0.001)、乳酸浓度(P=0.008)以及脂多糖含量(P<0.001),降低了pH值(P=0.

005),但对乙酸、异丁酸和异戊酸浓度无显著影响(P>0.05);2)与干草组相比,高谷物日粮组山羊的十二指肠、空肠和回肠的绒毛高度和隐窝深度均显著升高(P<0.001);空肠绒毛高度与隐窝深度的比值显著降低(P=0.

024);电镜结果表明,高谷物组空肠和回肠紧密连接受到破坏;3)与干草组相比,高谷物日粮组山羊回肠黏膜中碱性磷酸酶活性显著提高(P<0.05),但对空肠黏膜中碱性磷酸酶活性无显著影响(P>0.05);4)Real-time PCR定量分析表明,与干草对照组相比,高谷物日粮山羊回肠拟杆菌门16SrRNA基因拷贝数显著降低(P=0.037),厚壁菌门与拟杆菌门细菌数量比值显著升高(P<0.001),但对厚壁菌门细菌基因拷贝数无显著影响(P>0.05);空肠中拟杆菌门基因拷贝数、厚壁菌门基因拷贝数以及厚壁菌门与拟杆菌门细菌数量比值无显著变化(P>0.05)。结果说明,

饲喂高谷物日粮对回肠上皮组织形态及回肠微生物发酵具有显著影响,对其健康可能有不利影响。关键词:高谷物日粮;小肠;紧密连接;碱性磷酸酶;微生物

The effect of high-grain diets on small intestinal fermentation,morpholog

icalstructure and microbial flora in g

oatsXUE Chun-Xu,YE Hui-Min,FENG Pan-Fei,LIU Jun-Hua,MAO Sheng-Yong

College of Animal Science and Technology,Nanjing Ag

ricultural University,Nanjing210095,ChinaAbstract:This study investigated the effect of high-grain(HG)diets on microbial fermentation,epithelial tis-sue morphology,alkaline phosphatase activity and the quantity of microbial flora in the small intestine of goats.Twelve goats were randomly allocated to two groups(6in each group)and were fed a hay(0%grain)or HGdiet(75%grain)for 6weeks.After 6weeks of feeding,the goats were slaughtered to collect small intestinaldigesta and tissue for analysis.The results showed that:1)Compared with the hay group,HG feeding signifi-cantly increased the concentrations of total volatile fatty 

acid(P=0.015),propionate(P=0.008),butyrate第25卷 第5期Vol.25,No.5

草 业 学 报

ACTA PRATACULTURAE SINICA

175-183

2016年5月

*收稿日期:2015-08-31;改回日期:2015-11-

03基金项目:国家自然科学基金项目(31372339

)资助。作者简介:薛春旭(1991-)

,女,天津人,在读硕士。E-mail:xuechunxu2014@163.com*通信作者Corresponding 

author.E-mail:maoshengyong@163.com

(P=0.004)and isobutyrate(P=0.035),while it significantly decreased the concentration of lactic acid(P=0.008).However,HG diet feeding did not influence pH or the concentrations of acetate,valerate,isovalerateand LPS in jejuna digesta(P>0.05);Compared with the hay group,HG diet increased the concentrations oftotal volatile fatty acid(P=0.007),propionate(P=0.013),butyrate(P=0.008),valerate(P<0.001),lac-tic acid(P=0.008)and lipopolysaccharide levels(P<0.001),while it decreased the pH value(P=0.005)inileal digesta.There were no significant differences in the concentrations of acetate,isobutyrate,isovalerate be-tween the hay and HG groups(P>0.05).2)Compared with the control,HG feeding significantly increasedvilli height and crypt depth in the duodenum,jejunum and ileum tissue(P<0.001).The ratio of villus heightto crypt depth(V/C)increased in the jejunum(P=0.024).Transmission electron micrographs of jejunum andileum tissue during the HG diet displayed a deterioration of the tight junction.3)Compared with the control,HG diets significantly increased the alkaline phosphatase activity of ileal mucosa(P<0.05),but had no influ-ence on the alkaline phosphatase activity of jejunum mucosa(P>0.05).4)Real-time PCR analysis showed thatin ileum digesta the 16SrRNA gene copies of Bacteroidetes from the HG group were significantly lower than forthe hay group(P=0.037).The HG group showed an increase in the ratio of Firmicutesto Bacteroidetes(P<0.001),while there was no significant difference in the 16SrRNA gene copies of Firmicutes(P>0.05).Nosignificant differences(P>0.05)between the hay and HG groups’jejunum digesta were observed in the 16SrRNA gene copies of Bacteroidetes and Firmicutes,or in the ratio of Firmicutes to Bacteroidetes.In summary,these results indicate that feeding goats high proportions of grain can significantly influence the morphologicalcharacteristics of ileal epithelium and microbial fermentation in ileal digesta,and may have a negative effect onthe health of g

oats.Key 

words:high-grain diet;small intestine;tight junction;alkaline phosphatase;microbial flora在现代规模化、集约化牛羊养殖过程中,生产者为追求最大程度经济效益,常在动物饲料中使用高比例谷物原料,但大量使用高谷物日粮在提高动物生产性能的同时,也引发了一些营养代谢疾病如瘤胃酸中毒。近年来,研究者已对瘤胃酸中毒的致病机制和潜在危害做了大量研究。相关报道显示,瘤胃酸中毒可改变瘤胃微生物菌

群结构与组成[1]

,致瘤胃pH值下降、挥发性脂肪酸(volatile fatty acid,VFA)累积,瘤胃内脂多糖(lipopolysac-charide,LPS)和生物胺的浓度显著增加[2-

3],致瘤胃上皮屏障损伤;同时大量可发酵碳水化合物进入后肠,还可引发后肠酸中毒[

4]

。因此,这些结果暗示,长期饲喂高谷物日粮可使反刍动物瘤胃与后肠健康受损。小肠是动物消化道重要的生理器官,其功能包括两方面:一是接收来自胃初步消化的营养物质,起到容器作用;二是将初步消化的营养物质进一步消化分解成小分子物质,通过肠黏膜上皮细胞吸收进入血液和淋巴。因此,维持小肠的正常结构与功能对于动物健康至关重要。我们前期研究发现,饲喂高谷物日粮除影响山羊瘤胃功能外,瘤胃中未经消化的过量精料进入小肠后,也可能对小肠的生理结构与小肠微生物发酵造成不利影响。然而,当前该领域的研究工作主要集中于饲喂高谷物日粮对山羊前胃与后肠发酵及其上皮健康的影响,有关高谷物日粮对山羊小肠消化生理的影响尚不清楚。因此,本研究以山羊为研究对象,探究了高谷物日粮对山羊小肠上皮形态学变化、碱性磷酸酶活性及微生物菌群的影响,拟进一步丰富人们对高谷物日粮影响动物健康的理论认识。1 材料与方法

实验于2014年12月到2015年3月在南京农业大学动物实验基地进行。1.1 试验设计

试验选用12头体重相近、安装有永久性瘤胃瘘管的健康南京本地山羊[(28.4±3.0)kg],单栏饲养,自由饮水。采用随机区组试验设计,将12只山羊分为两组,即饲喂全干草组(100%粗饲料)以及高谷物组(75%高精料+25%的粗饲料),每组6头,试验期为6周。饲粮供给量按体重的3.5%计算,预设为1.05kg

,精料和粗饲料671ACTA PRATACULTURAE SINICA(2016)Vol.25,No.5

分开饲喂,每天饲喂两次(分别为8:00和17:00),每次等量饲喂。干草与高谷物组的饲料原料组成以及营养水平见表1。

表1 日粮组成与营养水平(DM基础)

Table 1 Ingredients and nutrient composition of the exp

erimental diets(DM basis)

 净能根据各原料能量计算所得,其余为实测值。Net energy is calculated value according 

to ingredients energy,while others are measured values.1.2 样品采集

在实验期第42天,晨饲前屠宰取十二指肠、空肠和回肠黏膜样,用冰磷酸缓冲液清洗干净后,分成3部分,其中一部分立即冻存于液氮中,用于碱性磷酸酶活性测定;另一部分用2.5%戊二醛固定,用于扫描和透射电镜观察;其他部分用4%多聚甲醛固定,用于石蜡切片。屠宰后立即取空肠和回肠内容物,各部分分别混合均匀后,分别测定内容物pH值,另取部分按1∶1的重量比与去离子水混合,5

000r/min下离心15min后,取上清液冻存于-20℃冰箱中用于挥发性脂肪酸、乳酸和LPS浓度的测定,L

PS在分析之前使用Li等[5]的方法处理,取10g样品转移到无热源的管中,其中包含10mL的生理盐水,并且混合均匀,4℃、13000r/min下离心40min后,收集大约2mL样品,过滤到无热源的玻璃管中,然后100℃加热30min。室温冷却10min,存放在-20℃下待测;同时取部分内容物冻存于-20℃冰箱中用于细菌DNA提取。1.3 指标测定及方法

1.3.1 空肠、

回肠发酵参数的测定 采用比色法测定空肠、回肠内容物中乳酸浓度[6]

,采用气相色谱法(日本,GC-14B气相色谱仪,色谱柱型号为Ag

ilent J&W GC Columns:30m×0.32mm×0.25μm,柱温110℃,气化室温度180℃,检测室温度180℃)测定挥发性脂肪酸浓度[7]

。pH值用pH计(HI 

9024C,HANNA)测定。采用显色基质特异性鲎试剂盒测定游离LPS浓度(厦门鲎试剂厂有限公司),基本原理是内毒素可激活鲎试剂中的C因子,进而激活凝固酶原,凝固酶可水解人工合成显色基质鲎三肽释放出呈黄色的对硝基苯胺(para nitro aniline,PNA)

,再将PNA重氮化形成偶氮兰复合物(呈玫瑰红),该复合物可于545nm波长处测定吸光度。试剂盒包括:鲎试剂(1.7mL/支)、显色基质(1.7mL/支)、细菌内毒素工作品(9EU/支)、偶氮化试剂1(10mL/支)、偶氮化试剂2(10mL/支)、偶氮化试剂3(10mL/支)、细菌内毒素检查用水(50mL/瓶)、反应终止液(盐酸HCl,50mL

/瓶)。1.3.2 空肠和回肠黏膜碱性磷酸酶活性的测定 山羊空肠和回肠黏膜的碱性磷酸酶活性的测定采用试剂盒。试剂盒购于南京建成生物工程研究所。

1.3.3 组织切片的处理 用4%多聚甲醛固定,

洗涤、酒精梯度脱水、浸蜡、包埋、切片、帖片、脱蜡复水、苏木7

71第25卷第5期草业学报2016年

精-伊红染色、封固,在光学显微镜下观察十二指肠、空肠和回肠上皮组织形态的变化。

1.3.4 电镜样品的处理 用冰磷酸缓冲液反复清洗各肠组织样品,2.5%的戊二醛固定后,磷酸缓冲液清洗;采用乙醇脱水后,冷冻干燥仪干燥样品,用离子溅射仪镀膜,扫描电子显微镜进行观察(S-3000N,日本,HITA-CHI)。透射电镜实验中的样品前处理与扫描电镜预处理一致,缀以1%的锇酸固定,乙醇梯度脱水,用丙酮置换后,浸渍、包埋、聚合,修块使样品表面积小于0.2mm×0.2mm,超薄切片,经铀染色与铅染色清洗后,透射电子显微镜(H-7650,日本,H

ITACHI)进行观察。1.3.5 总细菌DNA提取和16SrRNA基因片段扩增 称取约0.1g解冻后的肠道内容物样至灭菌后的Ep-pendorf管中,加入1.5mL的磷酸缓冲液(p

hosphate buffer solution,PBS)(pH=7.0),涡旋混合,13000r/min离心5min,弃上清,参照Khafip

our等[1]

的方法,用珠磨法机械破碎样品,后用酚和氯仿/异戊醇提取其总DNA。提取DNA于-20℃保存备用。

1.3.6 Real-time PCR定量分析 使用ABI 7500Real-time PCR仪(Applied Biosysterm)对肠道内容物样中拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)进行定量。分别以化脓拟杆菌(Bacteroides pyog

enus)和厚壁菌的16SrRNA基因作为模板,模板拷贝数分别为3.29×109和7.48×109 

copies/μ

L。模板按照10倍梯度向下稀释,在标准曲线上使用5个点,每个点3次重复检测,制作相应细菌定量的标准曲线。Real-time PCR反应体系为20μL:10.4μL SYBR Green Sup

ermix(TOYOBO),10μmol/L的上下游引物各0.4μL,2μL样品DNA以及6.8μL无菌水。实验定量PCR分析所用引物见表2,引物Bact934F/Bact1060R和Firm934F/Firm1060R[8

分别用于定量山羊肠道内容物样中拟杆菌门和厚壁菌门的16SrRNA基因拷贝数,PCR反应程序为:95℃10min,而后95℃30s,60℃下退火及延伸1min,40个循环。

表2 本研究中所用引物序列Table 2 List of primers used in this study

目标菌Target groups引物Primers序列5’-3’Seq

uence 5’-3’参考文献References

拟杆菌门Bact 934FGGARCATGTGGTTTAATTCGATGAT[8]Bacteroidetes Bact 1060RAGCTGACGACAACCATGCAG

[8]厚壁菌门Firm 934FGGAGYATGTGGTTTAATTCGAAGCA[8]Firmicutes 

Firm 

1060RAGCTGACGACAACCATGCAC

[8

]1.4 数据处理

试验数据采用SPPS(SPSS version 18.0,Chicago,IL)统计软件中Independent T-test程序进行统计分析。试验结果均以平均值±标准误表示。显著性置于0.05水平。2 结果与分析

2.1 山羊空肠和回肠发酵参数

由表3可见,与干草组相比,饲喂高谷物日粮显著提高了空肠总挥发性脂肪酸(P=0.015)、丙酸(P=0.008)、丁酸(P=0.004)、异丁酸浓度(P=0.035),降低了乳酸浓度(P=0.008),但对空肠内容物中pH、乙酸、戊酸、异戊酸浓度及LPS含量无显著性影响(P>0.05)。与干草组相比,饲喂高谷物日粮显著提高了回肠总挥发性脂肪酸(P=0.007)、丙酸(P=0.013)、丁酸(P=0.008)、戊酸(P<0.001)、乳酸浓度(P=0.008)以及LPS含量(P<0.001),降低了回肠内容物的pH值(P=0.005),但对乙酸、异丁酸和异戊酸浓度无显著影响(P>0.05)。2.2 山羊小肠上皮形态结构

由图1可见,光学显微镜下观测结果表明,与干草组相比(十二指肠:图1A;空肠:图1C),高谷物日粮组十二指肠(图1B)和空肠(图1D)的细胞间空隙明显增大。与干草组(图1E和图1G)相比,高谷物日粮组的回肠(图1

F和图1H)绒毛松散,出现脱落现象,排列不齐。透射电镜结果表明,与干草组(空肠:图1I;回肠:图1K)相比,871ACTA PRATACULTURAE SINICA(2016)Vol.25,No.5

高谷物日粮组的空肠(图1J)紧密连接缝隙变大、回肠(图1L)

紧密连接结构模糊不清。表3 高谷物日粮对山羊空肠和回肠发酵参数的影响

Table 3 Effects of a high grain diet feeding 

on the jejunal and ileal fermentation parameters in goats项目Item

空肠Jej

unum干草Hay高谷物组High g

rain P值P-value回肠Ileum

干草Hay高谷物组High g

rain P值P-valuep

H 5.77±0.12 5.76±0.17 0.971 7.85±0.05 7.52±0.08 0.005总挥发性脂肪酸Total volatilefatty acid(μmol/g)6.25±1.16 

11.90±1.54 

0.015 

20.69±2.91 

32.56±1.95 

0.007

乙酸Acetate(μmol/g)4.02±0.77 6.11±0.85 0.099 17.13±3.53 24.95±2.36 0.103丙酸Propionate(μmol/g)1.40±0.25 2.99±0.41 0.008 1.98±0.38 3.43±0.29 0.013丁酸Butyrate(μmol/g)0.26±0.07 0.98±0.18 0.004 0.51±0.12 1.16±0.38 0.008异丁酸Isobutyrate(μmol/g)0.26±0.07 0.66±0.15 0.035 0.63±0.17 0.82±0.09 0.331戊酸Valerate(μmol/g)0.10±0.02 0.82±0.52 0.257 0.11±0.02 1.81±0.14<0.001异戊酸Isovalerate(μmol/g)0.21±0.08 0.35±0.10 0.314 0.33±0.09 0.39±0.09 0.684乳酸Lactic acid(μmol/g)1.54±0.25 0.50±0.04 0.008 0.30±0.04 1.29±0.21 0.008游离LPS Free LPS(EU/g

)25305±6149 

33619±9982 

0.550 

7306±808 

48873±3557

<0.

00

1图1 饲喂高谷物日粮对山羊十二指肠、空肠与回肠上皮形态的影响

Fig.1 The effect of a high grain diet feeding on changes in histomorphology 

of duodenum,jejunum and ileum epithelium A:

十二指肠全干草组(光学显微镜,100μm),B:十二指肠高谷物组(光学显微镜,100μm),C:空肠全干草组(光学显微镜,20μm),D:空肠高谷物组(光学显微镜,20μm),E:回肠全干草组(光学显微镜,20μm),F:回肠高谷物组(光学显微镜,20μm),G:回肠全干草组(光学显微镜,×4),H:回肠高谷物组(光学显微镜,×4),I:空肠全干草组(透射电镜观察,200nm),J:空肠高谷物组(透射电镜观察,200nm),K:回肠全干草组(透射电镜观察,500nm),L:回肠高谷物组(透射电镜观察,500nm)。A:Hay of duodenum(Light microscope,100μm),B:High grain of duodenum(Light mi-croscope,100μm),C:Hay of jejunum(Light microscope,20μm),D:High grain of jejunum(Light microscope,20μm),E:Hay of ileum(Lightmicroscope,20μm),F:High grain of ileum(Light microscope,20μm),G:Hay of ileum(Light microscope,×4),H:High grain of ileum(Lightmicroscope,×4),I:Hay of jejunum(Transmission electron microscope,200nm),J:High grain of jejunum(Transmission electron microscope,200nm),K:Hay 

of ileum(Transmission electron microscope,500nm),L:High grain of ileum(Transmission electron microscope,500nm).2.3 山羊小肠绒毛高度和隐窝深度

71第25卷第5期草业学报2016年

从表4可知,高谷物组山羊十二指肠、空肠和回肠绒毛高度和隐窝深度极显著高于干草对照组(P<0.001)。与干草对照组相比,高谷物组山羊空肠绒毛高度与隐窝深度的比值显著下降(P=0.024)。而十二指肠、回肠的绒毛高度与隐窝深度的比值差异不显著(P>0.05

)。表4 高谷物日粮对山羊小肠绒毛高度和隐窝深度的影响

Table 4 Effect of a high grain diet on the small intestinal villi height and crypt depth in g

oats部位Part

项目Items

干草Hay高谷物组High grain P-值P-value

十二指肠Duodenum

绒毛高度Villus length(μm)511.02±6.34 626.90±6.33<0.001隐窝深度Crypt depth(μ

m)154.93±3.03 176.36±3.79<0.001绒毛高度/隐窝深度Villus length/crypt dep

th 3.69±0.16 3.90±0.22 0.456空肠Jej

unum绒毛高度Villus length(μm)451.30±7.02 697.77±9.05<0.001隐窝深度Crypt depth(μ

m)136.19±3.64 243.02±5.24<0.001绒毛高度/隐窝深度Villus length/crypt dep

th 4.17±0.44 2.93±0.09 0.024回肠Ileum

绒毛高度Villus length(μm)280.77±3.01 353.98±5.79<0.001隐窝深度Crypt depth(μ

m)170.79±4.01 205.31±4.93<0.001绒毛高度/隐窝深度Villus length/crypt dep

th 1.76±0.13 

1.85±0.15 

0.662

2.4 空肠和回肠内容物中厚壁菌门与拟杆菌门数量

由表5可见,与干草组相比,高谷物日粮组山羊回肠拟杆菌门16SrRNA基因的拷贝数显著降低(P=0.037),同时厚壁菌门与拟杆菌门细菌数量比值显著升高(P<0.001),但两组间厚壁菌门细菌数量无显著差异(P>0.05);与对照组相比,饲喂高谷物日粮对空肠中拟杆菌门、厚壁菌门16SrRNA基因的拷贝数及二者间的比例无显著影响(P>0.05

)。表5 高谷物日粮对空肠、回肠内容物中拟杆菌门和厚壁菌门16SrRNA基因拷贝数的影响

Table 5 Effect of a high grain diet on the 16SrRNA gene copy 

number ofFirmicutes and Bacteroidetes in jejunum and ileum dig

esta菌群Bacterial groups空肠16S核糖体RNA基因拷贝数16SrRNA gene of jejunum(Log10copies/g)干草Hay高谷物组High g

rain P-值P-value回肠16S核糖体RNA基因拷贝数16SrRNA gene of ileum(Log10copies/g)干草Hay高谷物组High g

rain P-值P-value拟杆菌门Bacteroidetes 2.03±0.32 2.54±0.21 0.226 13.21±2.56 4.64±1.00 0.037厚壁菌门Firmicutes 5.14±1.29 6.79±1.51 0.411 6.79±1.15 5.61±0.91 0.467厚壁/拟杆Firm/bact 

3.00±1.97 

2.75±0.08 

0.917 

0.47±0.03 

1.18±0.05

<0.

0012.5 山羊空肠和回肠碱性磷酸酶活性

由表6可见,与干草对照组相比,饲喂高谷物日粮可以提高回肠黏膜中碱性磷酸酶活性(P=0.046),但对山羊空肠中碱性磷酸酶活性无显著差异(P>0.05)。3 讨论与结论

小肠作为消化道内营养物质吸收和转运的主要部位,其绒毛高度及隐窝深度是衡量肠道消化吸收功能

表6 高谷物日粮对山羊空肠和回肠中碱性磷酸酶的影响Table 6 Effect of a high grain diet on the activity ofalkaline phosphatase in jej

unum and ileum mucosa项目I

tems碱性磷酸酶

Alkaline phosphatase(U/mg

)干草Hay

高谷物组High g

rainP-值P-v

alue空肠黏膜Jejunum mucosa 20.69±1.11 22.02±0.70 0.337回肠黏膜Ileum mucosa 

14.76±5.12 28.58±2.06 0.

046的重要指标[9-

10]。研究显示,小肠绒毛高度下降说明其吸收功能可能下降;而隐窝深度变浅则显示细胞成熟率上

081ACTA PRATACULTURAE SINICA(2016)Vol.25,No.5

升,分泌功能增强[11]

。本试验结果显示,饲喂高谷物日粮的山羊十二指肠、空肠和回肠绒毛高度和隐窝深度极显

著高于对照组(P<0.001),结果说明饲喂高谷物日粮可促进小肠黏膜生长,增强消化吸收功能,其原因可能与空肠(P=0.004)和回肠(P=0.008)中丁酸含量显著升高有关。相关研究表明,肠道丁酸浓度升高可下调消化道上皮中胰岛素结合蛋白3(IGFBP-3)基因表达,由于IGFBP-3是胰岛素样生长因子1(IGF-

1)的重要结合蛋白,其表达水平下降可导致IGF-1的释放量增加,而IGF-1增加可促进肠上皮细胞的生长[12]

。此外,也有研究表明,丁酸可通过减少消化道上皮细胞的凋亡来诱导上皮乳头状突起的生长[13]

。因此,丁酸可能通过多条途径影响肠上皮

生长。

研究显示,饲喂高谷物日粮可提高奶牛与山羊后肠中总挥发性脂肪酸浓度[5]

,致pH值下降。本实验发现,

饲喂高谷物日粮的山羊空肠和回肠内容物中总挥发性脂肪酸浓度升高,结果与上述报道相似,说明饲喂高谷物日粮同时也影响了山羊小肠微生物发酵。本实验同时发现,高谷物组山羊的回肠乳酸浓度显著升高,说明高谷物日粮可能有利于回肠中乳酸菌生长。研究表明,饲喂大量谷物可提高奶牛瘤胃液中游离脂多糖的浓度,而低pH与

高浓度LPS可能损伤瘤胃上皮结构[14]

。本实验中饲喂高谷物日粮山羊的回肠内容中LPS浓度显著升高,

结果与上述报道相似。说明饲喂高谷物日粮不仅可影响瘤胃与后肠发酵,同时影响小肠尤其是回肠微生物发酵。

对反刍动物而言,较瘤胃复层上皮相比,由单层上皮细胞组成的小肠上皮屏障完整性更易被破坏[

15]

。在肠上皮屏障中,细胞间紧密连接在维护上皮屏障功能、上皮细胞极性及上皮屏障通透性中起到重要作用[

16-

17]。研究显示,饲喂高谷物日粮可破坏奶牛结肠黏膜屏障的完整性和通透性,导致肠上皮屏障损伤,在形态学上表现为肠

上皮紧密连接间隙变宽,上皮细胞核破裂和线粒体结构性损伤[18]

,线粒体结构性损伤可进一步抑制ATP的生成[19-

20],进而影响与上皮通透性相关的紧密连接蛋白Claudin-

4和Occludin的基因转录与翻译,最终导致这些蛋白的表达下降,上皮通透性发生改变,引发细胞肿胀坏死和大分子物质(微生物和微生物产物,如LPS)

易位,造成肠道损伤[14]

。本实验中,光学显微镜观测结果表明,与对照组相比,饲喂高谷物日粮的山羊回肠绒毛松散,出

现脱落现象,排列不齐。透射电镜结果表明,回肠紧密连接结构模糊不清。我们推测,出现上述结果的原因可能与高谷物日粮下山羊回肠中pH值显著降低所引发的系列生理效应有关。此外,本试验结果发现,饲喂高谷物日粮组的山羊的空肠空隙明显增大,紧密连接出现开口,空肠绒毛高度与隐窝深度的比值显著下降。前人研究表

明,肠绒毛高度与隐窝深度的比值可反应小肠黏膜的受损程度,比值下降暗示小肠黏膜受损[21]

。因此,上述结果

说明,饲喂高谷物组山羊的空肠黏膜也受到损伤,但本实验结果未发现高谷物组与干草组山羊的空肠pH值及L

PS浓度有显著差异,因此,空肠上皮出现明显损伤的原因尚不清楚,需进一步研究。日粮是影响肠道微生物区系结构和功能的主要因素之一[22-

24]。研究表明,日粮原料特性及其物理性质改变

可导致奶牛瘤胃与后肠发酵模式变化,进而引发瘤胃与后肠微生物菌群结构发生改变。相关研究显示,当奶牛日粮从以粗饲料为主的日粮转变为高谷物日粮为主时,瘤胃中总挥发性脂肪酸浓度显著升高,同时瘤胃菌群中拟杆

菌门比例会显著下降,而厚壁菌门比例显著升高[

25]

。本研究发现,饲喂高谷物日粮显著提高了空肠与回肠内容物中总挥发性脂肪酸含量,显著影响了回肠中拟杆菌门数量,但对山羊空肠中厚壁菌门与拟杆菌门细菌的数量无显著影响;我们推测,高谷物日粮对两段肠道内容物中微生物菌群数量影响不一致的原因可能与食糜流通速度不同有关。较空肠相比,回肠中食糜的流通速度较低;因此,回肠内容物中微生物可充分利用底物生长,因而数量较高;这也说明日粮可能更易影响微生物菌群结构与组成。本试验同时发现,饲喂高谷物日粮显著降低了拟杆菌门细菌数量,由于拟杆菌门细菌主要为革兰氏阴性菌,而革兰氏阴性菌对环境pH值尤其敏感,因此,其数量下降可能与回肠内容物pH值下降有关;

同时,革兰氏阴性菌细胞壁中含有大量的脂多糖,因此,该类微生物可能因不适应低pH而导致细菌大量死亡、

裂解,最终导致内容物中LPS浓度显著升高[26]

。碱性磷酸酶(alkaline phosphatase)是一种非特异性磷酸单脂酶,广泛存在于动物界和微生物界,可催化磷酸单脂水解反应和转磷酸作用。研究表明,碱性磷酸酶在肠道免疫中发挥作用,其主要存在于肠上皮表面,可作为

肠道黏膜防护因子[2

7],是防止脂多糖进入机体的第一道防线。近年来研究发现,小牛肠碱性磷酸酶可作为一种新型药物制剂,治疗小鼠和仔猪因LPS诱发的肠源性疾病[28]

,其原理与碱性磷酸酶可通过对LPS的脱磷酸反应,进而减弱革兰阴性菌毒性有关[29-

31]。本研究中,高谷物日粮显著提高了回肠黏膜中碱性磷酸酶活性(P<

81第25卷第5期草业学报2016年

0.05),但对山羊空肠黏膜的碱性磷酸酶活性无显著影响。其原因可能与饲喂高谷物日粮组山羊空肠内容物中L

PS浓度显著升高有关。实际上,在LPS浓度升高情况下,动物机体可能会对LPS产生一种生理性应答,以阻止LPS对上皮组织的损伤。该结果同时表明,碱性磷酸酶可能在调控LPS的生理毒性和维护动物肠上皮屏障功能中起着重要作用。

综上所述,饲喂高谷物日粮可提高山羊空肠与回肠中总挥发性脂肪酸浓度,致回肠内容物pH下降、乳酸及L

PS浓度升高;同时回肠上皮紧密连接受损,回肠拟杆菌门数量与碱性磷酸酶活性受到影响。结果暗示,饲喂高谷物日粮改变了小肠微生物发酵,导致小肠上皮健康受损。R

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