2020年4月，东北农业大学动物营养研究所石宝明教授团队在农业食品领域顶级期刊《Agricultural and Food Chemistry》上发表题为“An Early Fecal Microbiota Transfer Improves the Intestinal Conditions on Microflora and Immunoglobulin and Antimicrobial Peptides in Piglets”的研究论文，该研究报道了早期粪菌移植能够改善仔猪肠道菌群、免疫球蛋白及抗菌肽环境。文章中16S rDNA测序和宏基因组测序由武汉博越致和生物科技有限公司提供。

中文题目：早期粪菌移植能够改善仔猪肠道菌群、免疫球蛋白及抗菌肽环境

发表杂志：Journal of Agricultural and Food Chemistry

发表时间：2020-04

目前肠道菌群越来越受到人们关注，但其在新生动物体内的定殖机理一直未能阐明。已有研究发现肠道菌群能够调节机体免疫力，粪菌移植（FMT）被认为是改变新生动物肠道菌群结构的有效方法，但关于受体动物肠道内特定微生物的来源与粪菌供体的关系却尚未探清。迄今为止，很少有研究报道早期粪菌移植对仔猪肠道菌群结构的改变，以及对肠道粘膜免疫功能的影响。因此，本研究选取新生仔猪为受体，民猪为供体，受体仔猪从第1天至第10天喂以供体的粪便菌液，利用16S rDNA和宏基因组测序技术研究早期粪菌移植(FMT)对受体仔猪肠道菌群的影响，揭示FMT引起的仔猪肠道粘膜免疫及发育相关功能的变化，从而为仔猪早期粪菌移植方法的实践提供理论依据。

1.  16S rDNA测序和宏基因组测序共同揭示粪菌移植引起的仔猪肠道菌群变化

作者首先采集了12只仔猪的盲肠样本，2组，2个时间点（D21和D40），其中实验组（R）喂以粪菌悬液，对照组（Con）喂以等量生理盐水。对V4区进行16S rDNA扩增子测序，通过分析仔猪盲肠门水平的物种相对丰度发现，在第21天，同对照组相比，实验组受体仔猪梭杆菌门相对丰度显著增加，变形菌门丰度显著降低（图1a）。第40天，实验组受体仔猪的厚壁菌门相对丰度显著增加，拟杆菌门丰度下降（图1b）。

图1  盲肠菌群门水平的物种相对丰度

作者又分析了受体仔猪盲肠菌群属水平的物种相对丰度，在第21天，实验组受体仔猪的梭杆菌属相对丰度增加(图2a)，属于变形菌门的肠杆菌科和鞘氨醇单胞菌相对丰度均下降，链球菌属丰度下降（图2c）。第40天，受体仔猪中乳酸杆菌的相对丰度显著增加（图2b），肠杆菌科和鞘氨醇单胞菌丰度明显下降(图2d)。结果表明通过粪菌移植可降低仔猪肠道内一些有害病原菌的相对丰度，增加肠道益生菌比如乳酸菌的丰度，以降低仔猪腹泻、炎症等感染性疾病发生的潜在风险。

进一步对4个不同时间点（11d，21d，40d，55d，各设4组生物学重复）的16只受体仔猪（P），1只供体民猪（M），1只母本猪（Y）的粪便样本进行宏基因组测序。对测序结果进行分析，受体仔猪粪便菌群的丰度随着生长时间发生了明显变化，如图3所示，梭菌目和拟杆菌目在仔猪哺乳期和保育期均占主导地位。而在种水平上，Faecalibacterium prausnitzii, Mitsuokella unclassified, Selenomonas bovis, Prevotella_copri和Acidaminococcus fermentans在仔猪哺乳期相对丰度较低，但在保育期有所上升；相反的是，Bacteroides massiliensis，Alistipes onderdonkii, Bacteroide coprophilus，Fusobacterium mortiferum，Bacteroides vulgatus，Odoribacter unclassified和Desulfovibrio piger在仔猪哺乳期相对丰度较高，而在保育期有所下降（图3）。因此，早期粪菌移植可能会促进某些益生菌在仔猪体内定殖，同样也存在某些特定病原菌定殖的风险。

 图4   受体仔猪粪种水平物种在供体和母本中的分布

2.  粪菌移植对仔猪小肠粘膜中免疫球蛋白和细胞因子的影响

为了观察粪菌移植对仔猪肠道粘膜免疫力的影响，对仔猪小肠粘膜的免疫球蛋白浓度进行ELISA检测。在第21天时，受体仔猪的空肠和回肠粘膜的IgG浓度均明显上升，空肠IgM浓度明显升高，增强了空肠和回肠对病原菌比如梭杆菌的抵抗力；第40天时，受体仔猪回肠中IgG和IgM含量均显著升高（图5），这很可能与乳酸杆菌丰度的增加有关。

3.  粪菌移植对仔猪小肠粘膜抗菌肽和发育相关功能的影响

粪菌移植后，受体仔猪小肠粘膜抗菌肽mRNA的表达发生明显变化。第21天时，受体仔猪十二指肠的PR-39 的 mRNA表达显著下调，由于PR-39可以杀死大肠杆菌，鼠伤寒沙门氏菌等病原菌，说明哺乳期仔猪十二指肠粘膜抗菌活性较低。第40天时，受体仔猪十二指肠中 pMAP-37, PR-39 和 Protegrin-1的 mRNA 表达上调，这些抗菌肽与宿主防御能力有关，可能是 IFN-γ 增加所导致。另外，空肠 pBD-2 , pBD-3 和 PR-39 的 mRNA 表达均显著上调，受体仔猪盲肠微生物多样性降低，可能与这些AMPs的高表达有关（图7）。

另外，粪菌移植对受体仔猪小肠粘膜发育相关功能也有明显影响。第21天时，受体仔猪空肠中DMT1 的 mRNA 和蛋白表达均上调（图7），由于DMT1 能够调节Fe ²⁺ 和Mn²⁺ 运输，因此粪菌移植增强了哺乳期仔猪空肠吸收利用二价金属离子的能力。第21和40天时，仔猪回肠中EGF 的 mRNA 表达均上调，由于EGF能调控小肠对磷的吸收，还可减轻因断奶刺激引起的肠道损伤，因此粪菌移植增强了仔猪回肠的吸收和损伤修复功能。第40天时，十二指肠中CDX2 和 IGF-1 的 mRNA 和蛋白表达均上调（图7），研究表明 CDX2 在上皮细胞增殖过程中能够激活 mTORC1 和 Wnt 信号通路，CDX2 高表达还可改善肠道屏障， IGF-1 是肠道生长调节因子，另外，CDX2 可调整 IGF-1的信号转导。

图7   粪菌移植对受体仔猪小肠中抗菌肽和发育相关功能基因表达的影响

综上，早期粪菌移植后，受体仔猪肠道菌群发生了明显变化，哺乳期受体仔猪肠道变形菌门相对丰度下降，保育期由于乳酸菌增加导致厚壁菌门丰度上升，而拟杆菌门丰度下降。另外，早期粪菌移植对新生仔猪各肠段粘膜免疫力和发育相关功能在不同生长时期有着不同的影响（图8），哺乳期空肠粘膜中IgM和IgG均显著增加，回肠粘膜中IgG浓度也增加；保育期，回肠黏膜中IgG和IgM浓度增加，促使肠道免疫力增强。同时，粪菌移植通过调节小肠粘膜中的IFN-γ等细胞因子和抗菌肽AMPs来提高肠道免疫力。而且，小肠粘膜发育相关功能也增强了（图8）。因此，早期粪菌移植可改善仔猪肠道菌群、肠黏膜免疫及发育相关功能。

图8   早期粪菌移植对受体仔猪肠道功能的影响