甘草酸和益生菌组合缓解呕吐毒素危害断奶仔猪生长和肠道健康的分子机制

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霉菌毒素是由霉菌产生的有毒次级代谢产物,广泛存在于粮食或饲料中,对人和动物的健康造成很大的威胁,也带来了巨大的经济损失,严重影响畜牧业及饲料工业的发展。在众多霉菌毒素中,对人和动物危害较大的有DON、AFB1、ZEN,而DON在我国饲料中的检出率和超标率均非常高。当动物摄入受污染的食物或饲料后,DON的主要攻击目标是肠道,它可以破坏肠屏障完整性,影响肠道形态和肠上皮细胞的蛋白结构,从而引起氧化应激、炎症和凋亡。近年来,众多研究表明生物降解剂如益生菌和营养干预可以有效减轻DON的毒性。因此,鉴于我国饲料原料中DON污染较严重以及DON的毒性作用,本研究以期寻找一种既可以有效降解DON,又可以提高机体免疫力的新型饲料添加剂来缓解DON对动物造成的损伤及减少毒素的残留。首先以猪肠上皮细胞IPEC-J2为体外研究对象,研究绿原酸(CGA)、落新妇苷(AST)和甘草酸(GA)三种营养性添加剂分别对DON毒性的缓解作用,筛选出GA为对DON缓解作用较好的营养添加剂,并通过转录组学进一步研究其缓解机制;再采用正交法优化GA、酿酒酵母和粪肠球菌对缓解和降解DON毒性的最佳配比,并探讨其对猪肠道上皮细胞的免疫保护机制;再通过断奶仔猪饲养试验,研究DON对断奶仔猪生长性能、营养物质消化吸收、免疫功能以及肠道和肝脏健康的损伤,以及GA和复合益生菌配伍(GAP)对DON所造成断奶仔猪危害的缓解作用机制;最后利用16SrRNA基因测序、转录组学和代谢组学等多组学,分析GAP和DON作用后分别对断奶仔猪肠道微生物、空肠基因表达和血清代谢产物的影响,以及它们之间的相互作用关系,进而为养猪生产中使用该新型饲料添加剂高效降解霉菌毒素、防治仔猪腹泻和替代抗生素等提供理论参考依据,为动物和人类健康提供保障。本文主要研究结果如下:
  (1)GA、CGA和AST对DON致IPEC-J2细胞损伤的缓解作用:采用猪肠道上皮细胞IPEC-J2为模型,研究了DON对细胞的毒性作用以及CGA、AST和GA分别对DON致细胞损伤的修复作用。结果表明,0.5μg/mLDON作用IPEC-J2细胞6h诱导细胞发生炎症和凋亡反应,显著降低细胞活力至88.52%(P<0.05),增加了乳酸脱氢酶(LDH)释放率(P<0.05)及早期和晚期凋亡细胞率(P<0.01),显著上调了IL-6、IL-8、TNF-α、COX-2、NF-κB、Bax、Caspase3、Occludin和ASCT2基因的相对mRNA丰度(P<0.05),显著下调了Bcl-2、ZO-1、PePT1、GLUT2和SGLT1基因的相对mRNA丰度(P<0.05);而当40μg/mLCGA预处理1h后DON继续孵育6h或20μg/mLAST和400μg/mLGA分别与DON共孵育6h时,细胞活力分别显著增加至98.32%、111.25%和96.85%,显著降低LDH释放率和细胞凋亡率(P<0.05),以及显著降低上述炎症和凋亡相关基因和蛋白的表达(P<0.05),显著升高紧密连接蛋白和营养物质转运相关基因和蛋白的表达(P<0.05)。表明加入CGA、AST和GA均可以减轻DON的细胞毒性,提高活细胞率,增强肠道屏障功能和改善营养物质的转运和吸收,为CGA、AST和GA等功能性植物提取物作为一种饲料营养添加剂在减轻霉菌毒素的危害及动物生产中的应用奠定理论依据。此外,考虑到经济成本,选择GA作为营养添加剂进行后续研究。
  (2)利用高通量转录组测序技术揭示GA对DON致IPEC-J2细胞氧化应激、炎症和凋亡的保护机制:分别按照对照组、DON组、GA组和GA+DON组处理细胞(其中DON组表示0.5μg/mLDON孵育6h,GA组表示400μg/mLGA孵育6h,GA+DON组表示400μg/mLGA和0.5g/mLDON共孵育6h),经过上述处理后,收集不同处理的细胞和上清液,采用ELISA法检测其DON含量和细胞因子IL-8、Caspase3和NF-κB含量,并提取相应的RNA进行转录组测序分析。结果表明DON可通过显著增加丙二醛(MDA)含量和降低过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性(P<0.01)诱导细胞发生氧化应激,且显著增加了细胞上清液中IL-8、Caspase3和NF-κB的含量(P<0.01),而添加GA后显著升高CAT和SOD的活性和降低MDA、IL-8、Caspase3和NF-κB的含量(P<0.01);采用RNA-seq技术对各组处理细胞的基因表达模式进行全面分析,筛选其差异表达基因(DEGs),通过对DEGs进行GO、KEGG富集分析和PPI分析发现,GA可通过激活TNF、Toll-like受体和NF-κB信号通路抑制炎症因子和趋化因子的产生,以及显著减缓氧化应激和减少细胞凋亡,且GA还具有一定的免疫调节作用。由此可见,GA可减轻DON诱导的肠道氧化应激和炎症反应。
  (3)GA、酿酒酵母和粪肠球菌配伍对DON致IPEC-J2细胞损伤的缓解及DON降解作用:采用MTT法研究酿酒酵母和粪肠球菌的全菌液、细胞菌体和上清液分别对细胞活力的影响,然后利用正交法优化GA、酿酒酵母和粪肠球菌对细胞增殖的最佳配比,并测定其对DON降解率及细胞因子等蛋白表达的影响。结果表明,一定数量的酿酒酵母和粪肠球菌的菌体细胞均可以显著促进细胞增殖(P<0.05),通过正交法优化得到GA、酿酒酵母和粪肠球菌对细胞增殖的最佳配比为400μg/mLGA、1×106CFU/mL酿酒酵母和1×106CFU/mL粪肠球菌,该组合(GAP)不仅显著缓解DON对细胞的毒性作用,而且对DON的降解率达到最高,为34.69%。此外,GAP还显著降低了IL-8、Caspase3和NF-κB的含量及Bax、TNF-α和COX-2蛋白的表达(P<0.05),显著增加了ZO-1、Claudin-1和PePT1蛋白的表达(P<0.05)。由此推断GA、酿酒酵母和粪肠球菌的结合具有增强细胞活力和DON降解的协同作用,可通过减轻DON细胞毒性、减少细胞凋亡和炎症、改善肠道屏障功能、调节营养吸收和转运来保护IPEC-J2细胞免受DON诱导的损害。
  (4)GAP对DON致断奶仔猪生长和肠道损伤的缓解作用:本试验选择160头42日龄(断奶两周)的二元杂交仔猪(长白×大白),随机分为四组,分别为对照组(CON)饲喂正常饲粮、含1040μg/kgDON的发霉小麦饲粮组(DON)、添加GA和复合益生菌的正常饲粮组(GAP)和添加GA和复合益生菌的含DON发霉小麦饲粮组(GPD),每组四个重复,每个重复10头(阉公猪和母猪各半),饲养28d。结果表明:与CON组相比,DON组显著降低日增重(ADG)、日采食量(ADFI)、粪便淀粉酶活和血清中的SOD活力(P<0.05),显著增加了料重比、腹泻率和淘汰率,以及血清中谷草转氨酶(AST)、谷丙转氨酶(ALT)、LDH、MDA、IL-8、Caspase3和NF-κB的含量(P<0.05);与DON组相比,GAP组和GPD组显著提高了断奶仔猪ADG、ADFI、粪便淀粉酶活力、粗蛋白和粗脂肪的消化率以及血清中的SOD活力(P<0.05),显著降低了料重比、腹泻率、淘汰率和血清中AST、ALT、LDH、MDA、IL-8、Caspase3和NF-κB的含量(P<0.05)。从断奶仔猪空肠和肝脏形态学可以看出,DON严重损伤了断奶仔猪空肠和肝脏的形态结构,与DON组相比,GAP组和GPD组显著增加了空肠的绒毛高度及绒毛高度和隐窝深度的比值V/C(P<0.05),显著降低了隐窝深度(P<0.05),减轻空肠和肝脏的炎症。此外,添加GAP还显著降低了粪便、血清、空肠内容物和肝脏中的DON残留量。在断奶仔猪空肠组织中,与对照组相比,DON组显著上调了Caspase3、IL-8、COX-2、GULT2基因以及COX-2、TNF-α和ASCT2蛋白的表达(P<0.05),显著下调了Bcl-2和IL-10、ZO-1、Occludin和Claudin-1基因的表达(P<0.05)及ZO-1、Claudin-1和PePT1蛋白的表达(P<0.05);而加入GAP后显著下调炎症和凋亡基因和蛋白的表达,以及显著增加了紧密连接蛋白和营养转运因子基因和蛋白的表达。在断奶仔猪肝脏组织中,与对照组相比,DON组显著升高了IL-8、COX-2和Claudin-1基因的表达和降低Bcl-2、ZO-1、Occludin、GLUT2和SGLT1的表达(P<0.05);而添加GAP显著降低了Caspase3、IL-8、COX-2和TNF-α蛋白的表达(P<0.05),显著上调Bcl-2、ZO-1、Occludin、Claudin-1、GLUT2、ASCT2和PePT1基因的表达以及ZO-1、Claudin-1和ASCT2的蛋白表达(P<0.05)。可见,DON通过诱导空肠和肝脏发生炎症和凋亡,破坏了肠道屏障和营养物质转运,从而影响断奶仔猪生长性能;而添加GAP后显著缓解DON对空肠和肝脏的损伤,促进了断奶仔猪健康生长。
  (5)利用高通量测序技术研究断奶仔猪肠道微生物区系:采用16SrRNA基因测序技术分别对断奶仔猪粪便和空肠内容物中的微生物进行测定和分析,结果表明在饲料中添加GAP可以显著提高断奶仔猪粪便和空肠内容物中微生物的多样性;DON显著改变断奶仔猪空肠内容物和粪便的菌群结构,显著降低空肠内容物中厚壁菌门(Firmicutes)数量,显著升高变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)等菌群的数量,而显著降低了粪便中厚壁菌门(Firmicutes)数量,升高了拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)等菌群的数量。在空肠内容物和粪便的属水平上,DON显著降低乳酸杆菌属(Lactobacillus)的数量,升高狭义梭菌属(Clostridium_sensu_strict_1)的数量;然而,添加GAP后通过显著增加乳酸杆菌属(Lactobacillus)等有益菌和降低狭义梭菌属(Clostridium_sensu_stricto_1)等有害菌来维持肠道菌群平衡,促进仔猪生长。通过对断奶仔猪粪便和空肠内容物中菌群功能预测发现GAP干预有利于肠道菌群代谢功能的差异。此外,通过对肠道微生物与毒素残留量等因子相关性分析推测乳酸杆菌属(Lactobacillus)在DON解毒过程中发挥重要作用,为在生产上利用益生菌提高仔猪肠道健康和生长性能提供理论参考依据。
  (6)通过高通量转录组测序技术分析GAP对DON诱导断奶仔猪空肠基因表达谱的变化:通过对CON、DON和GPD组的空肠组织进行有参转录组测序分析,并筛选其差异表达基因。结果表明在CONvs.DON组、CONvs.GPD组和DONvs.GPD组中分别筛选出283、339和317个差异表达基因,且CONvs.DON组和CONvs.GPD两组中共表达了86个差异表达基因,其中有31个差异基因在CONvs.DON组中表达上调,而在DONvs.GPD组中表达下调;有51个差异基因在CONvs.DON组中表达下调,但在DONvs.GPD组中表达上调,这些差异基因主要参与细胞过程、代谢过程、刺激反应、细胞、结合和催化活性等方面。通过KEGG富集分析发现GAP的添加促进了肠道对脂肪、蛋白质、维生素等营养物质的消化和吸收。此外,通过对共表达差异基因与空肠内容物微生物菌群进行相关性分析发现,DON作用后下调的基因如TNS1、KCNIP4、SCG3等与链球菌属(Streptococcus)、乳酸杆菌属(Lactobacillus)和罗氏菌属(Rothia)呈显著正相关,GAP作用后下调的基因如BARX2、PHGDH、ACTN2等与大肠志贺氏杆菌(Escherichia-Shigella)呈显著负相关,进一步揭示了GAP可通过改变肠道菌群缓解DON毒性的分子机制。
  (7)基于多组学联合分析揭示GAP缓解DON损伤的分子机制:通过采用LC-MS代谢组学分别研究CON组、DON组、GAP组和GPD组中断奶仔猪血清代谢物的变化,经PCA和OPLS-DA多元统计分析后,鉴定和筛选代谢差异物,并对其进行KEGG富集分析;然后采用多组学联合分析血清代谢物与空肠基因和肠道微生物之间的相关性。结果表明,在CONvs.DON、CONvs.GAP、CONvs.GPD和DONvs.GPD组中分别筛选到201、351、423和271个差异代谢产物,且CONvs.DON与DONvs.GPD组中有69个共同差异代谢物,通过对其进行KEGG富集分析发现GAP可通过调节甘油磷脂代谢、亚油酸代谢、α-亚麻酸代谢和脂肪的消化和吸收等脂质代谢通路来缓解DON致断奶仔猪代谢紊乱及损伤的作用机制。深入对共有的69个差异代谢物与断奶仔猪ADG和ADFI、血清生化指标、DON残留、共表达差异基因和微生物区系进行相关性联合分析,表明摄入DON导致仔猪肠道菌群、脂质和能量代谢的紊乱,而GAP可以维持肠道菌群平衡和改善代谢紊乱,从而缓解DON的毒性,促进仔猪健康生长。
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