肠道微生物组影响猪对碳水化合物高效利用的机制研究

As main component of plant cell walls, structural carbohydrates are the key factors limiting feed efficiency in pigs. Intestinal microbiotas are lately reported playing important roles on host nutrients digestion and absorption. Based on our recent findings that pigs with different growth performance harbored different intestinal microbiotas and their fecal transplantation was able to result in similar growth phenotypes in recipient mice, the current project will be conducted to identify the specific bacteria responsible for the utilization of given carbohydrates by using pigs with different microbiotas (germ-free pig, or pigs with different growth performance) treated with diets varying on fiber levels or composition. The in vitro culture conditions for microbiota from different segments of the pig intestine will be optimized and then cultures will be used for carbohydrate substrate utilization analysis and microbiota transplantation. The growth performance and nutrient utilization characteristics of recipient pigs transplanted with cultured intestinal microbiota will be evaluated and confirmed. Carryout of this project will result in fundamental knowledge for improving the feed efficiency in pigs by manipulating intestinal microbiota.

作为植物细胞壁主要成分的结构性碳水化合物，是影响饲料高效利用的关键。肠道微生物组会影响猪的消化代谢和养分利用。本项目拟在前期发现不同生长性能猪肠道微生物组存在差异，并可通过粪便移植定向改变受体小鼠生长性能的基础上，使用具有不同肠道微生物组背景的猪（无菌猪、不同生长性能猪模型），研究其对不同纤维水平、不同纤维结构日粮的消化代谢与利用规律，鉴定猪不同肠段内与碳水化合物代谢利用相关的微生物及其功能通路和对猪养分消化吸收的影响机制，并在揭示其碳水化合物底物代谢特征基础上，探讨通过微生物组移植改善受体猪养分利用效率的效果与机制，为从肠道微生物组调控的角度实现饲料高效利用提供理论依据。

作为植物细胞壁主要成分的结构性碳水化合物，是影响饲料高效利用的关键。肠道微生物组会影响猪的消化代谢和养分利用。本项目使用具有不同肠道微生物组背景的猪，研究其对不同纤维水平、不同纤维结构日粮的消化代谢与利用规律，鉴定猪不同肠段内与碳水化合物代谢利用相关的微生物及其功能通路和对猪养分消化吸收的影响机制，并在揭示其碳水化合物底物代谢特征基础上，探讨通过微生物组移植改善受体养分利用效率的效果与机制，为从肠道微生物组调控的角度实现饲料高效利用提供理论依据。项目正式实施以来，以无菌猪为受体，在对猪不同肠段微生物组移植后对其肠道微生物影响研究中发现供体猪不同肠段微生物组在无菌猪各个肠段的定植规律不同，首次证实了不同肠段微生物组的靶向分区定植特性，即来源于某一特定肠段的菌群及其功能更倾向于定植在其受体的对应肠道位点，并进一步开创出了基于空肠、回肠、盲肠、结肠等组合而成的全肠道微生物移植方法来靶向重塑受体生态位点的菌群定植，进而更好地改善机体健康和营养利用表型；成功构建了不同生长性能和不同饲料效率猪模型，发现相比低饲料效率猪，高饲料效率猪的纤维消化率更高，且后肠中富集大量纤维降解微生物。在将不同饲料效率猪的粪便微生物移植给无菌小鼠后，受体鼠出现了与供体猪相类似的表型，表明肠道微生物影响宿主养分及能量的代谢利用可通过肠道微生物移植得到重现。而在利用高低饲料效率猪盲肠微生物对纤维原料体外发酵的研究中同样发现，高饲料效率组底物发酵效率与代谢物产量更高，并通过改良发酵条件与培养基在体外培养系统中大量制备了与猪肠道微生物相似的微生物组。除粪菌移植外，研究也发现动物混养能够水平传递微生物从而重塑肠道微生态，并且有助于动物肠道健康。项目实施期间培养了4名博士与6名硕士，累计发表论文48篇，授权专利3项并获得省部级奖励1项。本项目在科学研究与人才培养两个方面均取得了圆满成功。