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赵江潮:14分钟详解如何做透“猪”肠道菌群研究和应用

大家好,我是来自美国阿肯色大学的赵江潮。非常感谢《肠・道》节目的邀请,给我这个机会跟大家分享一下,我们团队在过去的几年,在猪肠道菌群方面的一些研究进展。

今天的报告主要分三个方面的内容。首先是猪肠道菌群研究的一些进展和面临的问题;然后我会着重地介绍一下猪肠道菌群,从猪出生到上市,它的一个时间的动态变化;最后,我想跟大家探讨一下,猪肠道菌群的研究在益生菌的开发和食品安全中的应用

那么,为什么我们对猪的肠道菌群感兴趣呢?我认为主要有以下两个方面的原因。

首先,猪的器官,不论是它的大小、形态,还是生理,都跟人非常接近。

因此,猪可以作为一个研究人各种各样疾病的理想动物模型。

第二,我们国家是世界上公认的养猪大国,但是在猪肉的生产当中,存在着各种各样的问题,包括一些疾病,包括饲料利用率比较低下,包括一些环境的污染。同时,我们也知道,政府刚刚出台了一些“禁抗”的政策。所以,人们希望通过研究猪的肠道菌群,能够改善这些问题,并且寻找一些非常有效的、替代抗生素的益生菌。

因此,在过去的几年,猪的肠道菌群一直被作为一个研究的热点,并且取得了非常可喜的进展。

包括一项由多个国家参与的研究,这项研究绘制了猪的肠道菌群的宏基因组。

也包括最近的一些研究显示,饲料可以调控猪的肠道菌群。

同时也包括前不久,华中农业大学晏向华教授团队发表的,关于肠道菌群和宿主互作的一个文章。

就在上周(2020 年 11 月 18 日),中国农业大学王军军团队,刚刚发表了一篇关于肠道不同肠段的菌群特异性的文章。

这些研究显然是极大地提高了我们对猪的肠道菌群的认知,但是这些研究还是远远不够的。这方面的研究面临着各种各样的问题,第一个问题就是相关性的研究居多。相关性不等于因果关系,这个问题不仅仅是出现在猪肠道菌群研究中,人肠道菌群研究也有同样的问题。

再有,一些基础的生态学、生理学的问题,是亟待解决的。

比如说,猪的一生从出生到上市,肠道菌群是怎么样改变的?调控这些肠道菌群改变的主要因子是哪些?如果我们想精确地调控猪的肠道菌群,最理想的时间是什么?

猪的肠道里面哪些是常驻菌?哪些是过路菌?有没有一个核心的菌群存在于所有的猪里面?

猪的肠道菌群的定植有没有一个先后顺序?有没有一个优先效应?在空间上,猪的不同的肠段是不是特异性地选择一些菌群?

简单地介绍一下我们做的一些研究,尝试性地回答这些问题。首先就是猪的肠道菌群在空间上的一个动态变化。

在 2018 年,我们跟浙江省农科院肖英平博士和杨华院长合作研究发现,在长白猪和金华猪的不同肠段当中,肠道菌群差异明显;对于同一个肠段,在两个不同品种当中,猪的肠道菌群也有非常明显的差异。

非常有意思的是,我们发现,如果把猪的小肠作为供体,把小肠菌群移植到无菌小鼠当中,菌群更容易在小鼠的小肠里面定植;如果把猪的大肠作为供体,把大肠菌群移植到无菌小鼠当中,菌群更容易在大肠当中定植。

下面我就着重介绍一下,猪的肠道菌群随时间的一个动态变化。我们设计了一个很简单的实验:跟踪了 17 头小猪,从它们出生到上市,收集了 16 个样品,在猪的 4 个生长阶段。

首先,我们看一下,猪的肠道菌群整体结构的一个变化。我们发现,在不同的生长阶段,猪的肠道菌群是遵循跟猪的生长阶段相关的一个演替规律。从哺乳期到保育期,我们发现了一个非常明显的肠道菌群结构的变化。

这可能主要是因为饮食发生了明显的变化。哺乳期的时候,猪主要是吃母乳,到了保育期的时候,猪开始吃固体的饲料。

我们再看一下肠道菌群的组成。我们发现,肠道菌群的组成也遵循这样一个跟生长阶段相关的规律。

大家熟知的普雷沃氏菌,在人里面是一个非常热门的细菌。人分不同的肠型,普雷沃氏菌是人的一个非常重要的肠型。我们发现,普雷沃氏菌在猪的保育期的时候才开始出现。那么,普雷沃氏菌在猪的生长阶段当中,是不是起到一个非常重要的作用?这是一个非常值得研究的问题。

接着,我们对猪的肠道细菌的定植情况做了一个总结。我们鉴定出来了 125 种细菌,这些细菌在猪的不同的生长阶段都会出现,我们把它们定义为常驻菌。

同时,我们也发现了一些在不同的生长阶段特异性出现的细菌,我们把它们称为过路菌。

网络研究发现,猪的肠道细菌之间的互作,也遵循着生长相关的规律。

以前的数据表明,不同生长阶段的猪会定植或者富集特异的细菌。为了验证这些实验结果,我们进行了一个粪菌移植的实验。

我们把一头成熟的、处于生长阶段的大猪的粪便,移植到了刚刚断奶的、处于保育阶段的小猪体内。我们发现,粪菌移植没有明显地改变这些小猪的肠道菌群。

但是,粪菌移植非常明显地提高了生长性状。在不同的时间点,粪菌移植组的小猪比对照组的日增重明显地提高。

非常有意思的是,粪菌移植虽然没有改变整体的肠道菌群的结构,但是却富集了几株特异性的细菌。我们就以 F2 细菌作为一个例子,我们发现,与比对照组相比,粪菌移植组的 F2 丰度明显提高。

如果把 F2 的相对含量和猪的体重放到一起会发现,F2 的丰度和猪的体重是一个非常明显的正相关。所以,我们把这个实验作为“F2 是一个潜在的益生菌”的第一个证据。

有意思的是,我们在前面的一个验证的动物实验里面,通过机器学习的方法鉴定了一系列跟猪生长性状相关的细菌, F2 就是其中的一个。这可以作为“F2 是潜在的益生菌”的第二个证据。

更有意思的是,我们在第三个独立的动物实验当中,发现 F2 的丰度也是跟生长性状相关,具体的实验我在这里就不介绍了。

以上的三个独立的动物实验,都指向了“F2 是一个潜在的益生菌”。但是不管怎么样,这些都还是相关性的研究。为了验证 F2 到底是原因还是结果,我们必须把 F2 培养出来,然后再饲喂到猪里面,看是不是能够提高生长性状。

因此,我们就投入了大量的人力和财力,做了一个猪的肠道菌群的培养组学。我们收集了 3 头不同的猪、4 个不同的生长阶段,一共 12 个样品,对每个样品进行了 53 种不同的培养基和气体的组合,然后得到了一个猪的肠道菌群的培养图谱。

在这个热图当中,每一行代表的是一种细菌,每一列代表的是一个培养条件。这个热图对我们课题组、对整个行业都是非常有用的。如果你有一株非常感兴趣的细菌,就可以到培养图谱里面,找到相对应的细菌和它对应的这种最优的培养方式。

根据这个图谱的指引,我们分离出来了 200 株不同的 F2 菌株。然后我们发现,通过 16S 全长的测定,200 个 F2 的菌株可以分成 8 个不同的亚型。同时我们发现,F2 的菌株在形态和功能上都是不同的。

这张图我们可以看得出来,它的形态是各异的,然后有的细菌产酸,有的不产酸。

接下来,我们对这些 F2 的菌株的功能和表型做了一个验证。我们用的是 biolog 的平板,这个平板主要是检测这些不同的菌株对碳源的利用率。

根据这些碳源的利用率,我们做了一个统计分析,做了一个 PCoA 图。在这张图上,我们发现,这些菌株大体上分成了两类,我们随机地在这两类里面各取了一株菌株,进行了动物的灌胃实验。

这是动物灌胃实验的结果,这个结果非常地令人兴奋。我们发现,在第 94 天的时候,F2 的菌株显著地提高了猪的体重,F2 的灌胃组要比对照组的猪平均增重 10 公斤左右。

这个结果就证明了,F2 真的是一个促进猪生长性状的益生菌。这个结果现在得到了很多公司的兴趣,我们也申请了国际的专利,现在在做一些后续的机制性的研究,看一下 F2 到底是怎么样提高生长性状的,是通过调控免疫系统,还是通过帮助猪增加它的饲料利用率。希望将来能给大家分享一下后期的结果。

一个简单的小结,我们对猪的肠道菌群的动态研究,不仅帮助我们解决了、回答了一些基础的生物学和生态学的问题,并且给大家提供了一个从大数据的相关性分析,到培养组学,到益生菌的培养、筛选,再到动物实验的验证,这样的一个技术体系。

大家知道,“民以食为天”,食品安全关乎社稷民生。但传统的食品安全的研究主要集中在猪屠宰之后,也就是采后,包括屠宰、分装、储藏、运输和后期的批发零售,并且往往集中在一种或者是几种食源性的致病菌上。

菌群的研究可以把食品研究拓展到屠宰之前,同时,也为食品安全提供一个比较完整的致病菌的图谱。我们发现,大肠杆菌主要集中在哺乳期,弯曲杆菌的丰度分布在猪的不同的生长阶段。

我们也可以通过网络分析,找到跟食源性致病菌相关的这些细菌。正相关的细菌,我们可以用作潜在的生物标记物;负相关的细菌,可以用作潜在的这种靶向干预的益生菌。同时,可以把这些相关的细菌应用到预测模型当中,这样的话,就可以明显地提高这些风险评估模型的准确率。

非常有幸的是,我们刚刚得到了一项沃尔玛基金会的资助,这是一个中美的合作项目,研究猪肉供应链的食品安全问题。我们第一次把菌群的研究应用到猪肉供应链的各个不同的阶段,我们也希望能够得到非常有意思的发现,将来跟大家分享。

展望未来,应该继续加大基础研究,进一步地阐释菌群、饲料、猪和环境之间的相互作用的关系;并且我们需要探索一些未知的领域,包括古细菌,包括脑肠轴,包括肺肠轴;同时我也想借助这个平台呼吁一下,我们这个行业需要标准化,需要加入一些内参,需要增加质控,这样的话,不同的实验室之间的数据可以进行相互比较,而不是各自为政。

好的,今天的分享就到这里,谢谢大家!