膳食纤维（Dietary fiber, DF）是一类不能被内源消化酶降解，而在后肠道被微生物利用的碳水化合物。王军军教授课题组长期从事猪肠道微生物代谢碳水化合物调控宿主健康的相关研究。前期研究发现，不同膳食纤维可以差异调控猪肠道微生物，并与猪肠道健康状况相关。本研究以安装有回肠瘘管的猪为动物模型，系统探究了不同肠段微生物对膳食纤维缺乏的时序性响应，比较了不同膳食纤维组分的回补效应，发现木聚糖可以通过选择性促进假小链双歧杆菌而缓解膳食纤维缺乏诱导的猪肠道紊乱。
首先，作者给装有回肠瘘管的猪饲喂无纤维日粮7天、21天和35天，研究其肠道微生物对纤维缺乏的时序性响应规律，发现：膳食纤维缺乏可导致回肠和粪便微生物多样性显著下降，回肠和粪便中乳酸杆菌和双歧杆菌灭绝（图1），并伴随着短链脂肪酸显著下降。
基于这一结果，作者进一步通过在无纤维日粮中添加抗性淀粉、β-葡聚糖和木聚糖的方式探究不同纤维组分的回补效应，发现：相关纤维组分中，仅木聚糖可显著改变微生物群体结构，可选择性地促进猪后肠道双歧杆菌和布特劳氏菌的增殖，而抗性淀粉和β-葡聚糖则无此效应（图2）。
图1 猪回肠和粪便微生物对膳食纤维缺乏的时序性响应
图2不同纤维组分对猪全肠道微生物空间分布的影响
为进一步验证木聚糖的调控机制，作者通过宏基因组测序发现：假小链双歧杆菌是区分无膳食纤维组和木聚糖组的关键微生物，且其丰度与短链脂肪酸浓度显著相关，木聚糖的添加主要是促进了假小链双歧杆菌的增殖（图3）。进一步对宏基因组数据进行碳水化合物水解酶功能注释发现：木聚糖可以重塑猪肠道微生物的碳水化合物水解酶谱，显著富集木聚糖利用相关酶家族。在此基础上，作者选择假小链双歧杆菌DSM 20438开展了体外验证，发现木聚糖可以激活DSM 20438木聚糖酶的表达，并产生短链脂肪酸。
图3假小链双歧杆菌是区分膳食纤维缺乏组和木聚糖组的关键微生物
图4 假小链双歧杆菌对木聚糖利用的体外验证
本研究以膳食纤维和肠道微生物互作为切入点，首次系统揭示了膳食纤维缺乏对猪肠道微生物组成和代谢的负面作用，并进一步发现木聚糖可以通过选择性促进假小链双歧杆菌及其短链脂肪酸产生，从而改善膳食纤维缺乏所诱导的肠道紊乱状况，这一成果对于优化猪日粮膳食纤维结构、强化非常规饲料的开发利用、改善猪肠道健康状况提供了新思路。
我校动物科技学院王军军教授为论文通讯作者， 2019级中荷农业绿色发展项目2+2博士生王振宇为论文第一作者。瓦赫宁根大学Walter J. J. Gerrits和Sonja de Vries在试验设计与文章撰写方面提供了大力支持。该工作获得了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、111创新引智基地、国家留学基金委创新型人才国际合作培养项目等项目的资助。
供稿：动物科学技术学院
供图：动物科学技术学院
编辑：潘彩清
责编：于哲
