腸道菌群對雞蛋質量和安全的影響
垂直微生物群傳播直接影響雞蛋質量和安全
被大腸桿菌和沙門氏菌等致病菌汙染的雞蛋可導致人類消費者發生食源性感染(Wen 等人，2021 年)。除了環境因素外，蛋殼表面的微生物組還有助於通過垂直微生物群傳播建立母嬰接觸(van Veelen 等人，2018 年)。產卵期間，蛋雞可以將腸道和洩殖腔微生物傳給後代，因為雞蛋暴露於洩殖腔中的盲腸分泌物。以前的研究報告說，厚壁菌門是蛋殼表面的主要細菌類群，約佔總門的 50% ( Neira et al., 2017;Shi et al., 2020)。蛋雞的洩殖腔微生物群落也主要以厚壁菌門為主( Wen et al., 2021)，表明垂直微生物群落傳播是蛋殼汙染和雞蛋安全的關鍵(Trudeau et al., 2020))。因此，調節腸道微生物群將是降低食源性病原體在人類中傳播風險的有效方法。作為第一道屏障，蛋殼微生物群在通過競爭性排除來預防病原菌方面發揮著重要作用。與不接觸洩殖腔並通過解剖去除的雞蛋相比，產卵的雞蛋表面具有明顯的微生物群和更高的細菌負荷，密度為每 1800 μm 2 0.75 ( Bunker et al., 2021 )。一般來說，真菌可以通過分解雞蛋中的營養物質併產生有害毒素和難聞的氣味而迅速繁殖(Chang 等人，2021 年)。最近，Bunker 等人。(2021)證實蛋殼微生物具有通過真菌附著測定的抗真菌特性。微生物可以產生水解酶，如幾丁質酶或蛋白酶，以降解菌絲體並破壞真菌生長(Gutiérrez-Román 等人，2015 年)。此外，研究發現蛋殼表面的微生物如沙門氏菌和埃希氏菌直接影響蛋殼質量，並通過細菌滲透加速雞蛋半透明的形成(Chousalkar et al., 2010)。相反，蛋殼特徵和抗菌分子可能決定蛋殼表面微生物群(Réhault-Godbert，2021)。某些基質蛋白從外層角質層分佈到蛋殼的內膜增強了雞蛋的抗菌效能(Gautron 等人，2007 年)。通過數量性狀位點搜尋揭示了 ovocalyxin-32 與蛋品質之間的關聯，包括蛋殼顏色、蛋殼強度、蛋殼硬度、血液和肉斑( Takahashi 等，2010 )。此外，ovocalyxin-36 是一種在貝殼礦化階段在輸卵管中表達的重要蛋白質( Gautron 等，2007)。由於與脂多糖結合蛋白和殺菌增透蛋白相似，ovocalyxin-36 與蛋殼的天然防禦有關( Yin et al., 2020)。純化的 ovocalyxin-36 可以抑制金黃色葡萄球菌的生長，並在 LPS 挑戰模型中表現出免疫調節功能 ( Kovacs-Nolan et al., 2014 )。與枕骨大部和子宮相比，包括 AvBD-1、AvBD-7、AvBD-3 和 AvBD-10 在內的一些禽 β-防禦素家族成員在輸卵管峽部過度表達 ( Yin et al., 2020 )。這意味著蛋殼膜還對進一步的病原入侵發揮防禦功能(Hincke et al., 2012 )。此外，色素從輸卵管上皮分泌到子宮液中，然後沉積在蛋殼上(Sparks，2011)。最近的一項研究發現，卵管葡萄球菌的丰度與蛋殼的深褐色呈正相關(Wen et al., 2021)。值得注意的是，葡萄球菌已被證明可以生物合成尿卟啉和糞卟啉(De la Fuente 等人，1986 年)，它們是影響蛋殼顏色的色素的一部分。總體而言，蛋殼不僅是減少雞蛋汙染機會的屏障，而且還提供了微生物和宿主之間潛在的串擾，以調節雞蛋的質量和安全性。
值得注意的是，卵子內部內容物中的微生物可以在卵子發育過程中從母體輸卵管傳下來(Trevelline 等人，2018 年)。變形桿菌是雞蛋內部內容物中最豐富的門(Vieira et al., 2019)，這與蛋雞輸卵管中變形桿菌的最高丰度相吻合(Wen et al., 2021)。當蛋雞感染沙門氏菌等病原菌時，由於家禽獨特的解剖結構，腸道沙門氏菌會通過洩殖腔傳播到輸卵管( Gantois et al., 2009)。此外，沙門氏菌會改變TLRs、NLRs、AvβDs的表達，以及輸卵管中的細胞因子家族基因，導致卵子質量下降(Zhang et al., 2019)。最後，雞蛋中存在食源性病原體對食品安全構成嚴重威脅(Gantois 等人，2009 年;Salihu 等人，2015 年)。此外，通過垂直傳播的雞胚早期微生物定植是遺傳中腸道先天免疫程式的重要驅動因素。因此，未來的研究需要了解垂直微生物群傳播的機制，以通過塑造輸卵管微生物群來提高卵子的質量和安全性。
微生物代謝物對卵子質量的影響
微生物群衍生的代謝物主要通過碳水化合物的糖酵解發酵產生，特別是短鏈脂肪酸 ( SCFAs )，如乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽和乳酸鹽，與宿主-微生物群的串擾有關(Morrison 和 Preston，2016 年)。SCFAs 可以通過刺激腸上皮細胞增殖和分化，進一步增加腸絨毛高度和吸收表面積來提高腸道養分利用率 ( De Vadder et al., 2014)。鈣是蛋殼中含量最多的礦物質元素，佔蛋殼乾重的37%。腸鈣利用率下降被認為是蛋雞生產後期蛋殼質量差的主要原因(Al-Batshan等，1994)。SCFAs 誘導的腸道結構改善有利於鈣的吸收，增加鈣在蛋殼中的沉積，改善蛋殼厚度(Feng et al., 2021)。然而，在餵食後約 4 至 5 小時，腸內容物中幾乎沒有鈣。為了避免在強烈的蛋殼鈣化過程中出現膳食缺鈣，髓質骨的發育發生在性成熟開始時。大量的鈣儲存在髓質骨中，並在蛋雞光周期的夜間釋放到血液中形成蛋殼(Bar et al., 1998)。然而，長期和激烈的產蛋行為會導致蛋雞後期出現骨質疏鬆症和蛋殼質量差(Hanna，2019)。短鏈脂肪酸已被證明在預防和治療骨代謝相關疾病中發揮重要作用(Zaiss 等，2019)。短鏈脂肪酸直接誘導破骨細胞前體細胞的代謝重程式設計，導致 糖酵解增強和氧化磷酸化減少，從而抑制破骨細胞分化(Montalvany-Antonucci 等人，2019 年)。另一方面，丁酸等SCFAs可以與GPR43結合，促進輔助CD4 細胞分化為Treg，啟用骨髓基質細胞中的Wnt訊號，增殖分化為成骨細胞(Zaiss et al., 2019)。因此，SCFAs對骨吸收和骨形成的調節對改善骨吸收具有重要意義。骨代謝、蛋殼質量的穩態，並延長老年蛋雞的產蛋期。另一個潛在的機制涉及 SCFA 降低宿主腸腔的 pH 值並增加鈣的溶解度，從而進一步提高蛋雞的日糧鈣利用率( Gultemirian 等人，2014 年)。總體而言，SCFAs 作為微生物代謝物通過調節全身鈣代謝的穩態來影響鈣的利用和沉積，從而改善蛋殼質量(圖 2)。
圖 2。蛋雞腸道菌群對雞蛋質量和安全性的影響。
建議微生物作用機制如下：①腸道細菌可通過洩殖腔傳播至輸卵管，導致卵子汙染，並通過細菌滲透加速卵子透明質的形成。此外，產卵管細菌生物合成影響蛋殼顏色的色素。此外，輸卵管病原菌啟用 TLR4/NF-κB 訊號通路，誘導 IL-1β 和 IL-6 的合成，通過抑制鈣結合蛋白和 Ca 2 的蛋白表達影響蛋殼超微結構。運輸。② 腸道菌群產生的短鏈脂肪酸(SCFAs)可降低腸腔內的 pH 值，增強鈣的溶解度、利用率和沉積，從而改善蛋殼厚度。③ SCFAs與G蛋白偶聯受體43(GPR43)結合，啟用骨髓基質細胞中的Wnt訊號，改善骨代謝的Ca 2 穩態和蛋殼質量。④腸道菌群產生的三甲胺(TMA)沉積在蛋黃中，產生難聞的魚腥味。⑤腸道益生菌可啟用肝臟Nrf2訊號通路，調節抗氧化狀態和代謝功能，可改善蛋白質量。⑥ 腸道菌群產生的膽汁酸 (BA) 調節脂質代謝和 腸道吸收改善蛋黃顏色。⑦ SCFAs、BA、吲哚衍生物可以直接與內源性腸神經元和支配腸道的迷走神經和脊髓傳入神經相互作用，調節雌二醇的分泌，從而調節輸卵管大管中蛋白質的分泌，最終完成對蛋白質量的調節。
雞蛋中的魚腥味嚴重影響雞蛋的質量和風味，這與異常升高的三甲胺( TMA ) 水平有關。由於過量的 TMA 不能被代謝，它會逐漸沉積在蛋黃中，從而產生難聞的魚腥味(Honkatukia 等人，2005 年)。除了雞單加氧酶 3酶活性外，TMA 水平異常升高還主要來源於腸道微生物群對膽鹼和其他日糧 TMA 前體的降解(Honkatukia 等，2005;Rath 等，2017)，以及降低的 TMA 水平。通過細菌還原酶氧化 TMA(Barrett 和 Kwan，1985)。研究發現蛋黃中的TMA水平與盲腸中的TMA水平呈正相關(Wang et al., 2016)，蛋雞的盲腸切除後雞蛋中的魚腥味消失了(Pearson et al., 1983))。進一步的研究發現，厚壁菌門和變形菌門與盲腸中的 TMA 水平呈正相關，而擬桿菌門與 TMA 水平呈負相關(Long et al., 2017)。細菌基因組分析表明，膽鹼利用基因簇廣泛分佈於厚壁菌門和變形菌門，但在擬桿菌門中不存在 ( Martínez-del Campo et al., 2015)。厚壁菌門和變形菌門通常被認為是產生 TMA 的細菌(Long 等人，2017 年)。因此，腸道微生物群介導的 TMA 形成表明其在改善雞蛋風味方面的重要作用和潛在目標(圖 2)。這一假設也得到了抗生素補充劑干擾腸道微生物群減少魚卵的支援(Zentek，2003)。
此外，微生物代謝物可以調節脂質代謝以影響雞蛋質量。脂代謝紊亂在蛋雞的後期生產中很常見(Wang et al., 2020b)。肝臟是家禽脂質代謝的主要器官，誘導的脂肪堆積和肝功能障礙不僅會影響蛋黃顏色，還會影響蛋黃中膽固醇的沉積(邱等，2021 )。由於膳食膽固醇含量極低，幾乎所有的膽固醇都在肝臟中內源性合成，並通過血液富集到蛋黃中。此外，肝臟中膽固醇的酶促氧化會產生許多不同的膽汁酸(BA)，它們在腸道中被腸道微生物群代謝(Wahlström 等人，2016 年)。除了作為清潔劑促進膳食脂質的消化和吸收外，BA 還可以作為啟用法尼醇 X 受體 ( FXR ) 的有效配體來調節脂質代謝(de Aguiar Vallim 等人，2013 年)。最近的研究發現，補充丁酸梭菌可通過塑造 BA 曲線和增強腸道吸收來改善蛋黃顏色，從而調節老年蛋雞的脂質代謝(Wang et al., 2020a , b)(圖 2 ))。腸道微生物引起的 BA 改變依賴於膽汁鹽水解酶( BSH ) 的分泌，通過去結合產生未結合的遊離 BA ( Wahlström et al., 2016 )。同樣，乳酸桿菌產生的 BSH可以調節膽汁酸腸肝迴圈，從而改善膽固醇代謝，從而有助於降低血清和蛋黃中的膽固醇水平(Choe 等，2012;Hou 等，2020)。
產卵管粘膜微生物介導的免疫反應對蛋殼質量的影響
有充分證據表明，微生物可以被免疫細胞(如巨噬細胞和樹突狀細胞)的模式識別受體感知，從而與宿主建立相互作用(Agostinis 等人，2019 年)。這個過程涉及調節宿主子宮內膜的先天性和適應性免疫反應。值得注意的是，維持宿主粘膜穩態需要微環境中產生的抗炎和促炎細胞因子之間的動態平衡(Maillard 和 Snapper，2010)。IL-1β和IL-6促炎細胞因子和CX3CL1的表達蛋殼礦化過程中蛋雞輸卵管子宮黏膜中的趨化因子增加。此外，在蛋殼礦化的初始階段，TGF-β2抗炎細胞因子的表達也顯著增加(Elhamouly等，2018)。然而，當受到病原菌或某些革蘭氏陰性菌的攻擊時，輸卵管組織的先天免疫系統通過 Toll 樣受體識別微生物相關分子模式，包括來自微生物細胞壁(肽聚糖)和細胞膜(脂多糖)的分子。這通過啟用轉錄因子NF - κB和AP-1 ( Yoshimura, 2015 )，導致子宮黏膜組織中的抗炎因子和促炎因子失衡。進一步的研究表明，促炎細胞因子IL-1β和IL-6通過抑制鈣結合蛋白 (CABP-D28K) 的蛋白表達和蛋雞輸卵管子宮黏膜中Ca 2 的轉運來影響蛋殼超微結構。等人，2017 年)。這可能是由於IL-1β和IL-6在促進造血和蛋白質降解中的關鍵作用(Narsale 和 Carson，2014)，干擾蛋殼礦化過程中基質蛋白的作用和無機離子供應的效率。此外，老年蛋雞輸卵管內有機基質蛋白合成失調和免疫功能受損導致蛋殼超微結構和力學效能發生變化。後者可能是蛋雞生產後期蛋殼質量下降的主要原因(馮等，2020)。最近，馮等人。(2021)發現膳食牛至精油通過改變微生物組成和減少志賀氏菌來改善上皮屏障功能和粘膜免疫狀態豐富，從而有利於後期蛋雞的蛋殼質量。腸道菌群的平衡可以有效減少病原菌轉移到輸卵管引起炎症和免疫反應。因此，我們假設輸卵管黏膜中微生物介導的免疫反應對蛋殼質量有潛在影響，通過蛋雞的輸卵管微生物群促進蛋殼質量的營養改善。
微生物群-腸-肝/腦-生殖道軸對卵子質量的影響
在產蛋高峰期進行強烈新陳代謝後，老年蛋雞抗氧化功能的減弱導致過量的活性氧破壞了宿主氧化還原系統的平衡(Liu et al., 2018)。許多與年齡有關的疾病與氧化修飾蛋白水平升高有關(Stadtman，2001 )。因此，老年蛋雞肝臟代謝受損可能導致蛋白質量下降，包括蛋白高度和Haugh 單位下降(Wang et al., 2018)。研究發現，膳食益生菌或茶多酚通過改變腸道微生物群組成及其代謝物來調節肝臟的抗氧化狀態和代謝功能，從而改善蛋白質量。王等人，2018;詹等人，2019;王等人，2020b)。事實上，腸道和肝臟在解剖學和生理學上是相連的，被稱為腸-肝軸(Ohtani 和 Kawada，2019 年)。作為重要的腸-肝軸介導因子，微生物群通過體迴圈影響腸道和遠處器官。例如，在無菌小鼠模型中，腸道微生物群誘導肝臟的 Nrf2 抗氧化和外源性反應上調。此外，乳酸桿菌的口服給藥通過產生 5-甲氧基吲哚乙酸來有效啟用肝臟中的 Nrf2，從而防止氧化性肝損傷(Saeedi 等人，2020 年)。確實，細菌吲哚等色氨酸分解產物可被腸內分泌細胞感知，啟用腸道和迷走神經通路，實現對肝臟的遠端調控(Ye et al., 2021)。同樣，BA 是重要的微生物代謝物，涉及調節脂質代謝和炎症反應，是腸-肝串擾的關鍵介質。BA通過啟用腸道和肝臟 FXR 並誘導過氧化物酶體增殖物啟用受體的表達來促進肝臟中的脂肪酸氧化( Schneider et al., 2018)。它進一步抑制脂質合成關鍵基因的表達，從而降低血漿甘油三酯和膽固醇水平(Xi和Li，2020)，表明膽汁酸有可能成為調節蛋黃脂質的重要靶標。
此外，眾所周知，蛋雞卵巢卵泡的發育和生產效能主要受下丘腦(促性腺激素)-垂體(促黃體和促卵泡激素)-性腺(雌激素)軸的調節。之前的研究發現不同生產效能的蛋雞腸道菌群存在顯著差異(Elokil et al., 2020)。有趣的是，高產母雞的糞便微生物群移植提高了低產母雞的生產效能( Wang 等人，2020c )。值得注意的是，一些腸道微生物的丰度與血清促卵泡激素、促黃體激素呈正相關。和雌二醇水平(Liu et al., 2020a )，表明微生物群-大腦串擾參與調節蛋雞的生產效能。一般來說，腸道微生物及其代謝物，如 SCFA、BA 和吲哚衍生物，可以通過腸內分泌細胞和腸嗜鉻細胞發出訊號，調節神經肽的分泌(Agirman 和 Hsiao，2021 年)。此外，它們可以直接與內在腸道神經元和支配腸道的迷走神經和脊髓傳入神經相互作用，以調節氨基丁酸和 5-羥色胺等神經遞質( Cryan 等人，2020 年))。此外，下丘腦還可以通過腦-生殖道軸調節蛋雞的輸卵管健康，特別是通過改變雌二醇的分泌來調節大輸卵管中蛋白質的分泌，最終完成對蛋白質量的調節。., 1990 年)。總體而言，微生物-腸-肝/腦軸可能被提議作為一種新的系統性策略來提高雞蛋質量和安全性(圖 2)，但仍需要進一步研究以瞭解其潛在機制。
結論和未來研究
分析腸道微生物群的定植和演替模式對於我們瞭解腸道微生物群生態學和有針對性的微生物群干預至關重要。現有文獻表明，蛋雞不同生理階段的微生物演替似乎與器官發育和代謝功能的變化相對應，包括驅動免疫系統發育、促進營養利用和骨骼發育以及維持生產效能。除了通過腸-輸卵管-卵子中的垂直傳播途徑直接影響卵子質量和安全外，腸道微生物群及其代謝物如 SCFAs、BA和色氨酸衍生物通過微生物-腸-肝/腦-生殖道軸間接參與調節卵子質量。儘管如此，腸道微生物群與卵子質量之間的聯絡仍然是暫時的，因為在之前的研究中使用相關性分析總結了許多結論。因此，需要全面瞭解腸道微生物群與卵子質量之間的相互作用。我們建議未來的研究應關注蛋白分泌和蛋殼礦化的關鍵時期，以探索基於微生物-腸-肝/腦-生殖道軸的相關分子和訊號通路。它將有助於擴大我們對腸道微生物群和宿主串擾的理解，以提高蛋雞生產後期的蛋質量和安全性。