《饲料工业》·2008年第29卷第4期 水产养殖 多糖类免疫增强剂对海参肠道菌群的影响 汪婷婷孙永欣徐永平金礼吉薛继鹏李淑英刘钢刘荟褀 海参 Sea cucum bers, holothurians)属于无脊椎动物具有重要作用的高分子化合物,可以作为免疫增强剂 中的棘皮动物门cchi- nodem ata)、海参纲应用于临床( Tzianabos,2000)。多糖类免疫增强剂的 H olthurpidea),全世界约有900余种,均为海洋种类作用机制之一是与消化道中的菌群发生相互作用,进 常亚青,2004)。我国海域分布有140多种,其中刺参而提高动物的免疫力(孙永欣等,2006)。深入研究海 a postichopus japonicus)是我国北方重要的水产养殖参肠道菌群的组成及免疫增强剂的作用机理,对于在 品种之一,具有很高的营养价值、药用价值和经济价海参养殖中进行疾病的预防和治疗,以及开发新型免 值( H amel,2004)。 疫增强剂具有重要的作用。 近年来,市场需求的增加导致自然刺参资源过度1海参肠道细菌的组成与功能 开发,海参的人工养殖随之产生。但高密度养殖、种质 目前对海参肠道菌群的研究还比较少。孙奕等 退化以及水环境污染等因素使其感染疾病的机率大(1989)对新鲜刺参及人工条件下饥饿培养的刺参的 大增加任印庚,2005)。疾病防治过程中抗生素的添加消化道、体腔液和表皮所分离到的359株细菌进行分 产生了新的致病菌进而导致了肠道菌群的紊乱Gar离,经鉴定其分别属于Vio瓠菌属)、 Pseudom onas假 dier,1993,对于肠道微生物区系的深入研究及对抗生单胞菌属)等11个主要菌属,刺参栖居地泥沙中还有 素所产生的耐药性和药物残留的关注使人们开始寻 Bacillis(芽胞杆菌属)和 A chrom bacter(无色杆菌属) 求新的替代物如益生菌、益生素及其它饲料添加剂。(见表1)。 Rainey996)研究表明,海参肠道中大约有 应用天然活性成分代替抗生素是抑制病原微生43种细菌,优势菌群为弧菌属和假单胞菌属,其次是 物生长的一个有效途径。天然多糖是一类对免疫系统杆菌和放线菌等革兰氏阳性菌 表1刺参及泥样中细菌属的分布 细菌属 饥饿刺参肠道和腔液 新鮮刺参肠道和腔液 栖居底泥 弧菌属 假单胞菌属 12.1 节杆菌属 不动杆菌属 微球菌属 奈瑟菌属 黄杆菌 黄单胞菌属 柄杆菌属 无色杆菌属 10 注:资料来源孙奕等a989) 汪婷婷,大连理工大学环境与生命学院生物工程系,116024, 海参肠道菌群具有其特定的生理功能,海参前肠 大连理工大学环境与生命学院生物工程系303房间。 大量的微生物来源于食物中的藻类碎屑,在前肠中见 孙水欣、徐永平、金礼吉、薛继鹏,单位及通讯地址同第一到的大量弧菌和假单胞菌也是海藻和海泥中常见的 作者 类群(孙奕,1989),这些微生物能够分泌胞外酶,协助 淑英、刘钢、刘荟祺,大连格林佰欧纳米生物技术有限公司 收稿日期:2007-11-0 海参肠道中的胞内醇进行消化 C lifford,l982),海参的 ★国家高技术研究发展计划863计划)专题课题《微切变-前肠是进行酶消化的主要场所,从海藻和海泥中摄取 助剂互作技术生产植物型刺参免疫调节剂和水体修复的细菌在前肠的消化作用下数量会减少,但有一部分 剂》,项目编号:206AA10Z412 细菌会存活下来,在后肠定植并繁殖,形成特定的菌 C1994-2008ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
汪婷婷,大连理工大学环境与生命学院生物工程系,116024, 大连理工大学环境与生命学院生物工程系 303 房间。 孙永欣、徐永平、金礼吉、薛继鹏, 单位及通讯地址同第一 作者。 李淑英、刘钢、刘荟褀, 大连格林佰欧纳米生物技术有限公司。 收稿日期: 2007- 11- 05 ★ 国家高技术研究发展计划( 863 计划) 专题课题《微切变- 助剂互作技术生产植物型刺参免疫调节剂和水体修复 剂》, 项目编号: 2006AA10Z412 多 糖 类 免 疫 增 强 剂 对 海 参 肠 道 菌 群 的 影 响 汪婷婷 孙永欣 徐永平 金礼吉 薛继鹏 李淑英 刘 钢 刘荟褀 海参(Sea cucumbers,holothurians)属于无脊椎动物 中 的 棘 皮 动 物 门 (Echi - nodermata)、 海 参 纲 (Holothuroidea), 全世界约有 900 余种, 均为海洋种类 (常亚青, 2004)。我国海域分布有 140 多种, 其中刺参 (Apostichopus japonicus) 是我国北方重要的水产养殖 品种之一, 具有很高的营养价值、药用价值和经济价 值( Hamel, 2004) 。 近年来, 市场需求的增加导致自然刺参资源过度 开发,海参的人工养殖随之产生。但高密度养殖、种质 退化以及水环境污染等因素使其感染疾病的机率大 大增加(王印庚,2005)。疾病防治过程中抗生素的添加 产生了新的致病菌,进而导致了肠道菌群的紊乱(Gardiner,1993),对于肠道微生物区系的深入研究及对抗生 素所产生的耐药性和药物残留的关注使人们开始寻 求新的替代物,如益生菌、益生素及其它饲料添加剂。 应用天然活性成分代替抗生素是抑制病原微生 物生长的一个有效途径。天然多糖是一类对免疫系统 具有重要作用的高分子化合物, 可以作为免疫增强剂 应用于临床( Tzianabos, 2000) 。多糖类免疫增强剂的 作用机制之一是与消化道中的菌群发生相互作用, 进 而提高动物的免疫力( 孙永欣等, 2006) 。深入研究海 参肠道菌群的组成及免疫增强剂的作用机理,对于在 海参养殖中进行疾病的预防和治疗, 以及开发新型免 疫增强剂具有重要的作用。 1 海参肠道细菌的组成与功能 目前对海参肠道菌群的研究还比较少。孙奕等 ( 1989) 对新鲜刺参及人工条件下饥饿培养的刺参的 消化道、体腔液和表皮所分离到的 359 株细菌进行分 离, 经鉴定其分别属于 Vibro(弧菌属)、Pseudomonas(假 单胞菌属)等 11 个主要菌属, 刺参栖居地泥沙中还有 Bacillus( 芽胞杆菌属) 和 Achromobacter( 无色杆菌属) ( 见表 1) 。Rainey(1996)研究表明, 海参肠道中大约有 43 种细菌, 优势菌群为弧菌属和假单胞菌属, 其次是 杆菌和放线菌等革兰氏阳性菌。 海参肠道菌群具有其特定的生理功能, 海参前肠 大量的微生物来源于食物中的藻类碎屑, 在前肠中见 到的大量弧菌和假单胞菌也是海藻和海泥中常见的 类群( 孙奕,1989) , 这些微生物能够分泌胞外酶, 协助 海参肠道中的胞内酶进行消化(Clifford,1982) , 海参的 前肠是进行酶消化的主要场所, 从海藻和海泥中摄取 的细菌在前肠的消化作用下数量会减少, 但有一部分 细菌会存活下来, 在后肠定植并繁殖, 形成特定的菌 表 1 刺参及泥样中细菌属的分布 数量 47 66 7 1 10 4 2 7 4 15 - - - 7 170 P(%) 27.8 39.1 4.1 0.6 5.9 2.4 1.2 4.0 2.4 8.9 - - - 3.6 100 数量 69 8 - - - - - 3 - - - - 1 2 83 P(%) 83.1 9.6 - - - - - 3.6 - - - - 1.2 2.4 100 数量 35 14 6 1 10 8 26 3 1 - 1 - 10 1 116 P(%) 30.2 12.1 5.2 0.8 8.6 6.9 22.4 2.6 0.8 - 0.8 - 8.6 0.8 100 数量 - 3 - 1 1 - 1 1 1 - 1 12 20 - 41 P(%) - 7.3 - 2.4 2.4 - 2.4 2.4 2.4 - 2.4 29.3 48.3 - q 100 弧菌属 假单胞菌属 节杆菌属 棒状杆菌属 不动杆菌属 微球菌属 奈瑟菌属 黄杆菌属 黄单胞菌属 柄杆菌属 产碱菌属 无色杆菌属 芽胞杆菌属 未定 合计 饥饿刺参肠道和腔液 新鲜刺参肠道和腔液 表皮 栖居底泥 注: 资料来源孙奕等(1989)。 细菌属 《饲料工业》·2008 年第 29 卷第 4 期 水 产 养 殖 19
水产养殖 汪婷婷等:多糖类免疫增强剂对海参肠道菌群的影响 群,在营养吸收、排斥其它菌群方面起重要作用。此( T laskalovo,2004)。通常使用的多糖类免疫增强剂,其 外,海参肠道菌还能为宿主提供特定的必需氨基酸代谢产物可以被有益菌利用,而不能被致病菌利用 arlocher,l978; Phillips,1984),其作用方式类似于反从而促进肠道有益菌的增殖,抑制有害微生物的生 刍动物的瘤胃微生物6ach,2005)。 长。通过调节这两种微生物菌群的平衡来实现肠道微 肠道菌群的稳定对海参抵御肠道中病原菌的感生物区系的优化(红梅等,2003)。 染具有重要的作用(陈孝煊等,2005)。某些弧菌种《 正常肠道菌群的形成被认为是消化系统建立的 harveyi, V. alginolyticus、V. splend idus)是海水养殖业公有利补充,在试验过程中发现,饲料中添加0.3%黄芪 认的重要病原菌之一,在海参养殖中曾引起巨大损失多糖可以提高刺参肠道中产褐藻酸酶菌的数量,其分 ( Becker20姓4涨张春云,2006)。对于哺乳动物来说,弧菌泌的褐藻酸酶有助于协助海参消化食物中的藻类碎 感染的发病机制起源于肠道感染￠ig,2003),我们有屑 理由怀疑海参的发病也有可能是由肠道中肠道菌群3.2减少肠道疾病的发生 的失调引起的 病原菌与肠上皮细胞之间的粘附是其定植、产生 2多糖类免疫增强剂 毒素并最终导致肠道疾病所必需。海参病原菌通过其 肠道菌群很容易受到外界因素的影响,如压力、菌体表面的糖结合蛋白来寻找靶细胞,并使之染病 抗生素、饵料等ig,1999: Austin,1999在我国,很因此在海参的疾病防治中,可以用特定的外源凝集素 早就能从真菌和中草药中获得天然活性成分并将其来结合细菌的糖结构或用特定的多糖来结合肠粘膜 作为饲料添加剂应用于动物养殖中,显示出抗菌、促上皮细胞表面糖受体,从而阻止减少病原菌与肠粘膜 进免疫及缓解压力的作用Wang,1998)。这些产品中上皮细胞的结合,进而减少肠道疾病的发生(熊川男, 的生物活性成分非常复杂,但多糖被认为是最重要的2005) 种免疫增强剂《ue,1996)。目前,从黄芪、香菇、银 多糖不仅可以阻止肠道病原菌与肠上皮细胞间 耳、灵芝、人参等植物体中提取的多糖已被作为免疫的粘附,而且还可以将已经粘附在肠上皮细胞上的病 增强剂应用于动物养殖,并且表现出了抗菌αuan,原菌置换下来。外源加入的多糖可与肠上皮细胞的多 1993)、抗病毒Li,199}b;Yu,2000、抗寄生虫φang,糖受体结合,当多糖达一定浓度时,可使肠道上皮的 2000)的作用。 多糖受体位点饱和,使已经粘附在肠粘膜上皮细胞上 多糖具有类似益生素的作用 Cum m ings,2002),益的病原菌解离。 生素是一种不消化的食物成分,可促进有益菌生长并 细菌中提取的一些成分,如脂多糖(LPS)等可 抑制病原菌的繁殖 G ibson,1995)。碳水化合物中的寡用作佐剂,提高动物的免疫力 rodriguez,2005),但因其 糖和多糖,已被作为益生素添加到饲料中,调节动物肠往往具有一定的毒性,从而限制了应用。中药黄芪中 道菌群的组成 croft,2001: Zim m erm ann,2001;Ko-的黄芪多糖(APS)可以与脂多糖LPS)竞争性结合受 rakhi 2002) 体细胞上的抗原决定部位,从而发挥其免疫增强作 多糖类免疫增强剂对海参肠道菌群作用 用,APS发挥其免疫增强作用可能是和机体受体细胞 1优化肠道微生物区系 上的TLR4有关,是通过膜上TLR4依赖性的Ig发挥 肠道菌群是肠粘膜屏障重要的组成部分。肠道菌作用6hao,2004)。 群既能发挥有益作用,又具致病潜力￠ulkr,1997)。当4小结 肠道菌群发生失调时,病原菌可以穿过肠道迁移到其 海参肠道菌群对宿主具有重要生理功能,天然多 它组织,弧菌等病原菌可以粘附在肠道上皮细胞进而糖能够通过调节肠道菌群发挥其免疫机制,在海参养 导致微绒毛的严重破坏,感染区的细胞通常遭到严重殖中具有重要的应用前景,深入研究免疫增强剂对海 破坏而失去完整性6ugia,1996)。 参的作用机理,对于我们彻底揭示海参的防御机制、 多糖经口服进入肠道后,同肠道菌群接触,影响更好的指导科研和生产具有重要的意义。 肠道菌群的状态。肠道菌群中包含许多的化合物,可 以激活动物的免疫反应,从肠道菌群获得的长时间的 (参考文献36篇,刊略,需者可函索) 免疫激活作用可以引发炎症反应、免疫应答等 (编辑:徐世良,fxue163.cm) C1994-2008ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
群, 在营养吸收、排斥其它菌群方面起重要作用。此 外, 海参肠道菌还能为宿主提供特定的必需氨基酸 (Barlocher, 1978; Phillips, 1984), 其作用方式类似于反 刍动物的瘤胃微生物(Bach, 2005)。 肠道菌群的稳定对海参抵御肠道中病原菌的感 染具有重要的作用( 陈孝煊等,2005) 。某些弧菌种(V. harveyi、V. alginolyticus、V. splendidus)是海水养殖业公 认的重要病原菌之一,在海参养殖中曾引起巨大损失 (Becker,2004;张春云,2006)。对于哺乳动物来说, 弧菌 感染的发病机制起源于肠道感染(Ring,2003), 我们有 理由怀疑海参的发病也有可能是由肠道中肠道菌群 的失调引起的。 2 多糖类免疫增强剂 肠道菌群很容易受到外界因素的影响, 如压力、 抗生素、饵料等(Ring, 1999; Austin, 1999)。在我国, 很 早就能从真菌和中草药中获得天然活性成分并将其 作为饲料添加剂应用于动物养殖中, 显示出抗菌、促 进免疫及缓解压力的作用(Wang, 1998)。这些产品中 的生物活性成分非常复杂, 但多糖被认为是最重要的 一种免疫增强剂(Xue, 1996)。目前, 从黄芪、香菇、银 耳、灵芝、人参等植物体中提取的多糖已被作为免疫 增强剂应用于动物养殖, 并且表现出了抗菌(Yuan, 1993)、抗 病毒(Liu, 1999b; Yu, 2000)、抗 寄生 虫(Pang, 2000)的作用。 多糖具有类似益生素的作用(Cummings, 2002), 益 生素是一种不消化的食物成分, 可促进有益菌生长并 抑制病原菌的繁殖(Gibson, 1995)。碳水化合物中的寡 糖和多糖,已被作为益生素添加到饲料中,调节动物肠 道 菌 群 的 组 成 (Rycroft, 2001; Zimmermann, 2001; Korakli, 2002)。 3 多糖类免疫增强剂对海参肠道菌群作用 3.1 优化肠道微生物区系 肠道菌群是肠粘膜屏障重要的组成部分。肠道菌 群既能发挥有益作用, 又具致病潜力(Fuller, 1997)。当 肠道菌群发生失调时, 病原菌可以穿过肠道迁移到其 它组织, 弧菌等病原菌可以粘附在肠道上皮细胞进而 导致微绒毛的严重破坏, 感染区的细胞通常遭到严重 破坏而失去完整性(Sugita, 1996)。 多糖经口服进入肠道后, 同肠道菌群接触, 影响 肠道菌群的状态。肠道菌群中包含许多的化合物,可 以激活动物的免疫反应,从肠道菌群获得的长时间的 免 疫 激 活 作 用 可 以 引 发 炎 症 反 应 、 免 疫 应 答 等 ( Tlaskalová, 2004) 。通常使用的多糖类免疫增强剂, 其 代谢产物可以被有益菌利用, 而不能被致病菌利用, 从而促进肠道有益菌的增殖, 抑制有害微生物的生 长。通过调节这两种微生物菌群的平衡来实现肠道微 生物区系的优化(张红梅等, 2003)。 正常肠道菌群的形成被认为是消化系统建立的 有利补充, 在试验过程中发现, 饲料中添加 0.3%黄芪 多糖可以提高刺参肠道中产褐藻酸酶菌的数量, 其分 泌的褐藻酸酶有助于协助海参消化食物中的藻类碎 屑。 3.2 减少肠道疾病的发生 病原菌与肠上皮细胞之间的粘附是其定植、产生 毒素并最终导致肠道疾病所必需。海参病原菌通过其 菌体表面的糖结合蛋白来寻找靶细胞, 并使之染病, 因此在海参的疾病防治中, 可以用特定的外源凝集素 来结合细菌的糖结构或用特定的多糖来结合肠粘膜 上皮细胞表面糖受体, 从而阻止减少病原菌与肠粘膜 上皮细胞的结合, 进而减少肠道疾病的发生( 熊川男, 2005) 。 多糖不仅可以阻止肠道病原菌与肠上皮细胞间 的粘附, 而且还可以将已经粘附在肠上皮细胞上的病 原菌置换下来。外源加入的多糖可与肠上皮细胞的多 糖受体结合, 当多糖达一定浓度时, 可使肠道上皮的 多糖受体位点饱和, 使已经粘附在肠粘膜上皮细胞上 的病原菌解离。 从细菌中提取的一些成分, 如脂多糖( LPS) 等可 用作佐剂,提高动物的免疫力(Rodriguez, 2005),但因其 往往具有一定的毒性,从而限制了应用。中药黄芪中 的黄芪多糖( APS) 可以与脂多糖( LPS) 竞争性结合受 体细胞上的抗原决定部位, 从而发挥其免疫增强作 用, APS 发挥其免疫增强作用可能是和机体受体细胞 上的 TLR4 有关, 是通过膜上 TLR4 依赖性的 Ig 发挥 作用(Shao, 2004)。 4 小结 海参肠道菌群对宿主具有重要生理功能, 天然多 糖能够通过调节肠道菌群发挥其免疫机制, 在海参养 殖中具有重要的应用前景, 深入研究免疫增强剂对海 参的作用机理, 对于我们彻底揭示海参的防御机制、 更好的指导科研和生产具有重要的意义。 ( 参考文献 36 篇, 刊略, 需者可函索) ( 编辑: 徐世良, fi- xu@163.com) 水 产 养 殖 汪婷婷等: 多糖类免疫增强剂对海参肠道菌群的影响 20