腹瀉俗稱“拉肚子”，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致脫水，出現(xiàn)電解質(zhì)紊亂、心梗、腦梗、低鉀血癥等癥狀。隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，人類腹瀉的診治不再是難題。
但對(duì)幼小的仔豬（又稱苗豬、豬崽等）而言，腹瀉可能是致命的。腹瀉是導(dǎo)致仔豬生長(zhǎng)受阻和高死亡率的主要原因，造成的死亡率占養(yǎng)豬生產(chǎn)中總死亡率的50%至70%，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)300億元，嚴(yán)重制約了我國(guó)生豬養(yǎng)殖業(yè)的優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展。
過(guò)去，業(yè)界主要關(guān)注細(xì)菌等病原性腹瀉并依賴抗生素進(jìn)行防治，對(duì)仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉關(guān)注較少，其發(fā)病機(jī)制并不清楚，尚無(wú)有效調(diào)控技術(shù)。在“飼料端禁抗、養(yǎng)殖端減抗、產(chǎn)品端無(wú)抗”的大背景下，破解仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉機(jī)理并找到應(yīng)對(duì)方法，成為亟待解決的國(guó)際性難題。
2014年起，由中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所首席研究員印遇龍領(lǐng)銜，由中科院亞熱帶生態(tài)所、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、湖南師范大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研單位和相關(guān)企業(yè)共計(jì)50余名研究者組成的科研團(tuán)隊(duì)，歷時(shí)8年，揭示了仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉發(fā)生的分子機(jī)制，研發(fā)了大量改善腸道健康、降低仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉的關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)了系列豬飼料產(chǎn)品并在全國(guó)實(shí)現(xiàn)了大范圍的產(chǎn)業(yè)化示范和推廣應(yīng)用。
揭示仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉分子機(jī)制
營(yíng)養(yǎng)因素是引發(fā)仔豬腹瀉的重要原因，不僅會(huì)直接導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)性腹瀉，而且會(huì)通過(guò)擾亂機(jī)體免疫機(jī)能誘發(fā)病原性腹瀉。仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉與仔豬消化機(jī)能不全、腸道菌群不穩(wěn)定、免疫系統(tǒng)發(fā)育不完善等多方面因素有關(guān)。在這些表象的背后，營(yíng)養(yǎng)性腹瀉具體是如何發(fā)生、進(jìn)行的？
為了回答這一問(wèn)題，研究者結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，系統(tǒng)分析了“無(wú)抗”日糧中不同蛋白質(zhì)水平、碳水化合物組成、電解質(zhì)平衡、微量元素和維生素水平對(duì)仔豬腸道健康和腹瀉的影響。
“我們發(fā)現(xiàn)，鐵缺乏（哺乳仔豬）、電解質(zhì)失衡（>或< 250 mEq/kg）、煙酸缺乏（< 22.5 mg/kg）、葉酸缺乏（< 4.5 mg/kg）和低采食量等，會(huì)通過(guò)mTOR、Wnt/β-catenin和AMPK等信號(hào)通路抑制仔豬小腸發(fā)育，損傷小腸形態(tài)結(jié)構(gòu)，降低消化吸收相關(guān)功能基因表達(dá)，從而導(dǎo)致小腸消化吸收功能障礙，引起仔豬消化不良而誘發(fā)后腸穩(wěn)態(tài)失衡和腹瀉?！庇∮鳊埍硎?。
同時(shí)，日糧蛋白質(zhì)過(guò)量（> 22% CP）、鐵過(guò)載（> 800 mg/kg）及煙酸過(guò)量（> 75 mg/kg）等則會(huì)使得相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)素在小腸消化不充分，過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)素到達(dá)后腸而引起后腸穩(wěn)態(tài)失衡，從而導(dǎo)致仔豬腹瀉。
印遇龍介紹，團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立蛋白質(zhì)、鐵和部分維生素缺乏或者過(guò)量以及電解質(zhì)失衡等仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉模型，發(fā)現(xiàn)小腸消化功能障礙或日糧部分營(yíng)養(yǎng)素過(guò)量，導(dǎo)致過(guò)量未消化營(yíng)養(yǎng)素在后腸發(fā)酵引起后腸穩(wěn)態(tài)失衡，是造成仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉的主要原因。
該團(tuán)隊(duì)通過(guò)糞菌移植試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，移植了營(yíng)養(yǎng)性腹瀉仔豬糞便微生物的仔豬腹瀉率顯著增加，而移植了正常仔豬糞便微生物的營(yíng)養(yǎng)性腹瀉仔豬的腹瀉情況得到顯著緩解。也就是說(shuō)，腸道微生物紊亂是導(dǎo)致仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉的重要因素。
他們進(jìn)一步利用高通量測(cè)序技術(shù)分析了不同營(yíng)養(yǎng)性腹瀉模型仔豬結(jié)腸微生物組成變化情況，發(fā)現(xiàn)在門水平和屬水平上，腸道微生物紊亂都會(huì)導(dǎo)致仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉，仔豬斷奶應(yīng)激、氧化應(yīng)激和免疫應(yīng)激等也有通過(guò)影響小腸消化吸收功能導(dǎo)致后腸微生態(tài)失衡及其代謝紊亂引起仔豬腹瀉的類似規(guī)律。
那么，腸道微生物究竟是如何導(dǎo)致仔豬“拉肚子”的？印遇龍介紹，團(tuán)隊(duì)通過(guò)營(yíng)養(yǎng)性腹瀉仔豬糞菌移植試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)性腹瀉仔豬腸道微生物主要通過(guò)損傷后腸屏障功能和誘發(fā)炎癥反應(yīng)而引起仔豬腹瀉，通過(guò)PXR、NF-κB和IL-17等信號(hào)通路促進(jìn)炎性細(xì)胞浸潤(rùn)和炎癥因子表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致仔豬腹瀉。
研發(fā)降低營(yíng)養(yǎng)性腹瀉關(guān)鍵技術(shù)
目前，仔豬腹瀉仍多采用抗生素進(jìn)行治療，而長(zhǎng)期高劑量、多品種的抗生素處理造成病原菌耐藥、動(dòng)物免疫機(jī)能下降、體內(nèi)菌群失調(diào)、豬肉殘留和環(huán)境污染等一系列嚴(yán)峻社會(huì)問(wèn)題。濫用、亂用抗生素不但直接危害消費(fèi)者機(jī)體健康，而且會(huì)導(dǎo)致耐藥菌甚至超級(jí)細(xì)菌的產(chǎn)生，給人和動(dòng)物造成巨大潛在威脅。我國(guó)畜牧業(yè)是抗生素使用量最大的領(lǐng)域，超過(guò)國(guó)內(nèi)抗生素消費(fèi)總量的一半。
基于篩選得到的AMPK、mTOR和Wnt/β-catenin等與營(yíng)養(yǎng)性腹瀉仔豬小腸功能損傷相關(guān)的關(guān)鍵信號(hào)通路，該團(tuán)隊(duì)利用腸道類器官體外篩選體系，篩選出氨基酸及其代謝產(chǎn)物、功能性脂肪酸和甜菜堿等能夠改善小腸消化功能的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)素。
團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，月桂酸等功能性中鏈脂肪能為腸道上皮快速供能，并通過(guò)mTOR信號(hào)通路改善腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)、提高黏膜消化酶活性，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收，降低仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉；谷氨酸、谷氨酰胺和天門冬氨酸等通過(guò)AMPK和mTORC1的交互反饋機(jī)制來(lái)控制能量和營(yíng)養(yǎng)平衡，緩解腹瀉仔豬腸道線粒體功能障礙和能量供應(yīng)不足。
此外，甜菜堿、功能性多肽EGF、含硫氨基酸、α-酮戊二酸(AKG)都可以通過(guò)mTORC1或Wnt/β-catenin等信號(hào)通路調(diào)控改善腸道功能、降低仔豬腹瀉發(fā)生。團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了生物發(fā)酵/酶解預(yù)消化飼料原料和高效有機(jī)微量元素添加劑生產(chǎn)制備技術(shù)，提高了飼料消化吸收效率，降低了蛋白質(zhì)、鐵等可誘導(dǎo)仔豬腹瀉的營(yíng)養(yǎng)素到達(dá)后腸的比例；建立了通過(guò)改善仔豬小腸生理功能、提高飼料消化率來(lái)降低營(yíng)養(yǎng)性腹瀉的關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)。
為了從營(yíng)養(yǎng)性腹瀉仔豬腸道微生物變化規(guī)律中開(kāi)發(fā)相關(guān)調(diào)控技術(shù)，團(tuán)隊(duì)首次建立了母豬乳汁等豬源細(xì)菌庫(kù)，分離了2500多個(gè)菌株，為益生菌的篩選建立了資源庫(kù)。
“我們針對(duì)營(yíng)養(yǎng)性腹瀉仔豬后腸Lactobacillus reuteri和Lactobacillus mucosae部分乳酸桿菌豐度降低的情況，研發(fā)了針對(duì)性的乳酸桿菌微生態(tài)制劑，可顯著降低仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉。此外，我們還篩選到地衣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌等多種豬源益生菌。通過(guò)對(duì)上述益生菌進(jìn)行優(yōu)化組合，研發(fā)了具有多功能的高效微生態(tài)制劑，可將豬的粗蛋白消化率提高4.5%，降低仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉5%至7%?！庇∮鳊埍硎尽?/p>
針對(duì)PXR等信號(hào)通路，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了豬pgPXR IPEC-J2細(xì)胞高通量篩選平臺(tái)，篩選得到可調(diào)控炎癥反應(yīng)的植物提取物（黃芪多糖、靈芝多糖、鞣花酸和靈芝多糖等）和半胱氨螯合物等功能性添加劑；發(fā)現(xiàn)功能多糖、鞣花酸和杜仲黃酮等功能性添加劑以及γ-氨基丁酸、芳香族氨基酸、絲氨酸和新型微量元素制劑等可通過(guò)調(diào)控腸道炎癥反應(yīng)降低仔豬腹瀉。
開(kāi)發(fā)新型飼料添加劑和仔豬飼料等產(chǎn)品
“目前，我們開(kāi)發(fā)了系列降低仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉的新型飼料添加劑和系列化仔豬飼料等關(guān)鍵性產(chǎn)品，在全國(guó)實(shí)現(xiàn)大范圍產(chǎn)業(yè)化示范及推廣應(yīng)用?！庇∮鳊埍硎尽?/p>
在新型飼料添加劑等方面，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新產(chǎn)品功能涵蓋改善小腸消化功能、調(diào)控腸道微生態(tài)平衡、抑制腸道炎癥反應(yīng)等。比如，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了以功能性脂肪酸、甜菜堿為代表的改善仔豬小腸消化功能、降低仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉的飼料添加劑產(chǎn)品；針對(duì)蛋白質(zhì)、鐵等可導(dǎo)致仔豬營(yíng)養(yǎng)性腹瀉的營(yíng)養(yǎng)素，研發(fā)了高利用率的飼料添加劑和預(yù)消化飼料原料。
印遇龍介紹，團(tuán)隊(duì)發(fā)明了“一種飼用動(dòng)物腸道保護(hù)劑、制備方法及其應(yīng)用”，以甜菜堿為主要成分，可通過(guò)改善仔豬形態(tài)結(jié)構(gòu)和消化吸收功能降低其營(yíng)養(yǎng)性腹瀉?！拔覀兺苿?dòng)候選單位山東祥維斯生物科技股份有限公司對(duì)甜菜堿系列產(chǎn)品進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，先后通過(guò)國(guó)家飼料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和歐盟出口標(biāo)準(zhǔn)，使產(chǎn)品打入國(guó)際市場(chǎng)并使其成為全球最大的甜菜堿生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)廠家?！?/p>
在開(kāi)發(fā)新獸藥產(chǎn)品方面，江西嘉博生物工程有限公司以本成果篩選的黃芪多糖、靈芝多糖等植物提取物為主要成分，開(kāi)發(fā)了芪芝口服液獸藥新產(chǎn)品。
在研發(fā)優(yōu)質(zhì)仔豬飼料產(chǎn)品方面，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化“無(wú)抗”條件下仔豬維生素和微量元素等參數(shù)，推動(dòng)合作單位福建傲農(nóng)生物科技集團(tuán)股份有限公司研發(fā)了“無(wú)抗”條件下教槽-保育前期-保育后期“仔豬營(yíng)養(yǎng)三階段”產(chǎn)品，系統(tǒng)地解決了仔豬各生長(zhǎng)階段的營(yíng)養(yǎng)性腹瀉問(wèn)題，可使仔豬70日齡體重達(dá)30公斤以上；與唐人神集團(tuán)聯(lián)合研發(fā)斷奶仔豬液態(tài)飼料-口口乳和相關(guān)教槽料，可使斷奶仔豬腹瀉率低于10%。
印遇龍表示，本項(xiàng)成果的實(shí)施，很好地推動(dòng)了生豬養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，項(xiàng)目成果在國(guó)內(nèi)多家大型企業(yè)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化示范和推廣應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。
同時(shí)，項(xiàng)目牽頭單位中科院亞熱帶生態(tài)所聯(lián)合全國(guó)80多家生豬產(chǎn)業(yè)相關(guān)的高校、科研院所和大型企業(yè)組建了“國(guó)家生豬產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，推進(jìn)了本成果的轉(zhuǎn)化與輻射；發(fā)起并連續(xù)舉辦八屆“國(guó)際動(dòng)物腸道生態(tài)與健康（中國(guó)）高端論壇”會(huì)議，產(chǎn)生了重大的國(guó)際影響力。
系列成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平
近日，中國(guó)農(nóng)學(xué)會(huì)受委托組織來(lái)自農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所、廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院、浙江大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的11名專家對(duì)上述成果進(jìn)行科技成果評(píng)價(jià)，最終，該項(xiàng)目的綜合評(píng)分高達(dá)95.34。
評(píng)價(jià)結(jié)論顯示，該成果授權(quán)國(guó)際發(fā)明專利4件、國(guó)內(nèi)發(fā)明專利24件，登記軟件著作權(quán)6件；出版專著8部；獲國(guó)家新獸藥證書(shū)1件，飼料添加劑新產(chǎn)品證書(shū)2件，建立團(tuán)體和省級(jí)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)；在PNAS和CNS子刊等雜志發(fā)表論文207篇?！笆濉眹?guó)家重大研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目評(píng)估為“優(yōu)秀”，中國(guó)科學(xué)院“率先行動(dòng)”計(jì)劃評(píng)估結(jié)果為“領(lǐng)跑國(guó)際和國(guó)內(nèi)”。
專家在評(píng)價(jià)中指出，該成果創(chuàng)新性強(qiáng)，進(jìn)一步解析了仔豬腹瀉機(jī)制，創(chuàng)建了多套干預(yù)仔豬腹瀉措施；成果推廣面廣，有明顯的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)效益；人才培養(yǎng)成績(jī)顯著；申請(qǐng)到了多項(xiàng)國(guó)際、國(guó)內(nèi)專利；發(fā)表了多項(xiàng)高質(zhì)量文章；成果總體達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。
據(jù)悉，該成果自2014年開(kāi)始研究，集成了國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目及中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目等多項(xiàng)科研課題成果。
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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe9274
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2215921119
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2016.00685/full
http://doi.org/10.1016/j.tem.2020.12.003
http://doi.org/10.1016/j.tibtech.2018.10.003
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111770