中国农业大学动科学院胡永飞、呙于明教授团队构建合成微生物群落改善肉鸡肠道稳态并激发抗感染免疫

4月23日，中国农业大学动物科学技术学院胡永飞、呙于明教授团队在国际微生物生态学顶级期刊 The ISME Journal 在线发表研究论文 Synthetic microbial community improves chicken intestinal homeostasis and provokes anti- Salmonella immunity mediated by segmented filamentous bacteria 。本研究构建了一个模拟成年鸡肠道菌群结构和功能的合成微生物群落SynCom^Bac10，通过生命早期对肉鸡肠道微生物组进行干预，揭示了该群落改善肉鸡肠道稳态并激发分节丝状菌（Segmented filamentous bacteria, SFB）介导的抗沙门氏菌感染的作用和机制。

图1 图形摘要

鸡的胃肠道栖息着复杂的微生物群落，这些微生物对维持肠道稳态至关重要——它们不仅能促进营养物质的消化吸收，还能增强肠道屏障功能和宿主免疫力。目前，粪便菌群移植是调控动物或人类肠道菌群最直接的方法，但由于粪便菌群组分复杂且不明确，

其大规模应用（尤其在畜牧业中）仍面临诸多挑战。相比之下，由特定的可培养菌株组成的合成微生物群落具有更高的安全性、可控性和可重复性等优势，是近年来微生物组工程（Microbiome engineering）领域最受关注的技术手段之一。团队前期研究发现源于高体重肉鸡肠道中具有协同代谢功能的特定菌株组合，可通过脂质和类脂分子与肠道PPAR信号通路互作来调节肉鸡的生长发育（Meihong Zhang et al., mSystems, 2023）；在此基础上，提出将合成微生物群落技术应用于家禽产业中，并构思了分别从饲料端、养殖端和废弃物处理端构建和应用合成微生物群落技术的策略（Yongfei Hu et al., The Innovation, 2023）。

为构建合成微生物群落早期调控鸡肠道微生物组，本研究首先通过培养组学方法，从健康鸡肠道内容物中分离获得243个细菌种。基于菌群组成和功能评估，从中筛选10株代表最普遍且最丰富门的菌株构建合成微生物群落SynCom^Bac10。功能预测表明，SynCom^Bac10可覆盖鸡肠道不同区段70% ~ 88%的核心微生物功能。体外实验证实，SynCom^Bac10不仅能稳定共存，还表现出显著的抗病原菌干扰能力。

研究随后将SynCom^Bac10口服灌胃给新生雏鸡，发现其能显著改善肉鸡生长性能和肠道健康，并通过激活黏附连接、紧密连接和钙信号通路等关键通路，促进肠道上皮屏障的早期成熟，同时显著上调紧密连接蛋白相关基因 Claudin-2 和 ZO-1 与营养物质转运相关基因 GLUT1 、 CAT1 、 CAT2 和 y⁺LAT1 等的表达。体外培养鸡原代肠上皮细胞实验进一步验证了该结果。微生物组分析表明，SynCom^Bac10加速了回肠和盲肠微生物群的时序性成熟，并显著促进分节丝状菌（Segmented filamentous bacteria, SFB）在鸡肠道中的提前定植。SFB的早期定植诱导了Th17细胞介导的免疫应答，表现为Th17细胞比例显著升高以及 IL-17A 、 IL-17F 和 IL-22 等相关基因的表达上调，同时改善了血清免疫球蛋白IgA和IgG的动态平衡。为明确SFB的关键作用，研究通过接种SFB孢子的验证实验结合单细胞核转录组分析证实，SFB通过特异性激活Th17细胞分化相关基因，如 RORA 、 PLCG1 、 JAK3 、 CCR7 、 CD5 和 HSP90AA1 等，驱动宿主的免疫调控。在抗感染实验中，经SynCom^Bac10预处理的新生雏鸡在沙门氏菌攻毒后展现出显著的抗感染优势，具体表现为体重损失减少，肠道损伤指标改善和血清IgA水平升高等。这些发现证实，肉鸡生命早期接种合成微生物群落SynCom^Bac10，能够显著促进肠道中SFB的定植与增殖，继而激活SFB介导的特异性免疫应答，有效增强宿主对沙门氏菌感染的抵抗能力。

SFB是一类特殊的肠道共生菌，主要定植并生长于幼龄动物回肠末端的细胞表面（图2）。虽然已有研究证实其能与肠道上皮细胞建立体外共培养体系，但至今仍未实现该菌的体外纯培养。本研究随后通过宏基因组鸟枪法测序从7日龄SynCom^Bac10鸡的回肠末端样本中成功组装获得两个鸡源SFB基因组（命名为Candidatus Arthromitus sp. SFB-chicken-1和Candidatus Arthromitus sp. SFB-chicken-2）。基于不同宿主来源的SFB基因组的比较分析表明，禽类肠道中存在两种不同的SFB，且禽源SFB与鼠源和人源SFB形成独立进化分支，证实了SFB的高度宿主特异性。进一步分析发现，SFB基因组大量缺失营养代谢相关功能基因，而SynCom^Bac10成员能有效补偿其代谢缺陷。可转移代谢物预测和非靶向代谢组学分析表明，SynCom^Bac10可能通过分泌氨基酸、碳水化合物、核苷酸和铁载体等SFB自身无法合成的必需营养物质，促进其在鸡肠道中的早期定植与生长。

图2 “肠”相“丝”守。生长于14日龄AA肉鸡回肠末端上皮细胞表面的分节丝状菌（SFB）扫描电镜染色图。绿色：SFB；粉棕色：肠绒毛。

综上，本研究构建了一个模拟成年鸡肠道菌群结构和功能的合成微生物群落SynCom^Bac10。早期接种SynCom^Bac10可有效改善肉鸡肠道稳态，特别是发现SynCom^Bac10通过激活SFB介导的Th17细胞免疫应答来增强宿主对沙门氏菌感染的抵抗力。本研究为设计和应用合成微生物群落改善动物肠道健康提供了研究范例，也为未来应用于家禽产业的创新性微生态调控技术的建立提供了全新的思路。

中国农业大学动物科技学院胡永飞教授博士生张美红为论文第一作者，胡永飞教授与呙于明教授为论文共同通讯作者。研究得到了国家重点研发计划、山东省重点研发计划、中国农业大学杰出人才启动经费、中国农业大学2115人才发展计划等项目的资助。