赵江潮：14分钟详解如何做透"猪"肠道菌群研究和应用
大家好，我是来自美国阿肯色大学的赵江潮。非常感谢《肠·道》节目的邀请，给我这个机会跟大家分享一下，我们团队在过去的几年，在猪肠道菌群方面的一些研究进展。
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今天的报告主要分三个方面的内容。首先是猪肠道菌群研究的一些进展和面临的问题；然后我会着重地介绍一下猪肠道菌群，从猪出生到上市，它的一个时间的动态变化；最后，我想跟大家探讨一下，猪肠道菌群的研究在益生菌的开发和食品安全中的应用。
那么，为什么我们对猪的肠道菌群感兴趣呢？我认为主要有以下两个方面的原因。
首先，猪的器官，不论是它的大小、形态，还是生理，都跟人非常接近。
因此，猪可以作为一个研究人各种各样疾病的理想动物模型。
第二，我们国家是世界上公认的养猪大国，但是在猪肉的生产当中，存在着各种各样的问题，包括一些疾病，包括饲料利用率比较低下，包括一些环境的污染。同时，我们也知道，政府刚刚出台了一些“禁抗”的政策。所以，人们希望通过研究猪的肠道菌群，能够改善这些问题，并且寻找一些非常有效的、替代抗生素的益生菌。
因此，在过去的几年，猪的肠道菌群一直被作为一个研究的热点，并且取得了非常可喜的进展。
包括一项由多个国家参与的研究，这项研究绘制了猪的肠道菌群的宏基因组。
也包括最近的一些研究显示，饲料可以调控猪的肠道菌群。
同时也包括前不久，华中农业大学晏向华教授团队发表的，关于肠道菌群和宿主互作的一个文章。
就在上周（2020 年 11 月 18 日），中国农业大学王军军团队，刚刚发表了一篇关于肠道不同肠段的菌群特异性的文章。
这些研究显然是极大地提高了我们对猪的肠道菌群的认知，但是这些研究还是远远不够的。这方面的研究面临着各种各样的问题，第一个问题就是相关性的研究居多。相关性不等于因果关系，这个问题不仅仅是出现在猪肠道菌群研究中，人肠道菌群研究也有同样的问题。
再有，一些基础的生态学、生理学的问题，是亟待解决的。
比如说，猪的一生从出生到上市，肠道菌群是怎么样改变的？调控这些肠道菌群改变的主要因子是哪些？如果我们想精确地调控猪的肠道菌群，最理想的时间是什么？
猪的肠道里面哪些是常驻菌？哪些是过路菌？有没有一个核心的菌群存在于所有的猪里面？
猪的肠道菌群的定植有没有一个先后顺序？有没有一个优先效应？在空间上，猪的不同的肠段是不是特异性地选择一些菌群？
简单地介绍一下我们做的一些研究，尝试性地回答这些问题。首先就是猪的肠道菌群在空间上的一个动态变化。
在 2018 年，我们跟浙江省农科院肖英平博士和杨华院长合作研究发现，在长白猪和金华猪的不同肠段当中，肠道菌群差异明显；对于同一个肠段，在两个不同品种当中，猪的肠道菌群也有非常明显的差异。
非常有意思的是，我们发现，如果把猪的小肠作为供体，把小肠菌群移植到无菌小鼠当中，菌群更容易在小鼠的小肠里面定植；如果把猪的大肠作为供体，把大肠菌群移植到无菌小鼠当中，菌群更容易在大肠当中定植。
下面我就着重介绍一下，猪的肠道菌群随时间的一个动态变化。我们设计了一个很简单的实验：跟踪了 17 头小猪，从它们出生到上市，收集了 16 个样品，在猪的 4 个生长阶段。
首先，我们看一下，猪的肠道菌群整体结构的一个变化。我们发现，在不同的生长阶段，猪的肠道菌群是遵循跟猪的生长阶段相关的一个演替规律。从哺乳期到保育期，我们发现了一个非常明显的肠道菌群结构的变化。
这可能主要是因为饮食发生了明显的变化。哺乳期的时候，猪主要是吃母乳，到了保育期的时候，猪开始吃固体的饲料。
我们再看一下肠道菌群的组成。我们发现，肠道菌群的组成也遵循这样一个跟生长阶段相关的规律。
大家熟知的普雷沃氏菌，在人里面是一个非常热门的细菌。人分不同的肠型，普雷沃氏菌是人的一个非常重要的肠型。我们发现，普雷沃氏菌在猪的保育期的时候才开始出现。那么，普雷沃氏菌在猪的生长阶段当中，是不是起到一个非常重要的作用？这是一个非常值得研究的问题。
接着，我们对猪的肠道细菌的定植情况做了一个总结。我们鉴定出来了 125 种细菌，这些细菌在猪的不同的生长阶段都会出现，我们把它们定义为常驻菌。
同时，我们也发现了一些在不同的生长阶段特异性出现的细菌，我们把它们称为过路菌。
网络研究发现，猪的肠道细菌之间的互作，也遵循着生长相关的规律。
以前的数据表明，不同生长阶段的猪会定植或者富集特异的细菌。为了验证这些实验结果，我们进行了一个粪菌移植的实验。
我们把一头成熟的、处于生长阶段的大猪的粪便，移植到了刚刚断奶的、处于保育阶段的小猪体内。我们发现，粪菌移植没有明显地改变这些小猪的肠道菌群。
但是，粪菌移植非常明显地提高了生长性状。在不同的时间点，粪菌移植组的小猪比对照组的日增重明显地提高。
非常有意思的是，粪菌移植虽然没有改变整体的肠道菌群的结构，但是却富集了几株特异性的细菌。我们就以 F2 细菌作为一个例子，我们发现，与比对照组相比，粪菌移植组的 F2 丰度明显提高。
如果把 F2 的相对含量和猪的体重放到一起会发现，F2 的丰度和猪的体重是一个非常明显的正相关。所以，我们把这个实验作为“F2 是一个潜在的益生菌”的第一个证据。
有意思的是，我们在前面的一个验证的动物实验里面，通过机器学习的方法鉴定了一系列跟猪生长性状相关的细菌， F2 就是其中的一个。这可以作为“F2 是潜在的益生菌”的第二个证据。
更有意思的是，我们在第三个独立的动物实验当中，发现 F2 的丰度也是跟生长性状相关，具体的实验我在这里就不介绍了。
以上的三个独立的动物实验，都指向了“F2 是一个潜在的益生菌”。但是不管怎么样，这些都还是相关性的研究。为了验证 F2 到底是原因还是结果，我们必须把 F2 培养出来，然后再饲喂到猪里面，看是不是能够提高生长性状。
因此，我们就投入了大量的人力和财力，做了一个猪的肠道菌群的培养组学。我们收集了 3 头不同的猪、4 个不同的生长阶段，一共 12 个样品，对每个样品进行了 53 种不同的培养基和气体的组合，然后得到了一个猪的肠道菌群的培养图谱。
在这个热图当中，每一行代表的是一种细菌，每一列代表的是一个培养条件。这个热图对我们课题组、对整个行业都是非常有用的。如果你有一株非常感兴趣的细菌，就可以到培养图谱里面，找到相对应的细菌和它对应的这种最优的培养方式。
根据这个图谱的指引，我们分离出来了 200 株不同的 F2 菌株。然后我们发现，通过 16S 全长的测定，200 个 F2 的菌株可以分成 8 个不同的亚型。同时我们发现，F2 的菌株在形态和功能上都是不同的。
这张图我们可以看得出来，它的形态是各异的，然后有的细菌产酸，有的不产酸。
接下来，我们对这些 F2 的菌株的功能和表型做了一个验证。我们用的是 biolog 的平板，这个平板主要是检测这些不同的菌株对碳源的利用率。
根据这些碳源的利用率，我们做了一个统计分析，做了一个 PCoA 图。在这张图上，我们发现，这些菌株大体上分成了两类，我们随机地在这两类里面各取了一株菌株，进行了动物的灌胃实验。
这是动物灌胃实验的结果，这个结果非常地令人兴奋。我们发现，在第 94 天的时候，F2 的菌株显著地提高了猪的体重，F2 的灌胃组要比对照组的猪平均增重 10 公斤左右。
这个结果就证明了，F2 真的是一个促进猪生长性状的益生菌。这个结果现在得到了很多公司的兴趣，我们也申请了国际的专利，现在在做一些后续的机制性的研究，看一下 F2 到底是怎么样提高生长性状的，是通过调控免疫系统，还是通过帮助猪增加它的饲料利用率。希望将来能给大家分享一下后期的结果。
一个简单的小结，我们对猪的肠道菌群的动态研究，不仅帮助我们解决了、回答了一些基础的生物学和生态学的问题，并且给大家提供了一个从大数据的相关性分析，到培养组学，到益生菌的培养、筛选，再到动物实验的验证，这样的一个技术体系。
大家知道，“民以食为天”，食品安全关乎社稷民生。但传统的食品安全的研究主要集中在猪屠宰之后，也就是采后，包括屠宰、分装、储藏、运输和后期的批发零售，并且往往集中在一种或者是几种食源性的致病菌上。
菌群的研究可以把食品研究拓展到屠宰之前，同时，也为食品安全提供一个比较完整的致病菌的图谱。我们发现，大肠杆菌主要集中在哺乳期，弯曲杆菌的丰度分布在猪的不同的生长阶段。
我们也可以通过网络分析，找到跟食源性致病菌相关的这些细菌。正相关的细菌，我们可以用作潜在的生物标记物；负相关的细菌，可以用作潜在的这种靶向干预的益生菌。同时，可以把这些相关的细菌应用到预测模型当中，这样的话，就可以明显地提高这些风险评估模型的准确率。
非常有幸的是，我们刚刚得到了一项沃尔玛基金会的资助，这是一个中美的合作项目，研究猪肉供应链的食品安全问题。我们第一次把菌群的研究应用到猪肉供应链的各个不同的阶段，我们也希望能够得到非常有意思的发现，将来跟大家分享。
展望未来，应该继续加大基础研究，进一步地阐释菌群、饲料、猪和环境之间的相互作用的关系；并且我们需要探索一些未知的领域，包括古细菌，包括脑肠轴，包括肺肠轴；同时我也想借助这个平台呼吁一下，我们这个行业需要标准化，需要加入一些内参，需要增加质控，这样的话，不同的实验室之间的数据可以进行相互比较，而不是各自为政。
好的，今天的分享就到这里，谢谢大家！