近年來，腸道微生物已逐漸成為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。哺乳動物胃腸道中棲息著數(shù)量龐大、種類繁多的微生物（細菌、真菌、古菌、病毒等），其中絕大多數(shù)是細菌。單胃動物腸道細菌的數(shù)量高達1014個，是細胞數(shù)量的10倍以上，由500種以上的細菌組成。仔豬出生后腸道微生物區(qū)系迅速發(fā)展，出生12 h后結(jié)腸中細菌的數(shù)量達到109～1010 CFU/g內(nèi)容物，以厭氧菌和兼性厭氧菌 為主，并在斷奶以后逐漸形成穩(wěn)定的腸道菌群。腸道菌主要分為厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidete）、變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）和梭桿菌門（Fusobacteria），其中前2類菌門的數(shù)量超過全部腸道菌的90％。 

在動物的進化過程中，腸道微生物與宿主形成了穩(wěn)定的共生關(guān)系。微生物長期穩(wěn)定的寄居在動物消化道內(nèi)，它們的增殖和繁衍依賴動物機體提供適宜的環(huán)境因子和營養(yǎng)源。腸道菌群的黏附定植、組成變化和代謝活力直接或間接地影響和控制宿主的生長、發(fā)育以及各項生命活動。反之，腸道菌的定植和生長隨著宿主動物的年齡、性別、生長環(huán)境、飲食營養(yǎng)的不同而發(fā)生波動和改變。病原菌、藥物、應(yīng)激和外部刺激等引起的宿主的急劇生理變化會影響腸道菌群的多樣性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致腸道微生態(tài)失衡。

1 腸道微生物的重要生理功能 

當(dāng)前的研究證實，腸道菌對于宿主的健康生長具有不可估量的重要作用。除了協(xié)助宿主分解和消化進入腸道的各類營養(yǎng)物質(zhì)（特別是膳食纖維），腸道菌群還能合成和產(chǎn)生多種營養(yǎng)功能物質(zhì)（如B族維生素和部分功能性氨基酸等）。一些益生菌能夠促進腸上皮黏液的分泌，協(xié)助宿主形成腸黏膜保護屏障，抑制外源致病菌群的定植。細菌產(chǎn)生的代謝物、菌體蛋白、細菌素等經(jīng)由迷走神經(jīng)和循環(huán)途徑參與宿主各種代謝調(diào)控與信號傳導(dǎo)。腸道微生態(tài)紊亂會引起宿主免疫失衡從而引發(fā)機體代謝表型障礙，并誘發(fā)多種疾病的發(fā)生，如抑郁癥、帕金森癥和肥胖癥等。通過補充益生菌或益生元來促進優(yōu)勢菌群的繁殖，或者采用菌群移植的方式恢復(fù)腸道穩(wěn)態(tài)，能夠有效地減少有害菌的數(shù)量，恢復(fù)或者促進宿主的健康發(fā)育。

2 腸道菌群定植穩(wěn)態(tài)影響動物肌肉生長和代謝 

骨骼肌是動物重要的組織器官，負責(zé)機體的運動和平衡，保護內(nèi)臟器官，同時還是重要的能量儲存和消耗器官。骨骼肌組織可以通過分泌產(chǎn)生多種肌源性細胞因子，如鳶尾素、肌聯(lián)素、肌肉抑制素和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子等，影響和干預(yù)其他組織的生理功能。在畜牧生產(chǎn)中，豬、牛、羊和家禽等動物肌肉組織的生長和功能決定了動物的產(chǎn)肉量和肉品質(zhì)量。所以，揭示腸道微生物對動物宿主肌肉生長的影響及作用機制具有重要的經(jīng)濟意義。

基于無菌動物的微生物移植試驗整體反映了腸道微生物通過參與機體的物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)對宿主的生長和代謝表型進行調(diào)節(jié)，并直接影響到肌肉的生長、發(fā)育和代謝調(diào)控。Backhed等試驗發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠的體脂蓄積量比帶菌小鼠減少了60％，其葡萄糖耐受度和胰島素敏感性均大幅度降低。在無菌小鼠的骨骼肌中，能量穩(wěn)態(tài)相關(guān)的調(diào)控分子5′-單磷酸腺苷蛋白激酶（adenosine 5′-monophosphateactivated protein kinase,AMPK）和負責(zé)線粒體氧化代謝的肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1（carnitine palmitoyltransferase-1,CPT-1）蛋白都具有更高的表達量和蛋白活性。此外，無菌小鼠腸道內(nèi)高水平的空腹誘導(dǎo)脂肪因子（fasting-induced adipose factor,Fiaf）增加了肌肉中過氧化物酶體增殖物受體γ共激活因子1α（peroxisomeproliferators activated receptor gamma coactivator 1 alpha,PGC-lα）蛋白——一種主要的線粒體脂肪氧化調(diào)節(jié)分子。這些結(jié)果說明無菌小鼠的肌肉組織中脂肪氧化和能量消耗率都高于普通小鼠，而給無菌小鼠的腸道定植細菌后其骨骼肌的能量代謝效率有所減少。 

腸道微生物的組成與多樣性有助于維持肌肉的正常生長和代謝能力。以不同的方法改變腸道菌群會直接影響肌肉的生長和功能。肥胖型的榮昌豬和瘦肉型的約克夏豬腸道微生物區(qū)系存在顯著差異。將2種豬的腸道微生物通過糞菌移植方 式傳遞給無菌小鼠后，受體小鼠表現(xiàn)出與供體豬相似的代謝表型。與灌胃約克夏豬糞便的小鼠相比，灌喂榮昌豬糞便的小鼠體脂重具有增加的趨勢，肌肉中的慢肌纖維比例提高，腓腸肌肌纖維直徑和橫截面積具有減小的趨勢，腓腸肌的脂肪合成的能力提高，肌內(nèi)脂肪增多。Liu等分別給正常飲食與高脂飲食的小鼠移植多形擬桿菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正常飲食小鼠的總脂肪含量減少，肌肉含量增加；而高脂飲食小鼠體重增長速度減慢，肌肉塊重量也明顯增加。還有研究表明，給健康的年輕小鼠額外補充植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）TWK10可以增加小鼠肌肉塊的大小和運動能力（握力和游泳時間）。Choi發(fā)現(xiàn)細菌形成的胞外囊泡（extracellular vesicles,EVs）參與了高脂飲食造成的小鼠骨骼肌組織的胰島素抵抗和糖代謝紊亂。肌肉的強化也會影響到腸道菌群的組成和代謝強度。適量的運動和鍛煉能夠明顯增強宿主的腸道健康，維持腸道菌群的多樣化，增強代謝活力。這些研究說明腸道菌的定植和狀態(tài)與肌肉的生長和功能存在密切聯(lián)系。腸道菌的改變和波動會帶來宿主生理與代謝的整體變化，往往會涉及肌肉組織的變化，包括肌肉生長、纖維轉(zhuǎn)化和代謝調(diào)控等不同方面。

3 腸道菌代謝物影響肌肉生長和肌細胞發(fā)育 

進入消化道的營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)腸道菌分解和代謝產(chǎn)生的代謝物和次級代謝物，是腸道菌發(fā)揮不同生理調(diào)控功能的主要作用媒介，如短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）、多不飽和脂肪酸、次級膽汁酸、生物胺、5-羥色胺、吲哚丙酸。碳水化合物在大腸經(jīng)微生物發(fā)酵后產(chǎn)生大量的乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等SCFAs及其鹽類化合物。SCFAs既可以作為后腸的能量物質(zhì)，也可以維持腸道屏障功能和調(diào)節(jié)腸道動力。此外，SCFAs還可以作為效應(yīng)分子，經(jīng)由神經(jīng)、免疫和循環(huán)系統(tǒng)影響大腦、肝臟、肌肉等不同器官的代謝和功能。 

丁酸鈉是丁酸的化合物，可以治療衰老小鼠的肌肉萎縮，增加小鼠后肢肌肉質(zhì)量及活性氧和線粒體水平，減少骨骼肌中脂肪含量。具體機制可能是：丁酸鈉作為一種組氨酸去乙酰化酶抑制劑，不僅能提高骨骼肌細胞中乙酰化水平，還可抑制肌細胞生成素、肌肉特異性環(huán)指蛋白1（muscle specific ring finger protein,MuRF1）和肌萎縮蛋白Fbox-1（Atrogin-1）的表達。它還能降低泛素-蛋白酶體活性，減少神經(jīng)損傷后的氧化應(yīng)激，緩解神經(jīng)壓迫導(dǎo)致的肌肉損傷。除此之外，丙酸等其他SCFAs也可通過影響糖代謝參與機體的能量代謝，進而影響肌肉的生長發(fā)育。丙酸可作為糖異生的底物激活小鼠腸道的糖異生反應(yīng)，補飼丙酸能夠提高宿主的胰島素敏感性和葡萄糖耐受量，減輕小鼠的體重。Han等也發(fā)現(xiàn)丙酸能夠促進C2C12肌細胞的基礎(chǔ)葡萄糖攝取。 

此外，腸道損傷和微生態(tài)失衡會導(dǎo)致腸道內(nèi)產(chǎn)生大量的炎癥或毒性分子，并通過循環(huán)系統(tǒng)影響或損害其他組織的機能，例如革蘭氏陰性菌的主要菌體成分脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）和色氨酸降解物硫酸吲哚等。高脂飲食、應(yīng)激、藥物等刺激引起腸道通透性增強，導(dǎo)致LPS等代謝物大量進入血液循環(huán)，引起包括肌肉組織在內(nèi)的多個組織器官炎癥反應(yīng)和胰島素信號途徑的損傷。此外，隨著宿主動物的衰老，肌肉功能逐漸喪失和肌營養(yǎng)不良也都與腸道微生物群的生態(tài)失調(diào)以及腸道通透性增加相關(guān)——這會促進細菌有害代謝物進入循環(huán)系統(tǒng)并引起肌肉組織損傷。有報道指出，腸道菌群依賴性的代謝物三甲胺-N-氧化物（trimethylamine-N-oxide,TMAO）進入血液循環(huán)后誘導(dǎo)宿主β-半乳糖苷酶、P53、P21等衰老標(biāo)志物表達量上調(diào)，增加氧化應(yīng)激反應(yīng)，加速動物機體和細胞的衰老。通過敲除TMAO產(chǎn)生酶——黃素單加氧酶3（flavin-containingmonooxygenase,FMO3）基因，可以顯著緩解高脂飲食導(dǎo)致的小鼠體脂增加，增加小鼠的肌肉塊重量。

4 腸道菌群影響肌纖維類型轉(zhuǎn)化 

動物的肌肉由不同類型的肌纖維組成，一般根據(jù)其代謝特點可以分為兩大類：氧化型纖維（Ⅰ型纖維，慢肌纖維）和酵解型纖維（Ⅱ型纖維，快肌纖維）。慢肌纖維含有更多的線粒體，通過有氧代謝獲得能量；快肌纖維則主要通過糖原酵解獲得能量。隨著外部和內(nèi)部環(huán)境因子（運動、營養(yǎng)、藥物等）的變化，肌纖維類型的比例會發(fā)生變化，進而導(dǎo)致肌肉的功能和代謝類型的轉(zhuǎn)變。目前的研究證實了腸道菌群的改變會影響肌纖維類型的轉(zhuǎn)變，在Yan等的試驗中，肥胖型豬的菌群移植使得無菌小鼠肌肉中肌球蛋白重鏈7（myosin heavy chain 7,MYH7）基因表達水平升高，肌球蛋白重鏈4（myosin heavy chain 4,MYH4）基因表達水平降低，導(dǎo)致小鼠慢肌纖維的比例增多而快肌纖維的比例減少。并且補充植物乳桿菌增強小鼠的運動能力也伴隨著肌纖維類型的變化——試驗組小鼠腓腸肌中Ⅰ型纖維的比例顯著增加。這很有可能是因為腸道菌的定植和變化通過各類激素和細胞因子引起肌肉組織對能量的利用效率不同造成的。 

一些細菌代謝產(chǎn)物也能夠直接影響和調(diào)控肌纖維類型的轉(zhuǎn)化。研究表明，補充丁酸鹽可以有效促進小鼠骨骼肌中氧化型纖維的生長。飼糧添加丁酸鈉上調(diào)了腓腸肌中肌球蛋白重鏈蛋白（myosin heavy chain, MyHC）Ⅰ和MyHC Ⅱａ的基因表達水平，增加了肌肉中慢肌纖維標(biāo)志因子肌紅蛋白和肌鈣蛋白的含量。在體外試驗中，不同劑量的丁酸鈉都能明顯上調(diào)C2C12肌細胞系中MyHCⅡａ的基因表達水平而下調(diào)MyHC Ⅱｂ的基因表達水平。除此以外，共軛亞油酸、次級膽汁酸等細菌代謝產(chǎn)物也都能影響肌纖維類型的決定和轉(zhuǎn)化。

5 益生菌和益生元有益于維持動物的肌肉生長 

不同微生物對于肌肉的影響效果具有特異性，一些益生菌，如乳酸菌能夠增強動物的肌肉生長和功能。檢測分析表明惡病質(zhì)的模型小鼠存在腸道乳酸菌屬的缺失，給小鼠口服羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）100-23和格氏乳桿菌（Lactobacillus gasseri）311476可以降低小鼠體內(nèi)炎癥因子的水平，增加脛骨前肌肉塊的大小。但是同樣的飼養(yǎng)條件下，補充嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）NCFM則沒有上述效果。除此以外，Varian等對自然衰老的小鼠以及易患惡病質(zhì)的小鼠補飼羅伊氏乳桿菌ATCC-PTA-6475，發(fā)現(xiàn)小鼠的平均肌纖維橫截面積增加。副干酪乳桿菌（Lactobacillus paracasei）PS23可以減緩小鼠衰老導(dǎo)致的肌肉質(zhì)量和力量的喪失，維持肌肉中較高水平的活性氧和線粒體水平。

這些研究反映了益生菌（主要是乳酸菌）與動物的肌肉發(fā)育和功能關(guān)系密切，也說明增加特定的有益菌或者細菌代謝物不但有利于正常情況下的肌肉生長，對于改善疾病導(dǎo)致的肌肉萎縮和肌肉功能障礙也會有幫助。直接給動物補充接種單一或復(fù)合有益菌（如乳酸菌）是動物生產(chǎn)中切實可行的措施，有益于肌肉的生長和功能。 

以低聚糖為主的益生元是目前畜牧生產(chǎn)中常用于調(diào)理腸道的膳食補充劑，這些物質(zhì)能夠改變腸道環(huán)境，促進益生菌的生長，定向改變宿主表型。Cani等采用纖維低聚果糖補飼肥胖小鼠，測序分析表明小鼠盲腸腸段雙歧桿菌、乳酸桿菌豐度明顯增加；此外，小鼠體內(nèi)LPS含量以及炎癥因子水平降低，胰高血糖素樣肽（glucagon-likepeptide,GLP）-1基因表達水平上調(diào)，而葡萄糖依賴性促胰 島 素 多 肽（glucose-dependent insulinotropic polypeptides, GIPs）基因表達水平降低，最終導(dǎo)致了小鼠肌肉質(zhì)量顯著增加。該研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)益生元與GLP-2拮抗劑共同作用于肥胖小鼠，益生元作用受到抑制。這說明纖維低聚果糖可能通過GLP-2依賴機制調(diào)節(jié)腸道菌群以及遠端器官生長。但是，益生元補飼刺激動物的肌肉發(fā)育也具有明顯的特異性。如在Bindels的試驗中，添加果膠寡糖和菊粉喂養(yǎng)小鼠，2種益生元雖然都改變了腸道菌群的組成，影響了小鼠的脂肪沉積量和脂肪酸組成，但對宿主腓腸肌和比目魚肌質(zhì)量并無促進作用。

6 微生物-肌肉軸的作用途徑 

通過匯總現(xiàn)有的研究，我們可以認(rèn)為腸道菌群與肌肉組織之間存在緊密的聯(lián)系和交流——定義為“腸道微生物-肌肉軸（gut microbiota muscle axis）”。腸道微生物通過影響和調(diào)控機體的營養(yǎng)吸收、物質(zhì)代謝、信號傳導(dǎo)、激素和炎癥因子分泌等不同方面作用于肌肉生長和代謝的調(diào)控：1）腸道微生物的營養(yǎng)全部來自宿主的食物，腸道菌群的增殖和維持對于營養(yǎng)和能量的需求會影響宿主的食欲和采食行為。2）腸道菌群維持腸道結(jié)構(gòu)完整和腸道健康，參與并介導(dǎo)了腸道內(nèi)的營養(yǎng)吸收與代謝（如氨基酸合成等），這是肌肉、骨骼、脂肪等不同組織器官生長和發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。3）腸道菌代謝產(chǎn)生SCFAs、膽汁酸、5-羥色氨等功能物質(zhì)，經(jīng)由神經(jīng)和循環(huán)途徑影響大腦和外周組織器官的機能，控制能量的儲存與消耗。4）腸道菌還能作用到肝臟、胰腺、脂肪等分泌器官，影響胰島素、胰高血糖素、瘦素等激素的分泌，這些激素是肌肉生長和發(fā)育過程中的 重要調(diào)節(jié)因素。5）腸道菌群紊亂和有害菌的入侵會導(dǎo)致炎癥因子增加，引起肌肉等器官的病變和功能失調(diào)。綜上所述，任何影響和改變腸道微生物的因素都會直接或間接地反應(yīng)到肌肉的生長、發(fā)育、代謝和轉(zhuǎn)化。這些也為我們的畜牧生產(chǎn)提供了新的思路——經(jīng)由干預(yù)和改變腸道微生物（益生菌、益生元、菌群移植等）來影響和控制動物的肌肉生長（圖1），提高動物的生產(chǎn)效益。