近年來(lái)，腸道微生物已逐漸成為生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。哺乳動(dòng)物胃腸道中棲息著數(shù)量龐大、種類繁多的微生物（細(xì)菌、真菌、古菌、病毒等），其中絕大多數(shù)是細(xì)菌。單胃動(dòng)物腸道細(xì)菌的數(shù)量高達(dá)1014個(gè)，是細(xì)胞數(shù)量的10倍以上，由500種以上的細(xì)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(xì)菌的數(shù)量達(dá)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(guò)全部腸道菌的90％。 

在動(dòng)物的進(jìn)化過(guò)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(zhǎng)期穩(wěn)定的寄居在動(dòng)物消化道內(nèi)，它們的增殖和繁衍依賴動(dòng)物機(jī)體提供適宜的環(huán)境因子和營(yíng)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(zhǎng)、發(fā)育以及各項(xiàng)生命活動(dòng)。反之，腸道菌的定植和生長(zhǎng)隨著宿主動(dòng)物的年齡、性別、生長(zhǎng)環(huán)境、飲食營(yíng)養(yǎng)的不同而發(fā)生波動(dòng)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(huì)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(shí)，腸道菌對(duì)于宿主的健康生長(zhǎng)具有不可估量的重要作用。除了協(xié)助宿主分解和消化進(jìn)入腸道的各類營(yíng)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(yíng)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(jìn)腸上皮黏液的分泌，協(xié)助宿主形成腸黏膜保護(hù)屏障，抑制外源致病菌群的定植。細(xì)菌產(chǎn)生的代謝物、菌體蛋白、細(xì)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(hào)傳導(dǎo)。腸道微生態(tài)紊亂會(huì)引起宿主免疫失衡從而引發(fā)機(jī)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(guò)補(bǔ)充益生菌或益生元來(lái)促進(jìn)優(yōu)勢(shì)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(jìn)宿主的健康發(fā)育。

2 腸道菌群定植穩(wěn)態(tài)影響動(dòng)物肌肉生長(zhǎng)和代謝 

骨骼肌是動(dòng)物重要的組織器官，負(fù)責(zé)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)和平衡，保護(hù)內(nèi)臟器官，同時(shí)還是重要的能量?jī)?chǔ)存和消耗器官。骨骼肌組織可以通過(guò)分泌產(chǎn)生多種肌源性細(xì)胞因子，如鳶尾素、肌聯(lián)素、肌肉抑制素和腦源性神經(jīng)營(yíng)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(dòng)物肌肉組織的生長(zhǎng)和功能決定了動(dòng)物的產(chǎn)肉量和肉品質(zhì)量。所以，揭示腸道微生物對(duì)動(dòng)物宿主肌肉生長(zhǎng)的影響及作用機(jī)制具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

基于無(wú)菌動(dòng)物的微生物移植試驗(yàn)整體反映了腸道微生物通過(guò)參與機(jī)體的物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)對(duì)宿主的生長(zhǎng)和代謝表型進(jìn)行調(diào)節(jié)，并直接影響到肌肉的生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝調(diào)控。Backhed等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)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(wú)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(fù)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(dá)量和蛋白活性。此外，無(wú)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(guò)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(shuō)明無(wú)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(wú)菌小鼠的腸道定植細(xì)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(zhǎng)和代謝能力。以不同的方法改變腸道菌群會(huì)直接影響肌肉的生長(zhǎng)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(guò)糞菌移植方 式傳遞給無(wú)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(shì)，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(shì)，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(zhǎng)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(bǔ)充植物乳桿菌（Lactobacillus plantarum）TWK10可以增加小鼠肌肉塊的大小和運(yùn)動(dòng)能力（握力和游泳時(shí)間）。Choi發(fā)現(xiàn)細(xì)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(qiáng)化也會(huì)影響到腸道菌群的組成和代謝強(qiáng)度。適量的運(yùn)動(dòng)和鍛煉能夠明顯增強(qiáng)宿主的腸道健康，維持腸道菌群的多樣化，增強(qiáng)代謝活力。這些研究說(shuō)明腸道菌的定植和狀態(tài)與肌肉的生長(zhǎng)和功能存在密切聯(lián)系。腸道菌的改變和波動(dòng)會(huì)帶來(lái)宿主生理與代謝的整體變化，往往會(huì)涉及肌肉組織的變化，包括肌肉生長(zhǎng)、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(zhǎng)和肌細(xì)胞發(fā)育 

進(jìn)入消化道的營(yíng)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(jí)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(jí)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(dòng)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(jī)制可能是：丁酸鈉作為一種組氨酸去乙?；敢种苿粌H能提高骨骼肌細(xì)胞中乙?；?，還可抑制肌細(xì)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(dá)。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(guò)影響糖代謝參與機(jī)體的能量代謝，進(jìn)而影響肌肉的生長(zhǎng)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(bǔ)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(jìn)C2C12肌細(xì)胞的基礎(chǔ)葡萄糖攝取。 

此外，腸道損傷和微生態(tài)失衡會(huì)導(dǎo)致腸道內(nèi)產(chǎn)生大量的炎癥或毒性分子，并通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)影響或損害其他組織的機(jī)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(qiáng)，導(dǎo)致LPS等代謝物大量進(jìn)入血液循環(huán)，引起包括肌肉組織在內(nèi)的多個(gè)組織器官炎癥反應(yīng)和胰島素信號(hào)途徑的損傷。此外，隨著宿主動(dòng)物的衰老，肌肉功能逐漸喪失和肌營(yíng)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(huì)促進(jìn)細(xì)菌有害代謝物進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)并引起肌肉組織損傷。有報(bào)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(jìn)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(dá)量上調(diào)，增加氧化應(yīng)激反應(yīng)，加速動(dòng)物機(jī)體和細(xì)胞的衰老。通過(guò)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(dòng)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(diǎn)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(guò)有氧代謝獲得能量；快肌纖維則主要通過(guò)糖原酵解獲得能量。隨著外部和內(nèi)部環(huán)境因子（運(yùn)動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)、藥物等）的變化，肌纖維類型的比例會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)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(shí)了腸道菌群的改變會(huì)影響肌纖維類型的轉(zhuǎn)變，在Yan等的試驗(yàn)中，肥胖型豬的菌群移植使得無(wú)菌小鼠肌肉中肌球蛋白重鏈7（myosin heavy chain 7,MYH7）基因表達(dá)水平升高，肌球蛋白重鏈4（myosin heavy chain 4,MYH4）基因表達(dá)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(bǔ)充植物乳桿菌增強(qiáng)小鼠的運(yùn)動(dòng)能力也伴隨著肌纖維類型的變化——試驗(yàn)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?yàn)槟c道菌的定植和變化通過(guò)各類激素和細(xì)胞因子引起肌肉組織對(duì)能量的利用效率不同造成的。 

一些細(xì)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(bǔ)充丁酸鹽可以有效促進(jìn)小鼠骨骼肌中氧化型纖維的生長(zhǎng)。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(dá)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(yàn)中，不同劑量的丁酸鈉都能明顯上調(diào)C2C12肌細(xì)胞系中MyHCⅡａ的基因表達(dá)水平而下調(diào)MyHC Ⅱｂ的基因表達(dá)水平。除此以外，共軛亞油酸、次級(jí)膽汁酸等細(xì)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(dòng)物的肌肉生長(zhǎng) 

不同微生物對(duì)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(qiáng)動(dòng)物的肌肉生長(zhǎng)和功能。檢測(cè)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(bǔ)充嗜酸乳桿菌（Lactobacillus acidophilus）NCFM則沒(méi)有上述效果。除此以外，Varian等對(duì)自然衰老的小鼠以及易患惡病質(zhì)的小鼠補(bǔ)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(dòng)物的肌肉發(fā)育和功能關(guān)系密切，也說(shuō)明增加特定的有益菌或者細(xì)菌代謝物不但有利于正常情況下的肌肉生長(zhǎng)，對(duì)于改善疾病導(dǎo)致的肌肉萎縮和肌肉功能障礙也會(huì)有幫助。直接給動(dòng)物補(bǔ)充接種單一或復(fù)合有益菌（如乳酸菌）是動(dòng)物生產(chǎn)中切實(shí)可行的措施，有益于肌肉的生長(zhǎng)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(bǔ)充劑，這些物質(zhì)能夠改變腸道環(huán)境，促進(jìn)益生菌的生長(zhǎng)，定向改變宿主表型。Cani等采用纖維低聚果糖補(bǔ)飼肥胖小鼠，測(cè)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(dá)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(dá)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(shuō)明纖維低聚果糖可能通過(guò)GLP-2依賴機(jī)制調(diào)節(jié)腸道菌群以及遠(yuǎn)端器官生長(zhǎng)。但是，益生元補(bǔ)飼刺激動(dòng)物的肌肉發(fā)育也具有明顯的特異性。如在Bindels的試驗(yàn)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(duì)宿主腓腸肌和比目魚肌質(zhì)量并無(wú)促進(jìn)作用。

6 微生物-肌肉軸的作用途徑 

通過(guò)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(guò)影響和調(diào)控機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)吸收、物質(zhì)代謝、信號(hào)傳導(dǎo)、激素和炎癥因子分泌等不同方面作用于肌肉生長(zhǎng)和代謝的調(diào)控：1）腸道微生物的營(yíng)養(yǎng)全部來(lái)自宿主的食物，腸道菌群的增殖和維持對(duì)于營(yíng)養(yǎng)和能量的需求會(huì)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(yíng)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(zhǎng)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(jī)能，控制能量的儲(chǔ)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(zhǎng)和發(fā)育過(guò)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(huì)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(huì)直接或間接地反應(yīng)到肌肉的生長(zhǎng)、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(lái)影響和控制動(dòng)物的肌肉生長(zhǎng)（圖1），提高動(dòng)物的生產(chǎn)效益。