腹泻俗称“拉肚子”，严重的会导致脱水，出现电解质紊乱、心梗、脑梗、低钾血症等症状。随着医疗技术的不断发展，人类腹泻的诊治不再是难题。
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但对幼小的仔猪（又称苗猪、猪崽等）而言，腹泻可能是致命的。腹泻是导致仔猪生长受阻和高死亡率的主要原因，造成的死亡率占养猪生产中总死亡率的50%至70%，每年造成的经济损失高达300亿元，严重制约了我国生猪养殖业的优质高效发展。
过去，业界主要关注细菌等病原性腹泻并依赖抗生素进行防治，对仔猪营养性腹泻关注较少，其发病机制并不清楚，尚无有效调控技术。在“饲料端禁抗、养殖端减抗、产品端无抗”的大背景下，破解仔猪营养性腹泻机理并找到应对方法，成为亟待解决的国际性难题。
2014年起，由中国工程院院士、中国科学院亚热带农业生态研究所首席研究员印遇龙领衔，由中科院亚热带生态所、湖南农业大学、湖南师范大学、华南农业大学等科研单位和相关企业共计50余名研究者组成的科研团队，历时8年，揭示了仔猪营养性腹泻发生的分子机制，研发了大量改善肠道健康、降低仔猪营养性腹泻的关键技术，开发了系列猪饲料产品并在全国实现了大范围的产业化示范和推广应用。
揭示仔猪营养性腹泻分子机制
营养因素是引发仔猪腹泻的重要原因，不仅会直接导致营养性腹泻，而且会通过扰乱机体免疫机能诱发病原性腹泻。仔猪营养性腹泻与仔猪消化机能不全、肠道菌群不稳定、免疫系统发育不完善等多方面因素有关。在这些表象的背后，营养性腹泻具体是如何发生、进行的？
为了回答这一问题，研究者结合实际生产情况，系统分析了“无抗”日粮中不同蛋白质水平、碳水化合物组成、电解质平衡、微量元素和维生素水平对仔猪肠道健康和腹泻的影响。
“我们发现，铁缺乏（哺乳仔猪）、电解质失衡（>或< 250 mEq/kg）、烟酸缺乏（< 22.5 mg/kg）、叶酸缺乏（< 4.5 mg/kg）和低采食量等，会通过mTOR、Wnt/β-catenin和AMPK等信号通路抑制仔猪小肠发育，损伤小肠形态结构，降低消化吸收相关功能基因表达，从而导致小肠消化吸收功能障碍，引起仔猪消化不良而诱发后肠稳态失衡和腹泻。”印遇龙表示。
图为团队成员在开展相关研究。受访团队 供图
同时，日粮蛋白质过量（> 22% CP）、铁过载（> 800 mg/kg）及烟酸过量（> 75 mg/kg）等则会使得相应营养素在小肠消化不充分，过量的营养素到达后肠而引起后肠稳态失衡，从而导致仔猪腹泻。
印遇龙介绍，团队通过建立蛋白质、铁和部分维生素缺乏或者过量以及电解质失衡等仔猪营养性腹泻模型，发现小肠消化功能障碍或日粮部分营养素过量，导致过量未消化营养素在后肠发酵引起后肠稳态失衡，是造成仔猪营养性腹泻的主要原因。
该团队通过粪菌移植试验发现，移植了营养性腹泻仔猪粪便微生物的仔猪腹泻率显著增加，而移植了正常仔猪粪便微生物的营养性腹泻仔猪的腹泻情况得到显著缓解。也就是说，肠道微生物紊乱是导致仔猪营养性腹泻的重要因素。
研究人员在饲喂幼龄仔猪。受访团队 供图
他们进一步利用高通量测序技术分析了不同营养性腹泻模型仔猪结肠微生物组成变化情况，发现在门水平和属水平上，肠道微生物紊乱都会导致仔猪营养性腹泻，仔猪断奶应激、氧化应激和免疫应激等也有通过影响小肠消化吸收功能导致后肠微生态失衡及其代谢紊乱引起仔猪腹泻的类似规律。
那么，肠道微生物究竟是如何导致仔猪“拉肚子”的？印遇龙介绍，团队通过营养性腹泻仔猪粪菌移植试验，发现营养性腹泻仔猪肠道微生物主要通过损伤后肠屏障功能和诱发炎症反应而引起仔猪腹泻，通过PXR、NF-κB和IL-17等信号通路促进炎性细胞浸润和炎症因子表达，进而导致仔猪腹泻。
研发降低营养性腹泻关键技术
目前，仔猪腹泻仍多采用抗生素进行治疗，而长期高剂量、多品种的抗生素处理造成病原菌耐药、动物免疫机能下降、体内菌群失调、猪肉残留和环境污染等一系列严峻社会问题。滥用、乱用抗生素不但直接危害消费者机体健康，而且会导致耐药菌甚至超级细菌的产生，给人和动物造成巨大潜在威胁。我国畜牧业是抗生素使用量最大的领域，超过国内抗生素消费总量的一半。
基于筛选得到的AMPK、mTOR和Wnt/β-catenin等与营养性腹泻仔猪小肠功能损伤相关的关键信号通路，该团队利用肠道类器官体外筛选体系，筛选出氨基酸及其代谢产物、功能性脂肪酸和甜菜碱等能够改善小肠消化功能的关键营养素。
研究人员在饲喂幼龄仔猪。受访团队 供图
团队研究发现，月桂酸等功能性中链脂肪能为肠道上皮快速供能，并通过mTOR信号通路改善肠道形态结构、提高黏膜消化酶活性，促进营养物质消化吸收，降低仔猪营养性腹泻；谷氨酸、谷氨酰胺和天门冬氨酸等通过AMPK和mTORC1的交互反馈机制来控制能量和营养平衡，缓解腹泻仔猪肠道线粒体功能障碍和能量供应不足。
此外，甜菜碱、功能性多肽EGF、含硫氨基酸、α-酮戊二酸(AKG)都可以通过mTORC1或Wnt/β-catenin等信号通路调控改善肠道功能、降低仔猪腹泻发生。团队还研发了生物发酵/酶解预消化饲料原料和高效有机微量元素添加剂生产制备技术，提高了饲料消化吸收效率，降低了蛋白质、铁等可诱导仔猪腹泻的营养素到达后肠的比例；建立了通过改善仔猪小肠生理功能、提高饲料消化率来降低营养性腹泻的关键调控技术。
为了从营养性腹泻仔猪肠道微生物变化规律中开发相关调控技术，团队首次建立了母猪乳汁等猪源细菌库，分离了2500多个菌株，为益生菌的筛选建立了资源库。
“我们针对营养性腹泻仔猪后肠Lactobacillus reuteri和Lactobacillus mucosae部分乳酸杆菌丰度降低的情况，研发了针对性的乳酸杆菌微生态制剂，可显著降低仔猪营养性腹泻。此外，我们还筛选到地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌等多种猪源益生菌。通过对上述益生菌进行优化组合，研发了具有多功能的高效微生态制剂，可将猪的粗蛋白消化率提高4.5%，降低仔猪营养性腹泻5%至7%。”印遇龙表示。
猪小肠类器官（左）和乳汁益生菌（右）筛选体系。受访团队 供图
针对PXR等信号通路，团队构建了猪pgPXR IPEC-J2细胞高通量筛选平台，筛选得到可调控炎症反应的植物提取物（黄芪多糖、灵芝多糖、鞣花酸和灵芝多糖等）和半胱氨螯合物等功能性添加剂；发现功能多糖、鞣花酸和杜仲黄酮等功能性添加剂以及γ-氨基丁酸、芳香族氨基酸、丝氨酸和新型微量元素制剂等可通过调控肠道炎症反应降低仔猪腹泻。
开发新型饲料添加剂和仔猪饲料等产品
“目前，我们开发了系列降低仔猪营养性腹泻的新型饲料添加剂和系列化仔猪饲料等关键性产品，在全国实现大范围产业化示范及推广应用。”印遇龙表示。
在新型饲料添加剂等方面，该团队研发的新产品功能涵盖改善小肠消化功能、调控肠道微生态平衡、抑制肠道炎症反应等。比如，团队研发了以功能性脂肪酸、甜菜碱为代表的改善仔猪小肠消化功能、降低仔猪营养性腹泻的饲料添加剂产品；针对蛋白质、铁等可导致仔猪营养性腹泻的营养素，研发了高利用率的饲料添加剂和预消化饲料原料。
相关企业的新产品生产车间。受访团队 供图
印遇龙介绍，团队发明了“一种饲用动物肠道保护剂、制备方法及其应用”，以甜菜碱为主要成分，可通过改善仔猪形态结构和消化吸收功能降低其营养性腹泻。“我们推动候选单位山东祥维斯生物科技股份有限公司对甜菜碱系列产品进行大规模产业化开发，先后通过国家饲料质量监督检验中心和欧盟出口标准，使产品打入国际市场并使其成为全球最大的甜菜碱生产经营厂家。”
在开发新兽药产品方面，江西嘉博生物工程有限公司以本成果筛选的黄芪多糖、灵芝多糖等植物提取物为主要成分，开发了芪芝口服液兽药新产品。
在研发优质仔猪饲料产品方面，该团队通过优化“无抗”条件下仔猪维生素和微量元素等参数，推动合作单位福建傲农生物科技集团股份有限公司研发了“无抗”条件下教槽-保育前期-保育后期“仔猪营养三阶段”产品，系统地解决了仔猪各生长阶段的营养性腹泻问题，可使仔猪70日龄体重达30公斤以上；与唐人神集团联合研发断奶仔猪液态饲料-口口乳和相关教槽料，可使断奶仔猪腹泻率低于10%。
印遇龙表示，本项成果的实施，很好地推动了生猪养殖业的发展，项目成果在国内多家大型企业实现了大规模的产业化示范和推广应用，产生了巨大的社会、经济和生态效益。
同时，项目牵头单位中科院亚热带生态所联合全国80多家生猪产业相关的高校、科研院所和大型企业组建了“国家生猪产业技术创新战略联盟”，推进了本成果的转化与辐射；发起并连续举办八届“国际动物肠道生态与健康（中国）高端论坛”会议，产生了重大的国际影响力。
系列成果达到国际先进水平
近日，中国农学会受委托组织来自农业农村部、中国农业大学、中国农业科学院饲料研究所、广东省农业科学院、国家粮食和物资储备局科学研究院、浙江大学等科研机构的11名专家对上述成果进行科技成果评价，最终，该项目的综合评分高达95.34。
科技成果评价会议现场。受访团队 供图
评价结论显示，该成果授权国际发明专利4件、国内发明专利24件，登记软件著作权6件；出版专著8部；获国家新兽药证书1件，饲料添加剂新产品证书2件，建立团体和省级行业标准4项；在PNAS和CNS子刊等杂志发表论文207篇。“十三五”国家重大研发计划项目评估为“优秀”，中国科学院“率先行动”计划评估结果为“领跑国际和国内”。
部分PNAS和CNS子刊研究论文。受访团队 供图
专家在评价中指出，该成果创新性强，进一步解析了仔猪腹泻机制，创建了多套干预仔猪腹泻措施；成果推广面广，有明显的经济增长效益；人才培养成绩显著；申请到了多项国际、国内专利；发表了多项高质量文章；成果总体达到了世界领先水平。
据悉，该成果自2014年开始研究，集成了国家“十三五”重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目及中国科学院前沿科学重点研究计划项目等多项科研课题成果。
相关论文信息：
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
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