近日，吉林农业大学林学与草学学院尚红梅教授团队在国际知名期刊《International Journal of Biological Macromolecules》（中国科学院一区，TOP期刊，IF：7.7）发表了题为“Functions and mechanisms of nonstarch polysaccharides in monogastric animal production”的综述论文。文章综述了非淀粉多糖（NSP）在单胃动物生产中的最新研究，强调了其对单胃动物产生影响的功能和机制。
多糖作为一种天然活性成分，是生物体内普遍存在的一类生物大分子，具有抗菌、抗氧化、抗肿瘤和调节肠道菌群等功能。NSP是多糖的重要一类，作为饲料添加剂，在提高动物免疫功能、调节肠道微生物平衡和改善生产性能等方面发挥了重要作用。NSP主要通过短链脂肪酸（SCFAs）与G蛋白偶联受体（GPRs）相互作用、抑制组蛋白去乙酰化（HDACs）等途径来调节细胞信号转导，保护动物肠道屏障，进而对动物生产性能产生积极影响。
1.NSP的种类
根据不同的分类标准，可将NSP分为不同的种类。根据单糖组成不同，可将NSP分为均一多糖和杂多糖。根据酸碱性不同，可分为中性、酸性和碱性NSP。根据NSP是否具有溶解于水或弱碱溶液的特性，分为可溶性NSP（SNSP，如果胶、甘露聚糖和β-葡聚糖）和不可溶性NSP（INSP，如不可溶性纤维素）。INSP结构复杂，需要多种消化酶同时存在才能被降解，因此在消化道内的发酵程度较低。而大部分SNSP能够溶于水，更易与消化道内的微生物接触，在消化道内的发酵程度较高，能够在盲肠和结肠近端被降解。
2.NSP的生物学功能
目前，NSP已被广泛应用于单胃动物饲粮中，参与不同细胞之间的信号识别和转导，并在机体内发挥多种生物学功能，包括提高动物生长性能、改善动物肠道健康、增强动物免疫力等。NSP可以促进机体对营养物质的消化吸收，提高抗氧化酶活性，减少脂质氧化，从而增强机体抗氧化能力，提高动物生产性能。在日粮中补充NSP可以通过影响肠道微生物群落组成来维持动物肠道环境的稳态，还可以通过减少肠道炎症和增加紧密连接（TJ）蛋白的表达来改善动物肠道健康。NSP可以对炎症过程中的炎症细胞因子和氧化应激产生积极影响，通过免疫细胞的分化、增殖和凋亡来调节宿主对各种病原体的免疫。
3.NSP的消化特性及主要代谢产物SCFAs
肠道微生物可以分泌多种碳水化合物活性酶（CAZymes）来利用NSP并产生SCFAs等代谢产物（图1）。不同NSP的化学组成、单糖组成和分子量等理化性质差异较大，影响NSP与肠道微生物的识别和微生物对其的降解过程。单胃动物肠道产生的SCFAs的比例受NSP底物类型的影响。肠道微生物水解不同类型的NSP后，总SCFAs的浓度可能有所增加，但是每种SCFAs的浓度存在一定差异，进而产生不同的生理功能。
图1 多糖在单胃动物生产中的作用
4.SCFAs的生理功能及发挥作用的机制
4.1 SCFAs的生理功能
SCFAs是肠道微生物发酵碳水化合物产生的主要代谢物，在维持肠道微环境的平衡中发挥重要作用。乙酸是所有SCFAs中产生最多的，占单胃动物粪便中检测到总SCFAs的50%以上。作为一种能量物质，乙酸可以在大脑、肝脏、肌肉和周围组织中被代谢、利用和吸收。乙酸还可通过加强诱导树突状细胞CD103⁺和调节性T细胞（Treg）反应来预防食物过敏。丙酸具有降低血浆和肝脏中脂肪酸含量、抑制胆固醇合成的作用。丁酸可以为肠道上皮细胞提供能量，增强肠道免疫力。此外，丁酸可以诱导结肠Treg细胞的分化，维持肠道免疫平衡。SCFAs发挥抗炎、调节免疫、维持肠道健康的作用通过多方面实现，比如通过与GPRs相互作用、抑制HDACs以及改善肠道物理屏障（图2）。
图2 SCFAs改善宿主健康机制
4.2 SCFAs与GPRs相互作用
不同的SCFAs会与不同类型的受体结合，如乙酸和丙酸对GPR43更活跃。丙酸和丁酸对GPR41的选择性更强。SCFAs通过提高GPR41和GPR43在仔猪脾脏、结肠、回肠和脂肪组织中表达，从而产生免疫反应。实验发现，GPR43在小鼠单核细胞或中性粒细胞中大量表达，参与小鼠白细胞分化和宿主防御。SCFAs通过GPR41调节小鼠原代培养脂肪细胞系和脂肪组织瘦素的产生。不同NSP在肠道发酵后产生SCFAs的组成和比例不同，可能导致所激活GPRs的类型存在差异，进而发挥不同的生理作用。
4.3抑制HDACs
SCFAs进入细胞后，可以通过抑制HDACs来刺激单核细胞和中性粒细胞，导致NF-κB途径失活，减少促炎细胞因子的产生，进而调节宿主免疫反应。SCFAs还可以通过抑制HDACs促进T淋巴细胞分化为效应T细胞和Treg细胞，通过调节Treg细胞的数量和功能维持肠道平衡，并抑制炎症反应。此外，SCFAs还可以增加T细胞产生白细胞介素-10（IL-10），促进辅助T细胞的生成，并通过抑制HDACs和调节哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）抑制炎症反应。在仔猪日粮中添加丁酸钠可明显降低仔猪回肠中IL-6、IL-8和肿瘤坏死因子（TNF）-α等促炎细胞因子的表达，促进肠道分泌型免疫球蛋白A（sIgA）的分泌，增加抗炎因子IL-10表达，强化肠道免疫屏障，减轻肠道炎症，改善免疫功能。
4.4 改善肠道物理屏障
肠道屏障是抵御肠腔潜在有害成分的重要防线，对于维持机体正常功能至关重要。肠道屏障主要由黏液层、上皮细胞TJ蛋白、微绒毛和肠上皮细胞组成。SCFAs作为肠道微生物的代谢产物与肠黏膜屏障完整性的维持有密切关系。肠黏膜上皮细胞间的TJ蛋白是肠黏膜屏障最重要的组成部分。TJ蛋白由Occludin、Claudin和ZO等蛋白构成，是肠道黏膜上皮细胞间最重要的连接复合体，是肠道中维持黏膜上皮细胞间机械屏障的主要结构之一。研究发现SCFAs可增强动物肠上皮TJ蛋白表达，减轻由病原微生物引起的肠上皮损伤，修复肠黏膜机械屏障功能。SCFAs通过调节肠上皮TJ蛋白的表达和分布，抑制巨噬细胞释放促炎因子、维持杯状细胞群和黏液产生，从而维护肠道屏障完整性。
5.展望
迄今为止，国内外有关NSP在单胃动物中的应用研究多侧重于不同来源及浓度NSP的饲喂效果及其对表观指标的影响。对NSP与肠道健康关系的研究多集中于其对动物肠道微生物组成和部分代谢产物的调节方面。然而，由于NSP结构复杂，其发挥具体生物学功能的机制目前尚未明确阐明。今后的研究应重视所用NSP的结构解析，才能更好地阐明其对动物产生积极影响的机制，利于NSP类饲料添加剂的开发。此外，探索NSP的结构修饰方法，从而提高NSP的生物活性和精准靶向，提升NSP的开发利用价值。
该论文通讯作者为吉林农业大学林学与草学学院尚红梅教授，第一作者为草学专业在读硕士研究生付佳，美国阿肯色大学赵江潮教授为共同作者。本研究得到了吉林省科学技术厅重点研发项目（20230202072NC）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.136488
