近年来，随着宏基因组和宏转录组等分子生物技术的迅猛发展，肠道微生物研究已成为科研领域新的研究热点。作为机体最庞大复杂的微生态系统，肠道微生物对宿主的免疫、代谢等方面有着不可替代的作用。
哺乳动物在出生前的胃肠道内是无菌的。出生后，母体产道及环境微生物开始在胃肠道定植，形成简单的微生物区系。随着时间的推移，胃肠道内的氧气消耗，定植和繁殖的微生物也由需氧菌和兼性需氧菌向厌氧菌转变。断奶前的肠道微生物以厌氧菌为主，但是这种结构不稳定，容易受到饮食等条件变化影响。而断奶隔离、饲料变换、生活环境的改变打破了动物原有的消化道菌群平衡，经过剧烈的改变后又会形成新的群落平衡状态。
研究发现不同物种间或者同物种不同群体，甚至是同一个群体不同个体间的肠道微生物菌落都有着差异，但是在同一个宿主物种中又会保持一定的稳定性和一致性。同时，宿主的数量性状遗传背景在相当大的程度上影响着肠道微生物的种类和数量。将肠道微生物各个组分作为一个复杂的集合体进行研究发现，宿主的遗传背景和环境因素共同影响着肠道微生物菌群的结构。
1 肠道微生物及其功能
微生物在肠道的分布是不均衡的，由胃到十二指肠，每克内容物中细菌的数量从101~103连续分布，接下来的空肠和回肠每克内容物的细菌数量为104~107，在结肠达到峰值，每克内容物包含1011~1012个细菌细胞。Frank等人采用活体组织切片的方法比较健康个体的小肠和结肠发现不同的微生物组富集定植的位置也有所不同，小肠内含量较高的是厚壁菌门和放线菌门的杆菌纲类，而在结肠部位，拟杆菌和厚壁菌门的毛螺旋菌科类更占优势。
哺乳动物肠道寄生或者共生着大量的微生物，肠道微生物间连同宿主具有复杂而又相对平衡的动态关系，保证宿主的健康和肠道微生物的相对稳定。研究发现，肠道微生物与单胃动物的生理代谢功能紧密相连。
参与宿主肠道免疫 通过无菌动物试验，已经证实肠道微生物在肠道内发挥着重要的生理作用。无菌动物的肠道黏膜免疫及全身免疫系统的发育和功能都比正常的动物差，免疫细胞类型会出现异常，局部和全身淋巴结结构也有缺陷等等。肠道微生物与肠道黏膜免疫系统关系密切，肠道微生物的刺激使得机体保持免疫耐受以防过度免疫反应，同时机体又要识别并控制肠道微生物的繁殖水平，添加特定的肠道微生物可以有选择性的在分子、细胞和器官层面促进免疫系统的成熟，共生菌在维持免疫系统稳定方面很重要，扰乱宿主肠道微生物菌群可增加炎症发生的可能性。肠道微生物与宿主间的合作共生关系能够促进宿主免疫系统的发育。
对宿主肠道的屏障保护作用 肠道微生物定植于动物的肠道腔壁上，能够作为一道物理屏障，保护着肠道，同时竞争性地排斥病原微生物，刺激机体产生抗菌物质。动物肠道产生的防御素、抗菌肽等抗菌物质是通过破坏病原菌的表面膜结构达到抑菌作用，但是这些抗菌成分更主要的功能是调节肠道微生物。肠道微生物与抗菌成分的作用关系相对复杂，许多微生物及其代谢产物可以刺激机体产生不同类型的抗菌成分，同时一些微生物却能使抗菌成分产生量减少。微生物尤其是其中的益生菌能够抑制病原菌在肠道内定植，例如乳酸杆菌及其分泌蛋白能够降低某些有害菌的感染和定植。
促进宿主肠道发育 肠道微生物可以促进新生动物的胃肠道发育。完善的肠道微生物菌群能够促进肠道细胞的更新加快，肠绒毛厚度变大，肠道表面积扩大。还有研究表明肠道微生物能够影响肠道微血管的生成和发育。另外，某些肠道微生物还有助于维持肠道上皮细胞间的紧密连接，保护肠道。
参与宿主的营养物质消化吸收及代谢 肠道微生物的新陈代谢影响着机体对营养物质的的吸收和利用。共生微生物可消化宿主不能消化的食物，增加宿主对单糖和短链脂肪酸的吸收，促进宿主对能量的吸收和贮存。单胃动物盲肠和反刍动物瘤胃中的正常菌群通过发酵产生大量的有机酸，不仅为动物直接提供了营养，而且间接地激活酸性蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶，提高了蛋白质和能量利用率，同时可产生维生素、氨基酸和未知生长因子，促进动物生长。
利用基因组学及代谢组学对肠道微生物代谢内部关系的研究，显示肠道微生物在辅助机体储存能量方面也有作用。Yatsunenko等应用宏基因组技术研究了人类和动物不同肥胖状态的肠道微生物群落结构，发现饮食影响肠道微生物结构，而微生物结构反作用影响机体的代谢。同年，Chichlowski等报道了动物肠道内定植了一类调节菌群结构的益生菌（主要是双歧杆菌和乳酸杆菌）也与机体的代谢密切相关。
除此之外，肠道微生物还参与宿主的应激调节及药物代谢等等。可以说，哺乳动物正因为有了肠道微生物微生态循环系统，才能保证机体的健康生长和发育。
肠道微生物对机体的重要性不言而喻，机体同时又和环境因素共同决定着微生物的群落结构。宿主机体的遗传背景对肠道微生物的影响也是十分重要的，大量的研究显示不同物种的肠道微生物具有显著的差异性，而同一物种的不同品系也会有明显的区别。
影响肠道微生物种群结构的因素中，环境因素（宿主所处的外部环境和饮食结构等等）占了绝大部分。同时，物种本身的空间和时间上的差异也会显著影响到肠道微生物的变化状况。所以，尽可能的保证环境的同一性，是研究肠道微生物受到遗传背景影响的重要条件之一。
肠道微生物被认为是一种特别的伙伴，它涉及到我们机体各部分的众多相互作用，肥胖动物的肠道微生物移植到无菌小鼠的肠道中会使其出现相同的肥胖表现，证实动物肠道微生物与机体的代谢是有因果联系的。Ridaura等人设计了一个巧妙的试验，将人类肥胖双胞胎的肠道微生物移植到无菌小鼠的肠道中，这些小鼠表现出比接受瘦双胞胎肠道微生物移植的小鼠更多脂肪量，将肥瘦小鼠饲养在一起又会缓解肥胖小鼠的肥胖情况，表明肥胖这一表型是能够被传递的。通过限饲试验来证明肠道微生物基因的丰富性和微生物的组成同对减轻体重的敏感性及其他代谢变化具有对应关系。不同的微生物群落存在不同的代谢功能。
Ley等人通过小鼠试验证明，后代的微生物与亲代有一定的密切关系。但是这个试验的环境相对封闭，小鼠能受到外界其他因素影响较少，所以并不能确定说明亲缘关系在形成个体肠道微生物时具有决定性，还需要更多的实验来深入说明这一问题。
除了母体肠道微生物组成的影响，还有很多因素影响着个体肠道微生物的形成。许多研究表示宿主的基因型能够影响肠道微生物的组成，比较同一遗传背景下的胖瘦小鼠可以发现，肥胖小鼠的肠道中主要的细菌组分比例与瘦弱小鼠不同，另外，研究发现将小鼠的高密度脂蛋白基因突变也能够改变其微生物。但是，宿主的基因对微生物结构的影响不是直接的，是相对间接的通过机体新陈代谢起作用。
肥胖小鼠的试验同时也说明了饮食也能够改变肠道微生物的组成。采食类似于西方习惯的饮食促使小鼠体重增加能够显著的改变其微生物组成。限饲处理又能够逆转肥胖饮食带来的微生物变化。
O'Connor A等研究食物与宿主基因是如何共同塑造微生物群落的，并且研究食物和宿主基因分别影响的微生物是如何影响心血管疾病的。通过8个对心血管这一表型表现不同的近交系小鼠添加不同营养比例的日粮，分别比较日粮和遗传基因对微生物的改变并与心血管表型的联系，结果发现在基础日粮水平下，宿主基因型不同，肠道微生物也具有多样性，同时也与导致动脉粥样硬化的营养素添加量有关。同时说明不同肠道微生物水平可能是不同品系近交小鼠对心血管疾病敏感性不同的一个原因。更多的了解基因表达差异肠道代谢物的差异可以更多的揭示肠道微生物与宿主遗传背景关系。
上海交通大学孟和教授团队以来源于同一祖先群体的肉鸡家系进行极端双向选择，根据56日龄体重连续选择54代以上，使得最终两组个体体重差异在10倍以上，利用新一代测序技术对双选家系的不同性别个体的粪便微生物进行测序。结果表明宿主的基因型和性别都对肠道微生物有着重要影响，并且可以将肠道微生物的组成和组分作为数量性状来研究。但是实现这一结果的条件就是宿主的遗传背景的一致性。该试验的关键点在于动物模型的选择恰到好处的能够保证了双选家系在遗传背景上的一致以及单一条件基因型的差异，保证了其他条件的可控性。
Alaish等通过胆总管结扎手术对反应程度不同的2个近交系小鼠进行肠道微生物结构分析，发现耐受结扎手术的小鼠肠道菌群相对稳定，而容易致死的小鼠肠道微生物菌落发生失调现象，这也反映了宿主遗传背景对肠道微生物的影响在品系间差异显著。
许多研究都表明了宿主的遗传背景影响着肠道微生物的组成和组分。这些研究大都基于稳定的近交群体，并且环境固定，在单一性状上研究遗传背景与肠道微生物的关系。但是，这类研究也都仅仅分析了不同基因型或者性别差异间的肠道微生物群落差异，没有从更深层次的机理上揭示出宿主的遗传背景是如何影响着肠道微生物的具体变化的，还有待进一步研究。
肠道微生物菌群结构受到多个因素的影响，宿主的遗传背景和环境共同决定着动物肠道微生物的种类和数量。环境因素尤其是饮食是肠道微生物菌群结构差异的主要影响因素，以往的研究也更多的集中在饮食的改变对动物肠道的影响。宿主的遗传因素对于肠道微生物群落结构的组成差异也有不可忽视的贡献力量，虽然这种影响更多的是通过营养代谢或者生理结构的差异水平间接的，但是深入研究遗传背景差异个体有助于我们更加全面地了解动物肠道微生物菌群的变化趋势，探寻不同品种或者品系动物肠道菌群调节的优化方案，更好的为生产服务。
注：本文原文刊登在《中国畜牧杂志》2016年5期，作者为谭 振，王楚端。如需阅读本期纸刊更多精彩，可与《中国畜牧杂志》编辑部联系。如需转载，请注明出处。