在2024中国水产饲料营养年会上，中国科学院亚热带农业生态研究所印遇龙院士带来了关于“饲料合成生物学 —— 调控群体感应助力畜禽健康养殖” 的精彩报告，为饲料科学领域带来了新的理念和研究方向，对推动畜禽养殖的可持续发展具有重要意义，同时也为水产养殖领域的研究和发展提供了重要的参考和启示，有助于推动整个养殖行业在营养调控、肠道健康管理等方面不断进步。
一、群体感应研究进展及其对肠道健康的影响
（一）群体感应的概念与类型
1、群体感应的定义与发现历程
群体感应是微生物之间通过分泌和感知信号分子来协调群体行为的一种细胞间通讯机制。1965 年，Tomasz 等人发现一种特殊小分子能诱导改变细菌的群体性行为，这一发现开启了对群体感应研究的大门。1994 年，Fuqua 等人正式提出群体感应（quorum sensing）这一概念，为后续深入研究微生物群体行为的调控奠定了坚实基础。
2、肠道微生物群体感应的主要类型
肠道微生物群体感应主要分为四种类型，分别是AHL（革兰氏阴性菌中产生酰基高丝氨酸内酯的 LuxI/LuxR 系统）、AI - 2（革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌中发现的系统）、AIP（革兰氏阳性菌中发现的寡肽双组分型系统）和 AI - 3（LuxS/AI - 3 系统和肾上腺素宿主信号系统之间存在潜在交叉通信）。这些不同类型的群体感应系统在微生物间相互作用中发挥着关键作用，犹如微生物群落中的 “语言”，影响着肠道微生物群落的结构和功能。
（二）群体感应对肠道上皮细胞屏障和营养素吸收转运的影响
1、病原菌与有益菌群体感应信号分子的不同作用
研究表明，病原菌的群体感应信号分子能够损伤上皮细胞屏障，例如某些病原菌分泌的信号分子可能干扰肠道上皮细胞间的紧密连接，破坏肠道屏障完整性，进而影响营养物质的吸收。而有益菌的群体感应信号分子则能够促进上皮屏障功能以及营养素转运吸收，如有益菌产生的信号分子有助于维持上皮细胞的正常结构和功能，增强肠道对营养物质的摄取能力。
2、潜在的替抗产品研发突破口
微生物群体感应对肠道上皮细胞及其功能的影响，以及微生物与上皮细胞间的信号交流，可能是研发替抗产品的新突破口。通过调控微生物群体感应，有望抑制病原菌定植，促进有益菌生长与活性，改善肠道上皮功能，从而提高畜禽对营养物质的吸收利用效率，减少抗生素的使用。
二、调控有益菌群体感应的技术进展
（一）微生物群体感应的节律性发现
近期研究发现，微生物的群体感应可能与其节律有关。通过对猪回肠末端瘘管每隔3h 取样并进行余弦分析，发现微生物节律存在变化规律（Yin et al., ）。这一发现为深入理解微生物群体感应的调控机制提供了新的视角，也为精准调控微生物群体感应提供了可能的时间节点依据。
（二）基于有益菌群体感应的替抗产品研发思路
1、研发步骤与策略
1.1筛选目标细菌：明确具有潜力的有益菌作为研究对象，这些有益菌应具备对肠道健康有益、能够产生积极群体感应信号等特点。例如，某些乳酸菌菌株已被发现具有良好的益生特性，可作为重点筛选对象。
1.2确定信号分子：分析筛选出的有益菌所分泌的群体感应信号分子，了解其化学结构和功能特性，为后续研发提供关键信息。如确定某种有益菌分泌的特定AHL 类信号分子的结构和作用机制。
1.3设计筛选实验：构建报告系统，以便能够有效监测群体感应信号的变化；同时筛选替抗物质，寻找能够模拟或增强有益菌群体感应信号的化合物。例如，利用基因工程技术构建对特定信号分子敏感的报告菌株，通过检测报告菌株的反应来筛选潜在的替抗物质。
1.4评估替抗效果与机制研究：在实验动物或实际养殖环境中评估替抗产品的效果，包括对病原菌抑制、有益菌增殖、肠道屏障功能改善等方面的影响，并深入探究其作用机制，如对细胞信号通路的调节等。通过动物实验对比添加替抗产品前后畜禽的健康状况、生长性能等指标，分析其作用机制。
例如，通过动态调控α 酮戊二酸脱氢酶（ODHC）活性，改变 AHL 累积率，成功提升了反式 - 4 - 羟脯氨酸产量（Long et al.,2020）。这一案例展示了如何利用对微生物代谢途径的调控来影响群体感应，进而实现有益代谢产物的增产，为基于群体感应的替抗产品研发提供了实践参考。
（三）畜禽肠道内微生物群体感应信号的研究
畜禽肠道内存在大量的微生物群体感应信号，这些信号参与了微生物间的相互作用和群落动态变化。研究发现，不同的群体感应信号分子与肠道微生物的组成和功能密切相关。例如，某些信号分子可能促进有益菌的聚集和生物膜形成，增强其在肠道内的定植能力；而另一些信号分子则可能调节微生物的代谢活性，影响其对营养物质的利用效率。通过对这些信号分子的深入研究，可以更好地理解肠道微生物群落的生态功能，为调控肠道微生物平衡提供理论依据。
三、调控病原菌群体感应的技术进展
（一）增强型多重基因编辑工具ReaL - MGE 的开发
印遇龙院士团队近期开发了增强型多重基因编辑工具ReaL - MGE，该工具能够在细菌中同时精确地操作多个 DNA 序列，可显著提高丙二酰辅酶 A 的合成水平。在三种菌株进行多重高效编辑的实验中，ReaL - MGE 展现出了强大的功能，为调控病原菌群体感应相关基因提供了有力手段。例如，通过对病原菌群体感应相关基因进行编辑，可以干扰其群体感应系统，降低病原菌的致病性和毒力，从而减少疾病的发生。
（二）群体感应淬灭酶的研究热点
1、淬灭酶的专一性特点
群体感应淬灭酶是当前病原菌群体感应研究的热点之一。根据酶的专一性，不同群体感应信号分子对应着不同的降解酶。例如，对于AHL 信号分子，有特定的内酯酶等可以对其进行降解；而对于其他类型的信号分子，也有相应的酶发挥作用。这些淬灭酶能够特异性地识别并分解病原菌产生的群体感应信号分子，从而阻断其群体感应通路，抑制病原菌的群体行为。
2、高效合成群体感应淬灭剂的策略
在确定群体感应淬灭剂和淬灭酶后，可以利用工程化理念和合成生物学技术进行高效合成。具体包括构建合适的基因表达系统，使相关基因在合适的宿主中高效表达，输出具有活性的淬灭剂。通过优化表达调控元件、选择合适的表达宿主等手段，提高淬灭剂的合成效率和产量，为实际应用提供充足的产品来源。
四、群体感应调控在畜禽养殖中的应用前景
（一）抑制病原菌，减少疾病发生
1、替抗产品筛选的目标与思路
从微生物群体感应的角度出发，替抗产品筛选的目标是减少疾病、促进生长。具体而言，希望通过调控群体感应，实现有益微生物增加、病原微生物减少。在微生物之间，促进有益微生物的生长和定植，抑制病原微生物和条件致病性微生物的生长，降低微生物能耗，增强微生物功能；在微生物与宿主细胞之间，减少病原微生物入侵和条件致病性微生物定植，维持细胞屏障功能完整，增强营养素吸收转运能力。
2、实际应用案例与效果
例如，饲料中添加绿原酸（200mg/kg）可以降低仔猪肠道中群体感应自诱导剂 AI - 2 的浓度，改善肠道屏障功能（Wang et al., 未发表数据）。这表明通过调控群体感应相关分子，可以对肠道健康产生积极影响，减少病原菌对肠道的侵害，降低疾病发生风险，为畜禽健康养殖提供了新的策略。
（二）促进有益菌生长与活性，改善肠道健康
1、有益菌群体感应的积极作用
有益菌的群体感应信号分子能够促进肠道上皮屏障功能以及营养素转运吸收。通过调控有益菌群体感应，可以进一步增强其积极作用。例如，促进有益菌产生短链脂肪酸等有益代谢产物，这些代谢产物不仅可以为肠道上皮细胞提供能量，还能调节肠道pH 值，抑制病原菌生长，营造有利于肠道健康的微生态环境。
2、对畜禽生长性能的提升潜力
改善肠道健康有助于提高畜禽对饲料的消化吸收效率，进而提升生长性能。有益菌的增殖和活性增强可以促进营养物质的分解和吸收，如提高蛋白质、碳水化合物和脂肪的利用率，使畜禽获得更多的能量和营养物质用于生长和生产，从而提高养殖效益。
（三）提高饲料利用率，推动可持续发展
1、优化肠道微生物群落与营养物质利用
调控群体感应可以优化肠道微生物群落结构，使微生物群落朝着更有利于营养物质利用的方向发展。例如，一些有益菌在群体感应的调控下，可以更好地分解饲料中的复杂碳水化合物和纤维素，释放出更多可被畜禽吸收利用的营养成分，减少饲料浪费，提高饲料利用率。
2、减少抗生素使用的环保与健康意义
基于群体感应的调控策略有助于减少抗生素在畜禽养殖中的使用。抗生素的过度使用会导致病原菌耐药性增加、药物残留等问题，对环境和人类健康构成威胁。而通过调控群体感应实现替抗，既能达到预防和治疗疾病的效果，又能避免抗生素带来的负面影响，推动畜禽养殖向绿色、可持续方向发展。
印遇龙院士的报告为饲料合成生物学在调控群体感应方面的研究和应用提供了全面而深入的阐述，为畜禽养殖行业的健康发展提供了新的思路和技术支持，同时也为水产养殖领域的研究和发展提供了重要的参考和启示。
五、印遇龙院士研究成果对水产领域的启示
印遇龙院士在畜禽领域有深入研究，同时其研究成果也对水产养殖领域具有重要的参考价值和启示意义：
（一）畜禽领域的主要研究
1、营养代谢调控研究
1.1研究重点与成果
深入探究猪、鸡等畜禽在不同生长阶段的营养需求和代谢规律，尤其关注蛋白质、氨基酸、能量等营养素的代谢过程。通过一系列实验研究，精确测定了多种畜禽在不同生理状态下对各种营养素的最佳摄入量，为制定科学合理的饲料配方提供了关键依据。例如，在仔猪营养研究方面，明确了早期断奶仔猪对特定氨基酸（如赖氨酸、苏氨酸等）的高需求，研发出满足其快速生长需求且能减轻断奶应激的饲料配方，显著提高了仔猪的生长性能和免疫力。
1.2对产业的影响
其研究成果直接推动了畜禽饲料行业的发展，使饲料配方更加精准和高效，提高了饲料利用率，降低了养殖成本，同时减少了畜禽粪便中氮、磷等污染物的排放，对环境保护也具有积极意义。
2、肠道微生物与健康研究
2.1研究内容与发现
着重研究肠道微生物群落结构与畜禽健康之间的关系，运用现代分子生物学技术，如高通量测序等，深入分析肠道微生物的组成和功能变化对畜禽生长、免疫、疾病抵抗等方面的影响机制。研究发现，某些有益微生物（如乳酸菌、双歧杆菌等）在维持肠道屏障功能、促进营养物质消化吸收以及增强免疫应答方面发挥着关键作用，而肠道微生物群落的失衡则与多种疾病的发生密切相关。
2.2应用价值
基于这些研究成果，开发出一系列基于调节肠道微生物的饲料添加剂和养殖管理策略。例如，研发出含有特定益生菌组合的饲料添加剂，应用于家禽养殖中，有效改善了家禽的肠道健康状况，提高了饲料转化率，降低了肠道疾病的发生率，从而提高了养殖效益。
（二）对水产养殖领域的关联与启示
1、营养研究思路的借鉴
相似性分析：虽然水产动物和畜禽在生理结构和生活环境上存在差异，但在营养物质的基本代谢过程和对生长发育的影响方面具有一定相似性。印遇龙院士在畜禽营养代谢调控方面的研究方法和思路，如精准确定营养素需求、评估营养素之间的互作关系等，为水产养殖领域的营养研究提供了有益借鉴。例如，在水产动物饲料中蛋白质和氨基酸平衡的研究中，可以参考畜禽研究中的实验设计和分析方法，更精准地确定不同水产动物品种和生长阶段的最佳蛋白质和氨基酸水平，提高饲料的营养价值和利用率。
2、肠道微生物研究的启示
潜在应用方向：肠道微生物在水产动物健康和生长中同样起着至关重要的作用。印遇龙院士在畜禽肠道微生物研究中揭示的微生物与宿主相互作用机制，为水产养殖中通过调节肠道微生物改善水产动物健康提供了理论基础。例如，借鉴益生菌在畜禽养殖中的应用经验，筛选和开发适合水产动物的益生菌制剂，用于改善水产动物肠道微生态环境，增强其对病原体的抵抗力，促进生长。此外，在研究水产动物肠道微生物群落演替规律以及环境因素对其影响方面，也可参考畜禽研究中的相关技术和分析手段，深入了解水产动物肠道微生物与养殖环境之间的动态关系，为优化养殖环境管理提供依据。
印遇龙院士的研究成果在畜禽领域有着广泛而深入的应用，同时也为水产养殖领域的研究和发展提供了重要的参考和启示，有助于推动整个养殖行业在营养调控、肠道健康管理等方面不断进步。
