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禁食诱导换羽过程中肠道微生物的变化及其对肠-肝功能的影响

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研究论文
● 期刊: iMetaOmics
●英文题目: Changes in the gut microbiome during fasting-induced molting and its effects on gut-liver function
● 中文题目: 禁食诱导换羽过程中肠道微生物的变化及其对肠-肝功能的影响
● 原文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/imo2.70103
● DOI: https://doi.org/10.1002/imo2.70103
● 2026年5月20日，河南农业大学蒋瑞瑞等在iMetaOmics在线发表了题为“Changes in the gut microbiome during fasting-induced molting and its effects on gut-liver function”的文章。禁食诱导换羽（FIM）可重启蛋鸡新的产蛋周期并延长其生产利用寿命，但该过程中存在肝-肠损伤修复。本研究整合盲肠宏基因组、非靶向代谢组及空肠转录组等多组学数据，系统解析了蛋鸡禁食诱导换羽过程中肠道菌群及其代谢物的动态演变规律，揭示了其与肝-肠损伤修复的相关性，并阐明了其在肠-肝损伤发生与修复进程中的调控机制，为后续利用益生菌或关键代谢物开展靶向干预、缓解蛋鸡禁食期肠-肝损伤、促进机体生理功能恢复提供了重要理论基础与科学支撑。
●  第一作者：张豪
●  通讯作者：蒋瑞瑞（jrrcaas@163.com）、宫玉杰（gongyj1118@163.com）、康相涛（xtkang2001@henau.edu.cn）
●  合作作者：罗志煊、张军、王晨旭、田亚东、李东华、郭玉洁、张彦华、李文婷
●  主要单位：河南农业大学动物科技学院、神农种业实验室

亮  点


● 基于宏基因组和代谢组数据，构建了禁食诱导换羽（FIM）期间肠道菌群与代谢物变化的动态图谱；
● 阐明在FIM期间，肠道微生物及其代谢物对肠-肝损伤发生与修复进程中的调控作用；
● 优化FIM管理程序和营养精准干预策略为延长蛋鸡的生产寿命提供理论基础与科学支撑。

摘  要

禁食诱导换羽（FIM）可启动蛋鸡新的产蛋周期。然而，禁食过程可能扰乱肠道稳态，削弱宿主免疫功能，并损害肠-肝脏健康。因此，阐明FIM过程中肠道菌群的变化，及其对肠-肝代谢稳态的影响，对于提高蛋鸡FIM效率至关重要。本研究选取90只60周龄贵妃鸡开展FIM试验，并于禁食前1天、禁食第15天、恢复采食后第5天和第47天采集样本。通过宏基因组和非靶向代谢组学分析，探究肠道菌群及其代谢物在FIM过程中的动态变化，揭示了其与肝-肠损伤修复的相关性，并重点解析肠道“损伤-修复”及肝功能变化的机制。禁食期间，有害菌群及其代谢物丰度升高，导致肠道损伤，并激活TGF-β信号通路，促进肠道干细胞增殖；同时，肝功能失调，表现为肝脏和血清胆汁酸水平升高及非经典胆汁酸合成通路激活。恢复采食后，禁食引发的上述变化逐步逆转，肠道菌群及肠-肝功能随之重塑。本研究鉴定出了在FIM期间参与肠-肝功能调控的关键微生物（Liquorilactobacillus mali和Tissierellia bacterium KA00581）以及功能性代谢物（D-泛醇（D-Panthenol）和3-羟基邻氨基苯甲酸（3-HAA））。鸡小肠类器官体外试验发现，D-Panthenol能够促进鸡小肠类器官的出芽与生长，增强肠道屏障功能，并减轻炎症反应。本研究阐明了蛋鸡FIM过程中肠道菌群和代谢物的动态变化及其在肠-肝损伤中的作用，为通过益生菌或代谢物干预减轻禁食换羽期间肠-肝损伤、加快产蛋鸡禁食损伤后修复提供理论依据。

视频解读
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全文解读
引  言
换羽是禽类的一种自然生理现象，伴随着羽毛的更新和繁殖活动的停止，导致产蛋率下降。自然换羽通常持续时间长且个体间起止时间不一致，对产蛋高峰期的维持和集约化管理带来挑战。研究表明，企鹅通过禁食2至5周来完成换羽，以在繁殖季节保持最佳的体况和羽毛状态，从而吸引配偶并保护后代。自然情况下，雌性家禽在孵卵期间，无法离巢觅食，从而引发自发性厌食。为应对这一生理状态，孵卵期间雌禽通过减少活动、降低代谢水平，从而增强自身对饥饿的耐受力，在生理与行为层面形成了对饥饿环境的适应。基于这一自然生理特性，可通过人工禁食的方式诱导禽类实现批量化、可控化换羽，进而有效缩短禽类自然换羽周期。

禁食诱导换羽（Fasting-Induced Molting，FIM）具有周期短、可延长产蛋高峰持续时间并降低生产成本等优点，因而在蛋鸡产业中得到广泛应用。FIM还能改善老龄鸡的肉质和屠宰性状，提高老龄鸡的利用价值。然而，FIM可破坏肠道稳态并诱发菌群失调，表现为病原菌及促炎代谢物增加、肠道屏障功能受损和黏膜炎症加重，导致微生物经由损伤的肠道屏障发生易位，并引发全身性炎症反应。同时，禁食引起的肠道菌群失调会改变胆汁酸的组成与信号传导，进而削弱肝脏的免疫功能。FIM期间，肠-肝功能紊乱致使鸡免疫力下降、死亡率升高。此外，恢复采食后肠-肝功能的重塑，对于蛋鸡迎来新的产蛋高峰期至关重要。因此，了解菌群失调对肠-肝功能的影响，对于改善FIM期间蛋鸡的健康状况和生产性能具有重要意义。

因此，我们挑选了90只60周龄贵妃鸡进行FIM，并采用宏基因组和非靶向代谢组学测序，分析禁食诱导换羽过程中肠道菌群和代谢物的变化。通过综合肠道损伤-修复机制以及肝脏功能的变化，探究肠道菌群和代谢物在肠-肝功能重塑中的作用，并鉴定出了影响FIM的特定菌种和代谢物。本研究阐明了FIM期间肠道菌群对肠-肝健康的影响，为益生菌或代谢物干预减轻肠-肝损伤并促进恢复采食后的重塑提供了依据。

结  果

禁食诱导换羽期间肠道菌群-代谢物的动态变化

禁食显著改变了蛋鸡盲肠菌群的组成（图1A–C），导致其物种多样性下降。在门水平上，禁食降低了Bacteroidetes门的相对丰度，但增加了Actinobacteria门和Proteobacteria门的相对丰度（图1D）。在属水平上，禁食期间，Bacteroides属和Prevotella属的相对丰度下降，而Olsenella属和Lachnoclostridium属的相对丰度增加（图1E）。基于随机森林分析鉴定出排名前50的菌属（表S1），我们观察到不同阶段相关性菌属的动态变化（图S1A）。在F0时期，Faecalimonas属是优势菌属，并且与Candidatus Woesearchaeota noname属呈负相关。到F15时期，菌群结构发生了转变，Candidatus Aminicenantes noname属、Enterobacter属和Slackia属成为优势菌属，Slackia属与Arcanobacterium属呈负相关。此外，我们通过线性判别分析效应量（LEfSe）分析鉴定出各时期的特征菌群。例如，Escherichia coli、Lachnoclostridium sp. An76和Cloacibacillus sp. An23在F15时期富集；而Lactobacillus crispatus、Ligilactobacillus salivarius、Ligilactobacillus aviarius和Bacteroides uniformis在R5时期富集（LDA > 3且p < 0.05）（图1F）。主坐标分析(PCoA)结果显示，在FIM过程中盲肠微生物的功能发生变化（图S1B）。在禁食期间，盲肠微生物在免疫、内分泌和代谢疾病等相关通路显著富集，表明肠道对病原体入侵的易感性增加。恢复采食期间（R5和R47），细胞复制修复和脂质代谢相关通路显著富集，表明微生物在宿主能量代谢和健康调控方面的功能增强（图S1C）。这些结果表明，禁食期间致病菌增加，恢复采食后益生菌相对丰度增加。

在FIM期间，肠道代谢物发生了显著变化（图1G–J）。在FIM过程中盲肠内次级胆汁酸生物合成途径显著富集，表明胆汁酸代谢的失调（图S1D）。基于随机森林分析鉴定出排名前50的代谢物（表S2），我们观察到FIM不同阶段相关性代谢物的动态变化（图S1E）。例如，在F15阶段，水杨酸（SA）和N-乙酰天冬氨酰谷氨酸（N-acetyl-Asp-Glu）显著增加。N-acetyl-Asp-Glu与4-(1-金刚烷基)-2-甲基-1,3-噻唑（4-(1-adamantyl)-2-methyl-1,3-thiazol）呈负相关；而在R47阶段，4-(1-adamantyl)-2-methyl-1,3-thiazol成为优势代谢物。这些结果表明不同阶段间代谢的转变和相互关联，突显了代谢图谱在FIM不同时期的动态特征。


图1. 蛋鸡禁食诱导换羽过程中肠道微生物及代谢物组成的变化
（A）肠道微生物α多样性的变化；（B）肠道微生物PCoA分析；（C）禁食诱导换羽不同时期肠道微生物种水平Venn图；（D）和（E）盲肠微生物门水平和属水平的堆叠柱状图；（F）LEfSe分析禁食诱导换羽不同时期盲肠内的特征微生物（LDA > 3，q < 0.05）；（G）和（H）基于Bray距离的盲肠正离子和负离子代谢物的PLS-DA分析；（I）和（J）禁食诱导换羽不同时期盲肠差异代谢物的正、负离子模式多重散点图。

禁食诱导换羽过程中肠黏膜的重塑

禁食导致肠黏膜的结构和功能受损。H&E染色显示，禁食期间空肠和回肠发生明显萎缩并伴随结构破坏（图2A；图S2A）；扫描电镜观察进一步发现禁食期间肠上皮细胞的脱落（图2B）。同时，禁食显著降低绒毛高度及绒/隐比，并增加隐窝深度（p < 0.05）（图2C–E；图S2B–D）。恢复采食后，空肠和回肠逐渐由萎缩状态向正常结构恢复。我们进一步评估了FIM期间空肠的炎症反应和氧化损伤。结果显示，禁食期间P62、NF-κB1、IL-1β和IL-8 mRNA的表达水平以及IL-1β蛋白水平显著升高（p < 0.05）（图2F–K）。同时，禁食期间过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）的水平显著降低（p < 0.05）（图2L，M），而丙二醛（MDA）水平显著升高（p < 0.05）（图2N）；超氧化物歧化酶（SOD）活性在FIM期间未见显著变化（图2O）。上述结果表明，禁食可诱导肠道炎症反应并加重肠道氧化损伤。

为阐明空肠黏膜重塑机制，我们分析了FIM期间细胞增殖、分化、自噬和凋亡的动态变化。禁食期间，增殖相关基因CCNB1、CDK1、DLL1、OLFM4、BMI1和LGR5（图S3A–F）以及自噬相关基因BECLIN1、ERN1和P53的表达显著升高（p < 0.05）（图S3G–I）。与此同时，分化相关基因（SLC2A2、SLC5A1和CALB1）（图S3J–L）和促凋亡基因TNFα、FASL和Caspase-3的表达下降（图S3M–O），而抗凋亡基因PDGFR和BCL2的表达升高（p < 0.05）（图S3P，Q）。恢复采食后，增殖、分化、自噬和凋亡基因的mRNA表达趋势均与禁食期间相反。关键标志物CDK1、LGR5、SLC2A2、SLC5A1、CALB1、BCL2和BECLIN1的蛋白表达变化与其mRNA表达趋势一致（图S4A–I）。此外，禁食期间升高的LC3II/LC3I蛋白比值在恢复采食后显著降低（p < 0.05）（图S4A，J）。免疫荧光染色显示，禁食显著增加Ki67阳性增殖细胞数量（图S5A），并降低上皮细胞中SLC2A2、SLC5A1和CALB1的表达；恢复采食后，上述指标逐渐恢复至禁食前水平（图S5B–D）。综上，FIM在禁食期间诱导肠绒毛自噬性萎缩并激活肠道干细胞，恢复采食后空肠黏膜快速再生修复，从而实现肠黏膜的动态重塑。


图2. FIM期间蛋鸡肠道形态结构、炎症反应和氧化损伤的变化。
（A）空肠H&E染色；（B）空肠扫描电镜观察；（C）空肠绒毛高度；（D）空肠隐窝深度；（E）空肠绒/隐比；（F–I）空肠黏膜中P62、NF-κB1、IL-1β和IL-8的mRNA表达；（J）空肠黏膜中IL-1β蛋白表达水平的Western blotting分析；（K）IL-1β蛋白表达的灰度值分析。（L–O）过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）、丙二醛（MDA）和超氧化物歧化酶（SOD）水平。数据以平均值 ± 标准误（SEM）表示；不同上标字母（a、b、c）表示差异显著（p < 0.05）。

RNA-seq分析肠黏膜重塑的机制

为阐明FIM过程中肠黏膜损伤-修复的分子机制，本研究对空肠组织进行了RNA-seq分析。PCA、维恩图和多重散点图显示，FIM不同时期空肠组织的基因表达存在显著差异（图3A–C）。整合肠绒毛高度、隐窝深度和绒/隐比等表型指标进行WGCNA分析（图S6A，B），鉴定出blue、green-yellow、yellow和red模块为与肠绒毛再生密切相关的关键模块（图3D；图S6C–G）。随后，整合blue、green-yellow、yellow和red模块中的核心基因，并进行GO和KEGG富集分析。GO分析显示，这些核心基因显著富集于组织发育相关过程，包括上皮发育、循环系统发育和细胞增殖等（图3E；表S3）。KEGG富集分析显示，核心基因显著富集于TGF-β信号通路（图3F），该通路与细胞增殖、分化及炎症反应密切相关。随后，TGF-β信号通路相关基因的热图分析、qRT-PCR和Western blotting结果共同表明，禁食期间TGF-β信号通路被激活（图3G–L；图S6H–S）。


图3. 蛋鸡禁食诱导换羽过程中空肠转录组测序分析
（A）主成分分析（PCA）；（B）不同时期差异表达基因的维恩图；（C）不同时间差异基因的多重散点图；（D）基因共表达模块与绒毛高度、隐窝深度及绒/隐比的相关性分析；（E）GO富集分析；（F）KEGG富集分析；（G）空肠黏膜RNA-seq数据中TGF-β信号通路相关基因表达热图；（H）空肠黏膜中BMP5、MYC、TGF-β2和SMAD9蛋白表达水平的Western blotting分析；（I–L）FIM期间BMP5、MYC、TGF-β2和SMAD9蛋白表达的灰度值分析。

禁食诱导换羽过程中蛋鸡肝功能的变化

转录组测序显示蛋鸡禁食诱导换羽过程中肝脏基因表达呈现动态变化（图4A–C）。基于肝脏转录组鉴定的差异表达基因，进一步开展Series Test of Cluster分析。选取禁食期间基因表达下调的模块2以及基因表达上调的模块5中的基因，开展后续功能注释分析（图S7）。GO和KEGG富集分析显示，禁食期间蛋鸡肝脏呈现显著代谢重编程特征，并伴有解毒过程增强和胆汁酸代谢紊乱（图4D，E；表S4）。肝功能检测结果显示，禁食显著升高血清天冬氨酸氨基转移酶（AST）、AST/ALT比值、总胆汁酸（TBA）及总胆红素（TBIL-Z）水平，同时降低白蛋白（ALB）水平（图4F–J），提示禁食导致肝功能损伤并伴随胆汁酸淤积。肝脏与血清胆汁酸靶向代谢组学分析进一步证实，禁食期间胆汁酸总体水平升高（图S8A，B）；其中，牛磺脱氧胆酸（TDCA）、牛磺石胆酸（TLCA）、熊去氧胆酸（UDCA）、牛磺熊去氧胆酸（TUDCA）和石胆酸（LCA）呈特异性升高，并在恢复采食后下降（图4K–T）。qRT-PCR结果显示，禁食下调CYP7A1基因表达，并上调了CYP46A1、CYP7B1和CYP27A1等基因的表达（图S8C–F），表明禁食期间非经典胆汁酸合成通路被激活。


图4. 蛋鸡禁食诱导换羽过程中肝功能的变化
（A）PCA分析。（B）蛋鸡禁食诱导换羽不同时期肝脏组织差异基因的统计。（C）蛋鸡禁食诱导换羽不同时期肝脏差异基因的Venn图。（D）GO富集分析。（E）KEGG富集分析。（F–J）肝功能指标检测：天冬氨酸氨基转移酶（AST）、天冬氨酸氨基转移酶/丙氨酸氨基转移酶比值（AST/ALT）、总胆汁酸（TBA）、总胆红素（TBIL-Z）和白蛋白（ALB）。（K–O）肝脏胆汁酸浓度检测：牛磺脱氧胆酸（TDCA）、牛磺石胆酸（TLCA）、熊去氧胆酸（UDCA）、牛磺熊去氧胆酸（TUDCA）和石胆酸（LCA）。（P–T）血清胆汁酸浓度检测：牛磺脱氧胆酸（TDCA）、牛磺石胆酸（TLCA）、熊去氧胆酸（UDCA）、牛磺熊去氧胆酸（TUDCA）和石胆酸（LCA）。数据以均值 ± SEM表示；不同上标字母（a、b和c）表示差异显著（p < 0.05）。

盲肠微生物影响肠-肝轴健康的整合研究

为探究肠-肝健康变化与代谢物的关联，本研究整合分析了盲肠代谢组与空肠、肝脏转录组数据。盲肠代谢组与空肠转录组共同富集的通路包括ABC转运蛋白、花生四烯酸代谢、初级胆汁酸生物合成以及泛酸和CoA生物合成（图5A）。上述通路共富集出53种代谢物，主要包括L-丝氨酸（L-serine）、花生四烯酸（AA）、石胆酸（LCA）、D-泛醇（D-Panthenol）和3-羟基邻氨基苯甲酸（3-HAA）等（图S9A）。关联分析显示，L-serine、LCA和AA与TGF-β信号通路活性及肠道损伤程度呈正相关，而D-Panthenol和3-HAA则呈负相关（图5B）。类似地，盲肠代谢物与肝脏转录组共同富集的通路包括ABC转运蛋白、初级胆汁酸生物合成、花生四烯酸代谢以及泛酸和CoA生物合成（图5C）。这些通路共富集出56种代谢物，包括L-serine、AA、D-Panthenol、LCA和3-HAA（图S9B）。关联分析显示，L-serine、LCA和AA与肝损伤密切相关，而D-Panthenol和3-HAA在肝功能修复中发挥重要作用（图5D）。

为探究盲肠代谢物与微生物的关联，本研究采用MaAsLin2进行多变量线性建模，并校正潜在混杂因素。显著关联结果（|coef| > 2且q < 0.05）包括：Liquorilactobacillus mali与D-Panthenol、Tissierellia bacterium KA00581与3-HAA、Pelosinus fermentans与L-serine和LCA、以及Fibrobacter sp. UWOV1与AA均呈独立正相关（图5E；表S5）。基于上述结果，我们推测Liquorilactobacillus mali和Tissierellia bacterium KA00581可能参与促进肠-肝的功能性重塑，而Pelosinus fermentans和Fibrobacter sp. UWOV1可能与禁食期间肠-肝功能受损相关。


图5. 多组学整合分析
（A）盲肠代谢组与空肠转录组的共同富集通路分析；（B）肠道损伤修复相关指标与盲肠代谢物的相关性热图；（C）盲肠代谢组与肝脏转录组的共同富集通路分析；（D）肝功能相关指标与盲肠代谢物的相关性热图。（E）基于MaAsLin2的盲肠微生物组与代谢组关联网络。绿色表示微生物，紫色表示代谢物；实线表示正相关，虚线表示负相关。显著性水平：*表示0.01 < p < 0.05，**表示0.001 < p < 0.01，***表示p < 0.001。

D-泛醇促进鸡小肠类器官的生长

基于转录组和代谢组分析结果，本研究采用鸡小肠类器官模型评估D-Panthenol对肠道功能的影响。鸡小肠类器官分别在含有0、10、100和1000 ?M D-Panthenol的培养基中培养。培养至第3天时，各组鸡小肠类器官均出现出芽现象；至第5天时，鸡小肠类器官出芽数量和面积进一步增加（图6A）。培养至第7天时，与对照组相比，10、100和1000 ?M组鸡小肠类器官的出芽率均显著升高（p < 0.05）（图6B），其中100 ?M组的鸡小肠类器官面积增加最为显著（p < 0.05）（图6C）。qRT-PCR分析显示，第7天时100 ?M D-Panthenol显著上调了增殖相关基因OLFM4、CDK1和LGR5、分化相关基因SLC2A2和SLC5A1以及屏障功能相关基因CLDN1的表达（p < 0.05）（图6D–I）。同时，炎症相关基因IL12B、INFγ、IFNβ、IL13、iNOS和INFα的表达显著下降（p < 0.05）（图6J–O）。上述结果表明，100 ?M D-Panthenol可促进小肠类器官的增殖与分化，增强其屏障功能，并减轻炎症反应。


图6. D-Panthenol对鸡小肠类器官生长的影响
（A）不同浓度D-Panthenol处理下，鸡小肠类器官在第1、3、5和7天的生长状态；（B）不同浓度D-Panthenol处理下鸡小肠类器官第7天的出芽率；（C）不同浓度D-Panthenol处理下鸡小肠类器官第7天的面积；（D–O）OLFM4、CDK1、LGR5、SLC2A2、SLC5A1、CLDN1、IL12B、IFNγ、IFNβ、IL13、iNOS和IFNα的表达水平。数据以均值 ± SEM表示；不同上标字母（a、b、c）表示差异显著（p < 0.05）。

讨  论

FIM是一种用于重启蛋鸡产蛋性能的常用方法，但其禁食过程可因能量供给不足扰乱肠道微生物群结构，损害肠-肝功能，并增加蛋鸡死亡风险。与既往研究一致，禁食可增加致病菌丰度，提高肠道被病原侵袭的易感性。禁食期间，Candidatus Aminicenantes noname、Enterobacter和Slackia成为优势菌属，这些优势菌属可能具备发酵并利用未消化碳水化合物的能力。此外，禁食期间富集的部分优势菌属具有潜在致病性，例如Enterobacter在宿主免疫功能下降或物理屏障受损时，易引发机会性感染。恢复采食后，益生菌的相对丰度升高，从而维持宿主微生态的稳态，并调节能量代谢与肠道健康。在R5时期，Ligilactobacillus salivarius和Bacteroides uniformis富集，可能有助于维持肠道微生物群稳态并调节抗炎反应；在R47时期，Butyricicoccus porccorum富集，可能通过产生短链脂肪酸促进肠上皮细胞的生长和更新。尽管宏基因组测序揭示了FIM期间肠道微生物群的精细动态变化，但多数相关微生物的具体功能仍有待深入阐明。

代谢物是连接肠道微生物群与宿主健康的重要纽带。相关模式的动态变化（例如，F15时SA和N-acetyl-Asp-Glu的占据主导作用，以及R47时期4-(1-adamantyl)-2-methyl-1,3-thiazole占据主导作用）表明代谢通路发生了动态重编程，这可能反映了随着病程进展，黏膜免疫、屏障功能或能量代谢的变化。F15期间，SA等化合物水平升高，提示机体可能通过适应性或保护性反应应对禁食应激、调节炎症并维持机体稳态。禁食期间次级胆汁酸代谢相关通路的富集，则表明肠道和肝脏功能受到显著影响。胆汁酸蓄积不仅会损伤肝细胞并诱发炎症，还可能通过扰乱肠-肝轴循环损害肠道屏障功能，进而导致肠黏膜损伤。尽管KEGG分析可提示代谢物的潜在功能，其直接生理效应仍需进一步验证。因此，本研究进一步评估肠道和肝脏功能变化，以阐明代谢物在FIM过程中的作用。

与已往研究一致，FIM过程中肠道呈现动态变化特征，即由炎症和氧化损伤状态逐渐转向组织修复状态。本研究发现，蛋鸡禁食期间肠道细胞增殖能力增强，而恢复采食后肠道干细胞迅速分化。在小鼠研究中发现，禁食24 h可显著抑制隐窝细胞的增殖，而恢复采食则促进肠道细胞增殖。我们推测，产蛋后期蛋鸡较高的脂肪储备可能在禁食期间通过脂肪自噬提供必需营养，从而维持肠道干细胞的再生和修复能力。此外，我们发现禁食期间TGF-β信号通路被激活。该通路在调节炎症、自噬调节以及细胞增殖中发挥关键作用，这些过程对于维持组织稳态和促进组织修复均至关重要。因此，TGF-β通路可能是肠黏膜重塑的关键调控轴。

FIM伴随显著的营养与能量波动，对肝脏功能产生显著影响。禁食期间，肝脏和血清胆汁酸水平均显著升高，同时肝脏非经典胆汁酸合成通路被激活。在正常生理条件下，胆汁酸经典合成通路由CYP7A1催化胆固醇生成7α-羟基胆固醇，进而生成CA和CDCA。胆汁酸合成替代途径由CYP27A1启动，并通过CYP7B1催化的7α-羟基化反应生成CDCA；同时CYP8B1参与胆汁酸羟基化过程，并影响胆汁酸组成。本研究发现，禁食抑制CYP7A1表达，同时上调CYP27A1和CYP7B1表达，表明非经典胆汁酸合成通路被激活。禁食期间替代途径的激活会促进胆汁酸合成，从而帮助机体在饥饿应激时维持能量平衡。然而，非经典胆汁酸合成通路被持续激活也可能促进胆汁酸异常蓄积，损害肝脏胆汁排泄功能，诱发肝细胞损伤，进而破坏细胞完整性并促进炎症和纤维化，最终可能发展为肝硬化。高浓度胆汁酸对肝细胞具有毒性，可损伤细胞膜，诱发细胞死亡，并损害肝功能。若胆汁酸淤积未能及时缓解，其持续性损伤可能影响机体健康，延缓FIM后重塑进程，限制产蛋率回升，并增加蛋鸡死亡风险。

全面评估肠-肝功能对于阐明代谢、免疫稳态及疾病发生机制具有重要意义。若仅关注肠道或肝脏单一器官，忽视二者复杂的互作关系，将限制对禁食影响机体整体健康机制的系统认识。MaAsLin2分析显示，Liquorilactobacillus mali与D-Panthenol呈独立正相关，Tissierellia bacterium KA00581与3-HAA呈独立正相关。D-Panthenol和3-HAA均参与肠道和肝脏功能修复过程。D-Panthenol和3-HAA可通过抗氧化和细胞保护作用，对肠-肝功能产生有益影响。本研究表明，100 ?M D-Panthenol可促进鸡小肠类器官的增殖和分化，并通过上调CLDN1的表达、降低炎症反应来增强肠道屏障功能。因此，D-Panthenol可作为一种潜在的外源性添加剂，用于改善FIM期间蛋鸡的肠道健康。此外，Pelosinus fermentans与L-serine和LCA呈独立正相关，而Fibrobacter sp. UWOV1与AA呈独立正相关。这些发现提示Pelosinus fermentans与Fibrobacter sp. UWOV1可能与肠道和肝脏损伤密切相关。LCA和AA水平与肠道代谢紊乱及肝脏炎症呈正相关。相反，增强的L-serine代谢对肠道和肝脏均发挥保护作用。因此，我们推测，机体可能通过上调L-serine代谢以缓解功能紊乱所致的肠-肝损伤。肠道微生物群、代谢物与肠-肝功能之间的相关性分析为阐明其潜在作用提供了重要线索，但尚不足以证明因果关系。上述关联仍需进一步实验验证。

结  论

本研究探讨了FIM过程中肠道微生物群、代谢物、肠粘膜重塑以及肝脏胆汁酸代谢的动态变化。禁食期间，有害微生物和代谢物增加，导致肠道氧化损伤、炎症反应和肠绒毛萎缩。该过程可激活TGF-β信号通路，促进肠道干细胞增殖。同时，禁食导致肝功能下降，并激活非经典胆汁酸合成通路，进而引发肝内胆汁酸淤积。恢复采食后，肠-肝损伤逐渐恢复。我们鉴定出与FIM期间肠-肝功能相关的关键微生物（Liquorilactobacillus mali和Tissierellia bacterium KA00581）以及功能性代谢物（D-Panthenol和3-HAA）。类器官试验进一步证实，D-Panthenol可作为候选外源添加剂，用于改善FIM期间蛋鸡的肠道健康。本研究阐明了肠道微生物群、代谢物与肠-肝功能之间的关联，为优化FIM管理和饲喂策略、延长蛋鸡寿命提供了参考。

方  法

动物与实验设计

本研究共选取90只60周龄、体重相近的贵妃鸡，随机分为9个重复，每个重复10只。鸡只饲养于温度18 – 25℃、相对湿度60% – 70%的鸡舍内，均饲喂玉米-豆粕基础日粮。FIM试验主要关注F0、F15、R5和R47四个时间点（图S10）。其中，F15的失重率控制在30%以内，R47处于第二个产蛋高峰期。

宏基因组测序分析

宏基因组测序数据已提交至Genome Sequence Archive（GSA）（登录号CRA021343）。所得基因集通过与KEGG等数据库进行比对注释，以开展微生物群落的功能分析。采用Kruskal-Wallis检验比较组间Shannon多样性指数，运用基于Bray-Curtis距离的PCoA评估样本间的结构差异，并通过LEfSe分析鉴定对群落分化贡献显著的标志物种。采用LEfSe（结合非参数Kruskal-Wallis检验与线性判别分析）评估组间差异特征的效应量（q < 0.05且LDA > 3）。测序及生物信息学分析均通过Omicsmart在线平台（http://www.omicsmart.com）完成。

盲肠代谢物分析

盲肠内容物冻存样本于冰上解冻后，以80%甲醇缓冲液提取。随后参照说明书，采用液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术对提取物进行分析。结合PLS-DA的VIP值与经BH-FDR校正的单因素方差分析（ANOVA）筛选显著差异代谢物（阈值：VIP ≥ 1且q < 0.05）。利用火山图对差异代谢物进行可视化，并开展KEGG通路富集分析。相关测序及生物信息学分析均依托Omicsmart在线平台（http://www.omicsmart.com）完成。

随机森林特征筛选与基于SparCC的相关网络分析

运用随机森林分析，根据Mean Decrease Gini重要性指标筛选出排名前50的关键微生物和代谢物，并通过置换检验（n = 200）及BH-FDR校正评估其统计显著性（q < 0.05）。原始丰度数据经中心化对数比（CLR）转换后，引入年份与禁食状态作为协变量进行回归处理以提取残差。基于残差计算SparCC相关系数，并通过热图对相关关系（|R| > 0.7 且q < 0.05）进行可视化。上述分析均基于R软件（version 4.5.2）完成，主要调用“compositions”（version 2.0-9）和“psych”（version 2.6.1）程序包。

H&E染色和免疫荧光染色

肠道组织样本经石蜡包埋后制备4 μm切片，并行苏木精-伊红（H&E）常规染色。镜下选取10根形态完整的肠绒毛，利用CaseViewer软件测量绒毛高度与隐窝深度。逐一计算各配对绒毛高度与隐窝深度的比值（V/C），并取其均值作为该样本的量化指标。取空肠组织切片进行免疫荧光染色。切片与一抗Ki67（1:400）、SLC2A2（1:200）、SLC5A1（1:100）和CALB1（1:200）在4℃条件下孵育过夜。抗体信息见表S6。孵育结束后，用含Tween的磷酸盐缓冲液（PBST）洗涤后，加入二抗（1:200）室温孵育60 min。最后，在共聚焦显微镜下对切片进行观察和拍照。

扫描电子显微镜（SEM）

空肠组织样本经2.5%戊二醛固定后，并在4℃条件下用1%四氧化锇孵育2 h。样本依次经梯度乙醇逐级脱水（各20 min），再经乙醇-叔丁醇混合液（1:1，30 min）及纯叔丁醇（1 h）置换。随后，使用HCP-2型临界点干燥仪，并以液态二氧化碳作为过渡流体，对样本进行干燥处理。最后，将干燥后的样品进行金-钯喷镀，并使用数字扫描电子显微镜进行观察分析。

qRT-PCR分析

高质量RNA经PrimeScript RT Reagent Kit逆转录为cDNA后，利用LightCycler 96系统和SYBR Premix Ex Taq II试剂盒进行qRT-PCR扩增（引物序列详见表S7）。目的基因的相对mRNA表达量采用2?ΔΔCT方法计算。

Western blotting

提取空肠组织总蛋白并采用Bradford法定量。蛋白经SDS-PAGE电泳分离后转移至PVDF膜，并与相应抗体（抗体信息详见表S6）进行孵育。最后以β-actin为内参对照，利用ImageJ软件对蛋白条带进行光密度半定量分析。

cDNA文库构建及测序数据分析

采用TRIzol试剂提取空肠及肝脏总RNA，经NanoDrop ND-2000定量与琼脂糖凝胶电泳质检后，取高质量RNA样本构建测序文库，并基于Illumina NovaSeq 6000平台进行高通量测序。对原始测序数据（raw reads）进行质量控制，滤除含接头序列、高N碱基比例及低质量的reads，以获取高质量的clean reads。利用HISAT2将clean reads比对至GRCg7b参考基因组，经StringTie组装转录本后，采用RSEM软件进行基因表达定量，获取raw counts。基于raw counts数据，采用“DESeq2”（version 1.30.0）软件包进行基因差异表达分析，显著性筛选阈值设定为|log2Fold-Change| > 1且q < 0.05。空肠转录组测序分析通过Omicsmart在线平台完成（http://www.omicsmart.com）。肝脏转录组测序分析通过Majorbio Cloud平台完成（www.majorbio.com）。

加权基因共表达网络分析（WGCNA）

基于R语言WGCNA包构建基因共表达网络，以探究基因模块与肠道形态性状（绒毛高度、隐窝深度及绒/隐比）的关联。通过软阈值筛选确保网络逼近无标度拓扑分布，随后计算模块与表型性状的相关性（∣R∣ > 0.8）并以热图可视化。最后，联合“clusterProfiler”包与DAVID数据库对显著相关模块内的基因进行GO与KEGG富集分析。

聚类分析和功能富集的时间序列分析

为解析FIM过程中肝脏基因表达的动态变化，使用R软件（version 4.5.2）进行时间序列聚类分析。基因表达矩阵经log2转换并滤除低表达基因后，进一步进行Z-score标准化，以增强不同样本间表达模式的可比性。随后，采用K-means聚类算法识别时间动态表达模式，并基于不同聚类数下的簇内平方和通过肘部法确定最优聚类数。各聚类分别表征F0、F15、R5和R47四个时间点间的特异性表达趋势，并以平均标准化表达谱表示其典型动态轨迹。为评估聚类结果的稳健性，进一步利用“e1071”包实施模糊C均值聚类，计算基因对相应聚类的隶属度；隶属度较高的基因被认为与对应时间表达模式关联更强。最后，对各聚类基因进行下游功能富集分析。

血清肝功能指标检测

采用全自动生化分析仪（BK280）检测肝功能指标，包括ALT、AST、ALP、ALB、TBA、GGT、TBIL-Z和DBIL-Z。

靶向胆汁酸代谢组测序

称取肝脏样品后，于低温条件下研磨并提取代谢物；血清样品经甲醇沉淀提取。离心后收集上清液，采用LC-ESI-MS/MS对肝脏和血清样品中的目标代谢物进行定性与定量分析，并基于标准曲线计算其浓度。

基因或微生物群与代谢物的整合分析

本研究整合分析基因与代谢物共同富集的KEGG通路，评估其潜在相互作用并构建功能关联模型。基因-代谢物相关性分析采用OmicShare工具完成（https://www.omicshare.com/tools/）。微生物-代谢物关联分析采用R包“MaAsLin2”进行；相关网络构建与可视化采用Cytoscape（version 3.8.2）完成。

鸡小肠细长型类器官的分离与培养

取18日龄AA肉鸡胚胎的小肠，纵向剖开后用PBS清洗干净。并剪切成1 – 2 mm?组织块。组织块于4℃条件下经2.5 mmol/L EDTA消化30 min，涡旋振荡30 s后，经100 μm细胞筛过滤获得隐窝细胞。滤液先以50 × g离心5 min并用PBS清洗，再以200 × g离心5 min收集沉淀。将沉淀重悬于DMEM中，并与未稀释Matrigel按2:1比例混合后接种于24孔板中，每孔50 μL，约含100 – 150个隐窝。Matrigel于37℃凝固30 min后，每孔加入500 μL预温完全培养基。完全培养基由L-WRN条件培养基与高糖DMEM 按1:1配制，并添加10%胎牛血清、1%青霉素/链霉素、1 × B-27、1 × N-2、1 mmol/L L-谷氨酰胺、10 mmol/L HEPES、10 mmol/L烟酰胺、500 ng/mL人R-spondin 1、100 ng/mL人Noggin、50 ng/mL人EGF、50 ng/mL FGF2、1 μmol/L Jagged-1、3 μmol/L CHIR99021、0.5 μmol/L galunisertib、10 μmol/L SB202190和5 μmol/L Y-27632。培养基每2天更换一次；原代类器官于培养第7天传代，此后每5天传代一次。

数据统计分析

采用SPSS软件（version 25.0）进行统计分析。符合正态分布的数据采用单因素方差分析（one-way ANOVA）进行组间比较，并以Tukey法进行事后检验；不符合正态分布的数据采用Kruskal–Wallis检验。所有实验均至少设置3次独立重复，统计显著性阈值设定为p < 0.05。结果以均值 ± 标准误（mean ± SEM）表示。使用GraphPad Prism（version 8.0）进行数据可视化。

代码和数据可用性：

本研究所用原始测序数据已提交至GSA数据库(https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa/browse)，登录号为CRA021254和CRA021264。主要数据和代码已上传至Github（https://github.com/zhaohao2026/imetaomics）。更详细的数据信息可联系通讯作者获取。补充材料（文本、图、表、中文翻译版本或视频）也可从线上（http://www.imeta.science/imetaomics/）获取。

引文格式：

Zhang Hao, Luo Zhixuan, Zhang Jun, Wang Chenxu, Tian Yadong, Li Donghua, Guo Yujie, et al. 2026. “Changes in the gut microbiome during fasting-induced molting and its effects on gut-liver function.” iMetaOmics 3: e70103. https://doi.org/10.1002/imo2.70103.

https://doi.org/10.1002/imo2.70103.

作者简介



张豪（第一作者）

● 河南农业大学动物科技学院和神农种业实验室联合培养博士后。

● 研究方向为动物生产系统与工程，以第一作者在Poultry Science、Animals、Gene等期刊发表SCI论文4篇。



宫玉杰（通讯作者）

● 河南农业大学副教授，硕士生导师，中原青年拔尖人才，河南省高层次人才，全国高校黄大年式教师团队骨干成员，河南省优秀科技特派员。

● 主要从事地方鸡功能性微生物挖掘、家禽营养调控与生理健康重塑等研究工作，先后主持河南省中原青年博士后创新人才项目、河南省自然科学基金及河南省科技攻关等项目。以第一或通讯作者身份发表SCI及核心期刊论文20余篇，授权专利3项。作为主要完成人获河南省科学技术进步奖一等奖、神农中华农业科技奖优秀创新团队等。




康相涛（通讯作者）

● 河南农业大学动物科技学院教授，中国工程院院士，全国高校黄大年式教师团队带头人，教育部“地方鸡种质资源保护与利用”创新团队和“农业农村部鸡种质资源优异性状发掘创新利用”创新团队带头人、农业农村部畜禽资源（家禽）评价利用重点实验室主任。

● 长期致力于地方鸡种质资源保护利用研究工作，先后主持国家“863”计划、国家自然科学基金、河南省重大科技专项等科研课题。育成国审新品种2个，以第一发明人获得授权发明专利36项。主持完成“中国地方鸡种质资源优异性状发掘创新与应用”研究于2008年获得国家技术发明奖二等奖，“地方鸡保护利用技术体系创建与应用”研究于2018年获得国家科学技术进步奖二等奖，2023年带领团队荣获神农中华农业科技奖优秀创新团队。




蒋瑞瑞（通讯作者）

● 河南农业大学动物科技学院副院长，教授，博士生导师，河南省高层次人才，全国高校黄大年式教师团队骨干成员。

● 长期聚焦家禽生理健康重塑、智慧养殖与畜禽种质资源创新相关教科研工作。主持国家科技创新2030重大项目课题，国家重点研发计划项目课题，国家自然科学基金、河南省重大科技专项课题、河南省科技攻关等省部级科研项目；参加培育国审新品种“豫粉1号蛋鸡”；作为主要完成人获得国家科技进步奖二等奖、河南省科技进步奖一等奖、中国产学院合作创新成果奖、神农中华农业科技奖优秀创新团队等各1项。

来源：

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