在畜牧生产中，抗生素可用于促进动物生长、预防和治疗各种细菌感染，但抗生素的大量使用也导致了耐药细菌的出现以及环境土壤和水质中抗性基因的污染[1-2]，造成肉、蛋、奶等食品中抗生素的残留，对人类健康造成威胁。因此，世界各国均严格限制抗生素在动物养殖过程中的使用[3-4]，替抗产品的开发和应用成为畜牧领域的研究热点。细菌素是细菌通过核糖体产生的一类小肽，具有抗菌活性强、稳定性好、不易产生耐药性等特点[5]。细菌素具有抗菌特性和安全性，在食品保鲜及动物生产中具有较大的应用潜力，乳酸链球菌素（nisin）已成为商业化的生物防腐剂产品，也可在预防和治疗奶牛乳房炎中应用[6-8]。细菌素是反刍动物瘤胃环境的重要调控因子，可通过抑制敏感细菌的生长改变瘤胃微生物系统平衡、日粮的发酵形式以及代谢产物的组成[9-10]。近年来，关于细菌素的报道较多，人们也逐渐认识到细菌素在动物生产中的重要作用。本文旨在综述细菌素的分类、生物合成、作用机理及其在反刍动物中的应用，为更好地使用细菌素改善反刍动物瘤胃健康、提高生产性能以及预防疾病提供参考。1细菌素的分类细菌素根据结构特征可以分为翻译后修饰细菌素和非翻译后修饰细菌素两大类。翻译后修饰细菌素为含有修饰氨基酸的多肽，基于修饰氨基酸或结构的不同又可以细分为多个类别。其中最具代表性的是羊毛硫细菌素，羊毛硫细菌素分子含有羊毛硫氨酸或甲基羊毛硫氨酸[11]。羊毛硫氨酸由苏氨酸、丝氨酸与相邻的胱氨酸经硫醚键连接形成，硫醚键的形成使羊毛硫细菌素对蛋白酶、高温等不利因素有了抵抗力，硫醚键被破坏后，羊毛硫细菌素的抗菌活性消失[12-15]。羊毛硫细菌素还可以分为两个亚类。在亚类Ⅰ合成过程中，lanB和lanC两个蛋白负责苏氨酸、丝氨酸的脱水及硫醚键的形成，lanT和lanP蛋白完成前导肽的转运和切除；亚类Ⅱ由lanM蛋白调节苏氨酸、丝氨酸的脱水及硫醚键的形成，lanT蛋白负责前导肽的转运和切除[16-18]。非翻译后修饰细菌素可以分为5个亚类，亚类A是类片球菌素，也称抗李斯特菌细菌素，结构与乳酸片球菌素（pediocin）类似，分子量小，抑菌谱窄，但对李斯特菌抗菌活性很强[19]。亚类B非翻译后修饰细菌素由两个小肽组成，两个小肽协同发挥抗菌功能，但只有1个免疫蛋白[20-22]。亚类C、D、E细菌素是不能归类在上述2个亚类的其他非翻译后修饰细菌素，包括环肽细菌素、无前导肽细菌素等[23]。2细菌素的生物合成生物合成方式的不同导致了细菌素分子结构的差异。翻译后修饰细菌素的合成通常包括前体肽生成、翻译后修饰和前导肽切除。前体肽是核糖体合成的初始肽链，没有抗菌活性，在其N末端有一段前导肽，作为转运信号或者翻译后修饰的酶结合区域[24]。前体肽经翻译后修饰被转运出细胞膜，切除前导肽形成成熟的细菌素肽链。细菌素分泌以后，自身的免疫力不可或缺。lanI免疫蛋白与lanFEG转运蛋白在细菌素的自身免疫中起到了关键作用。免疫蛋白可与细胞膜受体结合，竞争性抑制细菌素，而转运蛋白将结合在细胞膜或进入细胞内的细菌素排出[25]。免疫蛋白通常是特异性的，但是将lanI或lanFEG基因转化到敏感菌能赋予该菌对细菌素的免疫力。当然有的免疫蛋白也具有较强的结构相似性，使得细菌素产生菌出现交叉免疫[26]。翻译后修饰细菌素的分泌由群体感应系统调节，该系统由组氨酸蛋白激酶和响应调节子组成，组氨酸蛋白激酶位于细胞表面，当感应到外界环境变化时，它的组氨酸残基自动磷酸化产生级联信号，磷酸化的集团从组氨酸蛋白激酶转移到响应调节子形成调节子复合体，调节子复合体与细菌素合成基因和免疫基因的启动子结合启动转录[27]。非翻译后修饰细菌素的生物合成分为有前导肽和无前导肽两类。有前导肽非翻译后修饰细菌素通常由核糖体合成无抗菌活性的前体肽，前体肽的N末端有前导肽序列和酶切位点。转运蛋白位于细胞膜上，负责细菌素的转运和前导肽的酶切，前导肽切除后形成有活性的细菌素。免疫蛋白位于细胞膜的内侧，竞争性抑制细菌素与膜受体结合，免疫蛋白C末端特异性识别同源细菌素，将C末端的部分氨基酸切除，免疫蛋白的保护功能消失[28-30]。非翻译后修饰细菌素的分泌受三个信号传导系统调节，包括诱导肽、组氨酸蛋白激酶和响应调节子。诱导肽信号分子在细胞外达到一定浓度后，与细胞膜内侧组氨酸蛋白激酶反应，引起响应调节子磷酸化，激活细菌素的生物合成[31-33]。无前导肽细菌素结构中不含前导肽序列，核糖体直接合成成熟的细菌素肽链，肽链的N末端是甲酰化的蛋氨酸，但对于抗菌活性并不是必需的。无前导肽细菌素的转运和免疫由ABC转运蛋白完成，但其合成调控仍需要更多的深入研究[34]。3细菌素的作用机理细菌素通常具有双亲性结构并带有正电荷，便于结合到靶细胞膜发挥作用，靶细胞膜在细菌素的作用下形成孔洞，细胞内离子和小分子外流，细胞内外的质子动能和电势差消失，靶细胞在恢复质子动能和电势差的过程中耗尽三磷酸腺苷（ATP）而被杀灭[35]。细菌素也可以通过细胞膜进入靶细胞内，抑制蛋白质的合成、核酸的复制或转录[36]。nisin诱导靶细胞自溶酶的释放和激活，造成靶细胞自溶，或是与肽聚糖合成前体结合，阻止细胞壁形成，mersacidin也通过抑制细胞壁的合成发挥抗菌效果[37]。lactocillin、microcin B17、microcin J25分别抑制靶细胞蛋白质合成、DNA复制和RNA聚合酶活性[38-40]。枯草芽孢杆菌素A32使靶细胞无法进行正常的磷代谢，细胞壁和细胞膜受损，内容物外泄，蛋白质的表达也受到影响[41]。双歧杆菌细菌素bifidocin A增加了金黄色葡萄球菌的细胞膜通透性，造成钾离子、无机磷离子和ATP分子的泄露[42]。sakacin ZFM225破坏了李斯特菌细胞壁的完整性，并阻止了脂Ⅱ分子的合成[43]。4细菌素在反刍动物生产中的应用反刍动物消化利用植物纤维主要是在瘤胃完成的，瘤胃存在大量的细菌、真菌、原虫和古细菌，这些微生物间相互竞争、协作，帮助反刍动物降解饲料原料，产生挥发性脂肪酸和各种代谢产物，促进瘤胃健康和营养物质的消化吸收。使用宏基因组分析发现，瘤胃微生物富含细菌素合成以及糖酵解、糖异生的基因[44]。细菌素广泛存在于瘤胃内。NILSEN等[45]从瘤胃中分离得到粪肠球菌LMG2333，能够产生1种热不稳定的细菌素enterolysin A；COOKSON等[46]从反刍动物瘤胃或粪便样品中分离得到10株牛链球菌，含有细菌素bovicin 255编码基因并对厌氧消化链球菌D1具有抗菌活性。细菌素影响幼龄反刍动物瘤胃和肠道发育，参与维持瘤胃微生态系统和发酵调控，促进反刍动物生产性能，还可以用来预防和治疗牛乳房炎。4.1细菌素对反刍动物胃肠道的影响微生物通过产生短链脂肪酸、细菌素影响动物胃肠道的发育和功能。短链脂肪酸是胃肠道上皮细胞的主要供能物质，细菌素能够促进动物胃肠道健康，保证机体消化吸收。病原微生物的入侵会破坏动物胃肠道生理和免疫稳态。细菌素一方面可以抑制病原微生物，另一方面可促进有益微生物的定植和生长。有益微生物对于瘤胃以及肠道的发育和代谢至关重要。幼龄反刍动物断奶前饲喂益生菌可以改变瘤胃微生物的定植过程，促进纤维降解菌的定植，降低瘤胃氨浓度，提高挥发性脂肪酸的产量[47]。双歧杆菌和拟杆菌的定植能够减少动物过敏症状并促进免疫系统的发育，双歧杆菌和粪杆菌通过产生细菌素抑制病原微生物并降低犊牛的腹泻率，断奶前补充益生菌有利于犊牛肠道微生态系统的建立和稳定，减少肠道大肠杆菌数量，增加瘤胃丁酸浓度和菌群多样性[48]。细菌素还是肠道微生物间的群体感应分子，可以诱导产生菌及近缘种属微生物间的协同作用，在肠道微生态系统的竞争中获得优势。枯草芽孢杆菌产生的细菌素subtilosin抑制大肠杆菌群体感应信号的表达，从而阻止大肠杆菌生物膜的形成；细菌素也是微生物与宿主的信号肽分子，plantaricin EF促进紧密连接蛋白的表达和肠道屏障的完整性、CBP22促进了带状闭合蛋白的表达，有的细菌素可诱导肠道上皮细胞分泌抗菌肽或调控抗炎细胞因子的表达，nisin Z可以激活多种信号通路诱导趋化因子的释放[49]。4.2细菌素对瘤胃甲烷和氨态氮的影响瘤胃中的产甲烷菌利用氢、二氧化碳或甲酸盐生产甲烷，甲烷排放造成反刍动物2%~12%的总能损失。细菌素抑制产甲烷菌，从而减少反刍动物瘤胃甲烷的排放。绵羊日粮中加入nisin可以减少10%甲烷排放量，与对照组相比，nisin处理组显著降低了摄入总能的损耗[49]。nisin抑制甲烷的产生但不会影响瘤胃纤维发酵，同时使瘤胃内的丙酸浓度显著增加，乙酸/丙酸比例显著降低，这可能也是甲烷减少的原因之一[50]。LEE等[51]报道，细菌素bovicin HC5减少了体外试验中瘤胃细菌50%甲烷产量，并且对瘤胃产甲烷菌的抑制是非选择性的。AZZAZ等[52]报道，乳酸乳球菌EGY_NRC4产生的细菌素和商业化细菌素NISEEN-S分别降低了母羊瘤胃甲烷产量，增加了中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、干物质以及有机物消化率；这两种细菌素还降低了瘤胃氨氮浓度，抑制了氨基酸的脱氨反应，增加了挥发性脂肪酸的产量和养分消化率；母羊日均产奶量、饲料利用率、奶总固形物、脂肪、乳糖含量均显著提升。反刍动物对氮的平均利用效率约为25%，大多数摄入的氮以尿素的形式排出，瘤胃微生物降解日粮蛋白质和氨基酸产生氨气，氨气浓度高会影响瘤胃的正常生理功能甚至引起动物氨中毒[53]。高效产氨菌斯氏梭菌、嗜胺梭菌、厌氧消化链球菌的脱氨基活性可达到300 nmol氨气/(min·mg蛋白质)，瘤胃中大量氨基酸的脱氨基作用导致微生物蛋白合成不足和反刍动物氮利用率的降低[54]。细菌素nisin和bovicin HC5可以抑制斯氏梭菌、厌氧消化链球菌等高效产氨菌，从而降低瘤胃内氨基酸的降解，减少氨态氮的产生[55]。溶纤维丁酸弧菌JL5抑制斯氏梭菌生长，造成靶细胞膜孔洞的形成和钾离子外流，并可减少瘤胃细菌氨气的产生[56]。nisin可以在不影响纤维降解菌和养分消化率的条件下改善瘤胃发酵，提高湖羊氮和能量利用率，增加湖羊采食量和肝脏重量[57]。莫能菌素常用于反刍动物，可减少瘤胃氨的产生，但莫能菌素会降低干物质采食量和奶脂率，抑制纤维降解菌的活性。而nisin不仅减少瘤胃氨基酸脱氨，对干物质消化率和革兰氏阴性纤维降解菌等也没有负面作用[58]。4.3细菌素对奶牛乳房炎的影响细菌素还被用来预防反刍动物代谢紊乱如瘤胃酸中毒、胀气等，也用于奶牛乳头病原微生物的控制[59]。金黄色葡萄球菌、停乳链球菌、乳房链球菌是常见的导致奶牛乳房炎的病原微生物，乳房炎导致产奶量的下降和牛奶体细胞数的增加，给奶牛养殖业带来巨大的经济损失[7]。细菌素对引起奶牛乳房炎的病原菌有较强的抗菌活性，可以减少乳房炎的发病率[60]。nisin处理奶牛乳头减少了乳头表面葡萄球菌、链球菌和总细菌数量，而且与罗伊氏菌素有较强的协同效果[59]。bovicin HC5对导致传染性乳房炎的葡萄球菌和链球菌抗菌效果明显，但是对于大肠杆菌没有抗菌活性[61]。陈宏伟等[62]从鲜牛乳和乳制品中筛选得到5株乳酸菌，产生的细菌素在酸性条件下对金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌活性。乳酸乳球菌素lacticin 3147能够有效降低奶牛乳汁中的病原菌数量，显著减少干奶期奶牛的病原菌感染[63-64]。5结论细菌素是细菌通过核糖体合成的抗菌活性小肽，广泛存在于反刍动物瘤胃中。细菌素可以调控瘤胃碳水化合物和氨基酸代谢等，对金黄色葡萄球菌等致病菌具有良好的抗菌活性。随着研究的深入，越来越多的细菌素被发现，未来细菌素在预防和治疗反刍动物疾病、改善瘤胃健康、提高生产性能等方面将发挥更大的作用。