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麦康森:养殖鱼类蛋白质高效利用调控机制的研究进展

  2016年3月28日,由中国水产学会水产动物营养与饲料专业委员会、中国水产科学研究院淡水渔业研究中心主办,通威股份有限公司、广州市信豚水产技术有限公司、无锡华诺威动物保健品有限公司联合承办的“第五届华东地区水产动物营养与饲料科技论坛”在无锡市锡州花园举行。国内饲料营养界的大咖云集,各种关于饲料营养话题的探讨让现场的500多位饲料营养界认识受益匪浅。为了让没到场的朋友也能学习借鉴,小编特地做好现场听课笔记,与大家共享。



  以下是中国工程院院士麦康森所做报告的听课笔记,干货来啦!


  中国是世界第一的水产养殖大国,占了世界的70%,也是水产饲料生产大国,鱼粉消化大,但是我们中国每年生产的鱼粉是有限的,主要依赖进口。减少对鱼粉的依赖,降低饲料的成本,是我们中国水产饲料营养研究的核心问题,也是世界的核心问题。


  30年前,全世界的鱼粉用于水产养殖的小于10%,但是现在超过60%,鱼油超过80%,也就是说,我们的鱼粉基本都是给水产养殖消耗掉的。对中国来说,这也是一个非常严重的问题,中国在世界上来说是最缺乏鱼粉的,所以我们每年有80%的鱼粉要靠进口。如何取代鱼粉,这虽然是个世界难题,但首先是中国人的难题。


  大家都知道,如果配方里面鱼粉含量少,鱼就不爱吃。饲料中不用鱼粉,我们会遇到一系列困难。从营养学的角度来说,会面临适口性差,营养的消化率降低,氨基酸不平衡,含有抗营养因子等问题。我们如何克服这个问题,如何提高非鱼粉蛋白的利用效率,这是我们课题的核心。


  这个养殖鱼类蛋白质高效利用的调控机制的项目包括三个课题。


  第一个是鱼类的摄食选择与消化道健康;


  第二个是鱼类蛋白质代谢的信号调控机制;


  第三个是鱼类蛋白质高效利用的能量学机制。


  我们核心关键的科学问题,就是鱼类对蛋白的营养感知与代谢调控。鱼类是如何感知饲料产生的变化?它感知以后又是如何调控对蛋白的代谢?如果我们知道这种机制,那么我们就有可能找到提高蛋白利用效率的办法。我们知道这不是个简单的问题,因此我们启动了国家重大基础研究(973)项目。这个项目计划由中国海洋大学、中国科学院水生生物研究所、华东师范大学、华中农业大学承担,广东海洋大学、西北农林大学、四川农业大学、云南农业大学、中国农业科学院饲料研究所、浙江农业科学院组成的40多人的团队。


  要保证蛋白质的高效利用,首先要解决适口性问题,要研究这条鱼,它为什么爱吃某些饲料,不爱吃另一种饲料?它选择的机制是什么?


  对于某些东西,它爱吃但是不一定有利于它的消化与健康,消化道对不同食物的反应都是不同的,怎样才能做出既让它爱吃又有利它的健康的饲料,来保证食物的摄入与利用。在它摄入以后,具体的代谢是如何感知消化吸收的营养素


  营养素被消化吸收的过程中是耗能的,在营养素里面的蛋白质、脂肪会提供的。在水产饲料里面,最贵的能量来源是蛋白质,最便宜的是碳水化合物,脂肪也是很好的来源,那么我们如何利用能源来提供分解、代谢、合成利用所需的能耗,来进一步提高对蛋白的利用效率?这涉及到能量学的问题,从摄食、消化吸收到利用的过程,串起来考虑我们的三个课题。


  经过两年的研究,我们来看我们的课题的研究任务及完成情况,在2014年,我们完成的有几个方面,如“鱼类食欲调节因子及其受体基因的克隆和鉴定”和摄食有关;“鱼类肠黏膜免疫效应分子基因的克隆鉴定”,我们选择了三种有代表性的鱼,分别是肉食性、草食性、杂食性三类鱼做研究,对其主要的蛋白源的消化率进行测定,在摄食消化以后,对体内的氨基酸做分析,与主要氨基酸运输载体建立重要的关系。摄食以后,我们对蛋白的代谢的主要内分泌调控因子的作用机制进行研究,看它与内分泌系统的关系,也通过营养干预诱导建立鱼类肥胖和消瘦模型,及基因表达变化来看基因表达的情况,这都是通过能量学的角度来做的。


  2015年我们研究鱼类味觉受体信号通路以及食性分化机理、鱼类肠道细胞紧密连接蛋白的信号途径、主要抗营养因子对鱼类肠黏膜免疫分子组成的改变及其作用机制;鱼类TOR信号系统关键信号分子的克隆鉴定和功能分析;鱼类氨基酸应答通路关键信号分子的克隆鉴定和功能分析;不同野生或突变品系对蛋白质代谢关键酶类的克隆鉴定和功能分析;在不同生理状态下研究几种主要脂肪酸在组织和细胞中的分解产物;探讨不同细胞器对不同脂肪酸的分解效果;克隆并鉴定鱼类脂滴代谢过程中的阶段标志性蛋白。


  为什么会分为肉食性、草食性、杂食性的鱼类,由什么决定?我们比较了三种食性不同的鱼,包括草鱼,杂食性的斑马鱼和肉食性的鳜鱼味觉受体基因的变化。通过对草鱼,杂食性的斑马鱼T1R1(鲜味)、T1R3(甜味)基因结构比较分析,得出三种鱼类T1R3基因外显子数目和长度高度保守,鳜鱼T1R1基因与斑马鱼、草鱼相比较,缺少第6个内含子,所以肉食性、草食性、杂食性会有显著的不同。此外鳜鱼T1R1、T1R3基因的内含子序列较短。


  所以这反映鱼类习性的不同造成其味觉的差异。草鱼是转食的,味觉的基因会有显著的变化。在苗期的时候草鱼T1R1鲜味表达基因非常高,到后期转为吃草的时候鲜味基因的表达明显下降,所以食性与味觉受体基因的表达有很大的关系。


  我们在想,如果我们把肉食性鱼类的鲜味基因挑走,那会不会让肉食性鱼类改为吃草?这是很有意思的。


  我们在用植物原料做饲料的时候会发现与的消化道容易受损,大豆中的主要抗营养因子7S或者11S通过氧化损伤引起肠炎,降低了鱼类生产性能。其中7S引起了蛋白质氧化损伤,揭示了启动Nrf2信号引起的胞质氧化产物移出能力应激性升高的作用机制,但清除自由基、抗氧化酶基因表达和能力没有影响或适应性下降,所以会有氧化损伤的产生。在后肠也导致了后肠蛋白和脂肪的严重氧化,清除相关自由基产物的活力下降,氧化产物的移出能力和应激性提高,造成严重的氧化效果。


  对于豆粕替代鱼粉对肠黏膜免疫功能的影响,我们发现豆粕诱导的草鱼肠炎具有自愈现象,前驱期促炎细胞因子表达占主导,7~10天后,是肠炎表达最明显的时期,抗炎细胞因子逐步占优势;到11~14天,促炎细胞因子逐步弱化到消失,抗炎因子占主导地位。


  对于豆粕替代鱼粉对大菱鲆消化道微生物群落组成的影响,我们发现高浓度豆粕替代鱼粉可以改变大菱鲆肠道菌结构,菌群不同分类水平的物种相对丰度。其中,在对种水平上肠道菌群分析发现豆粕组中部分致病菌相对丰度高于鱼粉组,且均是能够引起肠道炎症和疾病的致病菌,但是部分益生菌在豆粕组的相对丰度高于鱼粉组。


  再看看草鱼消化道益生菌的分离,我们从草鱼肠道分离出4株枯草芽孢杆菌,发现其中两株(GC-21或者GC-22)的肠粘液粘附能力较强,并且具有诱导抗炎因子,同时抑制促炎因子表达的能力,可作为肠粘膜免疫增强剂或者免疫基因表达体内载体的候选。


  接下来我们研究蛋白质的代谢。我们知道,生物摄食以后,会影响其体内游离氨基酸库,会直接影响氨基酸的程度和浓度。如果生物体内氨基酸浓度足够高的时候可以促进蛋白质的合成,会抑制蛋白的分泌。但是当饥饿与体内氨基酸浓度不平衡的时候,会促进蛋白的分解。我们做的鱼粉饲料或者植物蛋白饲料或者是植物蛋白兼氨基酸平衡的饲料的研究时,我们遗憾地发现植物蛋白饲料或者是植物蛋白兼氨基酸平衡的饲料都无法达到鱼粉饲料对体内氨基酸库里的游离氨基酸的量。所以以植物蛋白为主的蛋白源的游离氨基酸不够,说明非鱼粉蛋白源会降低合成代谢,影响蛋白质的利用。这主要有两个通路,一个是和TOR信号系统有关,另一个是氨基酸应激通路和蛋白的分解代谢有关。


  鱼粉蛋白容易产生游离氨基酸的浓度,如果峰值足够高的时候,他将会激活TOR信号系统,就有利于蛋白质的合成和代谢。但是用非鱼粉蛋白的时候,离氨基酸的浓度不足以启动TOR信号系统,但是它会氨基酸应激通路,就会抑制蛋白质的合成和代谢。


  我们知道在生长过程中不仅仅受消化的影响,也会受到内分泌的调控。以斑马鱼为例,一系列的内分泌因子里面,有三个因素与个体生长是有关系的。如果我们敲除斑马鱼的SOCS1a基因,我们发现会消耗其脂肪组织,并且杂合子个体增大。


  此外,维生素D也与蛋白合成代谢的内分泌调控具有重要联系。当维生素D缺乏的时候,会造成鱼类典型的生物激素抵抗症,腹部脂肪含量显著上升。SOCS基因的表达也显著升高。植物蛋白取代鱼粉或者鱼油的时候,我们要额外补充维生素D3,我想这是很好的启发。


  下面是鱼类蛋白的高效利用能量学习,我们知道陆生动物和水生动物有很大的不同,水生动物的主要能量来源是蛋白,反而对糖和脂肪的利用不高。我想,如果我们知道鱼类脂肪功能代谢关键调控位点,利用糖和脂肪去提供能量,是非常好的事情,当然这是我的设想。


  在陆生动物中,存在脂肪功能的关键调控位点,如果我们能找到鱼类的主要脂肪功能代谢关键调控位点在哪,那我们就可以找到控制办法,通过脂肪为鱼类供应能量。


  如今我们的高能饲料的脂肪对于鱼体的消耗并没有得到充分的分解,而更多的是沉积于脂肪组织,这仅仅是增加鱼类脂肪细胞数量而已。通过进一步的研究,我们发现PPARα可以促进鱼体脂肪的分解,相反PPARγ会促进鱼体脂肪的沉积。找到了脂肪代谢的关键节点,我们对鱼类基因家族调控会越来越好,将来的高能饲料会促进蛋白的利用效率,同时也能保证鱼类的健康。


  此外,我发现不同的鱼的脂肪分布位置不一样,不同的部位会有不同的生理意义。目前,在鱼类中,脂肪组织究竟在何处分布,是否存在脂肪组织,至今尚未有定论。


  END


  1、来源: 腾氏水产商务网-当代水产杂志社


  2、作者: 程纯明 庞涛 编辑整理


  3、腾氏水产商务网微信号:tsfish  


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