錳對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物生長(zhǎng)、免疫與抗應(yīng)激的影響

陳曉丹, 冼健安, 茍妮娜, 王安利

(華南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 廣東省水產(chǎn)健康安全養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東省高等學(xué)校生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510631)

錳對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物生長(zhǎng)、免疫與抗應(yīng)激的影響

Effects of Manganese on growth, immunity and anti-stress of aquatic animals

陳曉丹, 冼健安, 茍妮娜, 王安利

(華南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 廣東省水產(chǎn)健康安全養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東省高等學(xué)校生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510631)

隨著我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)集約化和規(guī)?；陌l(fā)展,高密度養(yǎng)殖中投喂頻率增加, 投飼量增大, 消毒劑和藥物濫用等帶來(lái)了養(yǎng)殖環(huán)境的不斷惡化, 致使養(yǎng)殖水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物應(yīng)激因素增多, 病害滋生, 嚴(yán)重阻礙水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[1,2]。因而尋求節(jié)約減排、安全高效、抗逆抗病抗應(yīng)激的無(wú)公害健康養(yǎng)殖模式[3]已成為研究熱點(diǎn)。

錳(manganese, Mn)是多種酶的必需組分和激活劑, 對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物維持生命活動(dòng)和生長(zhǎng)發(fā)育有重要作用[4]。近年來(lái)一些研究證實(shí), 錳還在提高免疫力、抗應(yīng)激能力方面有特殊的作用。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果, 對(duì)錳在水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物生長(zhǎng)、免疫和抗應(yīng)激能力的作用及相關(guān)機(jī)制進(jìn)行闡述, 以期為促進(jìn)錳生物學(xué)功能的深入研究, 將其納入無(wú)公害健康養(yǎng)殖模式提供參考。

1 錳對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物生長(zhǎng)的影響

1.1 錳對(duì)物質(zhì)代謝的影響

錳是精氨酸酶、脯氨酸肽酶、丙酮酸羧化酶、核糖核酸聚合酶等的組成成分, 也是體內(nèi)多種酶的激活劑, 可激活特定酶(如糖基轉(zhuǎn)移酶等)或非特定酶(如激酶、水解酶、脫羧酶等)[5～7]。錳通過(guò)這些酶參與蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂肪、核酸的代謝及維生素B、C、E的合成, 如 1分子丙酮酸羧化酶在 4個(gè) Mn2+參與組成下, 可催化丙酮酸生成草酰乙酸, 打通丙酮酸異生為葡萄糖的道路[8]; 又如法尼酰轉(zhuǎn)移酶以錳作為激活劑, 催化 牛兒焦磷酸與異戊烯焦磷酸合成法尼焦磷酸, 進(jìn)而合成膽固醇[8,9]。

錳對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的消化酶活性具有一定作用。在5×10-3mol/L濃度下, Mn2+可明顯激活大菱鲆(Scophthalmus maximus)的腸蛋白酶[10]、三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)的蛋白酶、淀粉酶和纖維素酶, 并明顯抑制三疣梭子蟹的羧肽酶 A、B, 而對(duì)日本對(duì)蝦(Marsupenaeus japonicus)和三疣梭子蟹的胰蛋白酶活性則無(wú)顯著性影響[10～12]; 在 1×10-3mol/L濃度下, Mn2+可明顯激活三疣梭子蟹的淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶, 并明顯抑制其羧肽酶A、B和斑節(jié)對(duì)蝦(Penaeus monodon)的胰凝乳蛋白酶[12,13]; 在5×10-4mol/L濃度下, Mn2+可明顯激活三疣梭子蟹的淀粉酶、纖維素酶和羧肽酶 A,同時(shí)明顯抑制羧肽酶 B的活性[12]。關(guān)于中國(guó)對(duì)蝦(Penaeus chinensis)的實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn), 羧肽酶A的活性隨飼料錳增加而上升, 在錳添加量為80 mg/kg時(shí)達(dá)最高值, 在高于80 mg/kg時(shí)則下降[14]?？梢?jiàn)消化酶對(duì)錳含量具有一個(gè)適宜的濃度范圍; 對(duì)于不同生物種類(lèi)體內(nèi)的同一種消化酶或同一生物體內(nèi)的不同消化酶, Mn2+的作用效果并不完全一致, 且不同濃度Mn2+表現(xiàn)效果不同。

消化酶的活性與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化利用率、機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān), 但目前錳對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物生長(zhǎng)的研究多停留在飼料系數(shù)、增重率、體長(zhǎng)增長(zhǎng)率、肥胖度等宏觀層面, 由于水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的特殊性及殘餌難以準(zhǔn)確測(cè)定, 因而很難得出可靠的飼料系數(shù)。若將宏觀指標(biāo)和微觀指標(biāo)如一些消化酶的活性有機(jī)結(jié)合,可更全面、準(zhǔn)確地反映水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的生理狀況。

1.2 錳對(duì)骨骼形成的影響

錳是骨正常形成所必需的元素。它可激活多糖聚合酶和半乳糖轉(zhuǎn)移酶, 催化二磷酸尿苷-N-乙酰-半乳糖胺與二磷酸尿核苷-葡萄糖醛酸結(jié)合成多糖,對(duì)骨骼基質(zhì)的硫酸軟骨素的形成起重要作用。硫酸軟骨素是骨有機(jī)基質(zhì)黏多糖的組成成分, 其合成受阻將嚴(yán)重影響軟骨的成骨作用, 甚至導(dǎo)致骨骼畸形[5,6,8]。虹鱒(Salmo gaidnerii)和鯉魚(yú)(Cyrinus carpio)在飼料中缺錳或錳不足(4 mg/kg)時(shí)尾部畸形, 魚(yú)體變短, 而在錳含量添加至 12～13 mg/L時(shí)虹鱒的畸形受遏止[15,16]。這說(shuō)明錳對(duì)魚(yú)類(lèi)骨骼的正常發(fā)育有重要作用。

此外, 錳在魚(yú)類(lèi)骨骼中具較高含量[6,17]。這是由于在一定程度上, 脊椎骨相當(dāng)于機(jī)體的錳元素庫(kù),可在飼料錳不足時(shí)部分釋放錳供機(jī)體維持正常的生命活動(dòng)[18]。鯉魚(yú)、斑點(diǎn)叉尾(Ictalurus punctatus)、牙鲆(Paralichthys olivaceus)和黃顙魚(yú)(Pelteobagrus fulvidraco)脊椎骨的錳含量在飼料缺錳時(shí)較低, 而隨飼料錳的增加而不斷上升, 斑點(diǎn)叉尾的甚至呈線性上升[6,18,19]。因此, 可將水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物骨骼中的錳含量作為評(píng)價(jià)飼料中錳是否充分的敏感指標(biāo)。

1.3 錳對(duì)生長(zhǎng)的影響

研究發(fā)現(xiàn), 日本對(duì)蝦仔蝦在海水錳為40 μg/L時(shí)生長(zhǎng)最好[20]; 虹鱒和鯉魚(yú)在飼料中缺錳或錳不足(4 mg/kg)時(shí)生長(zhǎng)緩慢; 錳含量添加至 12～13 mg/L時(shí)虹鱒的生長(zhǎng)加速[15,16]。水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物錳的需求量因種類(lèi)不同而異(表 1), 研究結(jié)果的差異與實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)條件, 特別是與飼料組成、蝦體大小、水體物理和化學(xué)條件等因素的差異有關(guān)。提高錳生長(zhǎng)需求量研究的準(zhǔn)確性還有賴(lài)于生長(zhǎng)指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、作用機(jī)理等的不斷完善。

表1 水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物飼料錳的適宜添加量Tab. 1 Optimal Mn supplement in the diet of aquatic animals

2 錳對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物免疫的影響

2.1 錳對(duì)細(xì)胞免疫的影響

魚(yú)類(lèi)的細(xì)胞免疫主要通過(guò)淋巴細(xì)胞(主要是T細(xì)胞)和吞噬細(xì)胞(單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、粒細(xì)胞)兩大類(lèi)免疫細(xì)胞進(jìn)行[30]。對(duì)于淋巴細(xì)胞, 錳一方面通過(guò)對(duì)堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, AKP)活性的作用影響其自身代謝、吞噬和吞飲, 另一方面通過(guò)以下三種途徑影響其增殖： 1)錳可激活鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶產(chǎn)生CGMP, 選擇性促進(jìn)T細(xì)胞增殖反應(yīng)并協(xié)同增強(qiáng)其免疫功能; 2)Mn2+可與ATP的3個(gè)磷酸基結(jié)合生成Mn-ATP, Mn-ATP是腺苷酸環(huán)化酶(adenosine cyclophosphate cAMP)的底物, 而高濃度cAMP可抑制T淋巴細(xì)胞活化增殖; 3)適量Mn2+(1～10 μmol/L)時(shí)可滿足淋巴細(xì)胞增殖反應(yīng)的需求, 但濃度過(guò)高(100 μmol/L)時(shí), Mn2+與 Ca2+競(jìng)爭(zhēng)鈣調(diào)蛋白(CaM)的結(jié)合位點(diǎn), 使淋巴細(xì)胞內(nèi)CaM-Ca2+含量下降, 干擾CaM的正常調(diào)節(jié), 從而抑制T細(xì)胞的活化增殖[31,32]。對(duì)于吞噬細(xì)胞,錳鹽抑制趨化性, 影響嗜中性白細(xì)胞對(duì)氨基酸的吸收; 增加錳可提高非特異性免疫中酶的活性和巨嗜細(xì)胞的殺傷力; 缺錳則會(huì)造成白細(xì)胞機(jī)能障礙和機(jī)體特定免疫力下降。此外, 錳與刀豆素 A有絲分裂原有相互作用, 低濃度錳可提高淋巴細(xì)胞對(duì)刀豆蛋白的反應(yīng)性, 但作用機(jī)制尚不清楚[5,33]。

甲殼動(dòng)物的細(xì)胞免疫主要是血細(xì)胞的免疫作用[34], 血細(xì)胞吞噬外來(lái)病原微生物的過(guò)程中,NADPH酶被激活, 糖酵解反應(yīng)增強(qiáng), 導(dǎo)致大量活性氧(如 O2-、H2O2等)產(chǎn)生[35～37]。盡管活性氧殺菌效果很強(qiáng), 但其過(guò)量積累會(huì)損害細(xì)胞。甲殼動(dòng)物主要利用錳-超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase,Mn-SOD)、過(guò)氧化氫酶(catalase, CAT)和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)將活性氧轉(zhuǎn)化為對(duì)機(jī)體無(wú)害的 H2O與O2[9,35～37]。錳對(duì)這三種酶具一定的激活作用[40,41]。可見(jiàn), 錳在一定程度上有利于甲殼動(dòng)物維持正常的細(xì)胞免疫。

2.2 錳對(duì)體液免疫的影響

2.2.1 特異性免疫因子

抗體是脊椎動(dòng)物淋巴細(xì)胞產(chǎn)生的能與相應(yīng)抗原結(jié)合的, 具免疫功能的一類(lèi)球蛋白。目前研究表明魚(yú)類(lèi)中軟骨魚(yú)僅IgM和IgMG兩種抗體, 而真骨魚(yú)可能僅IgM一種抗體[30]。關(guān)于錳對(duì)魚(yú)類(lèi)抗體的影響研究較少, 但已有資料表明錳與抗體的合成有密切關(guān)系。錳可提高某些動(dòng)物體內(nèi)抗體的效價(jià), 缺乏或過(guò)量都會(huì)抑制抗體產(chǎn)生[5,17], 但其作用機(jī)制尚未闡明。

2.2.2 非特異性免疫因子

2.2.2.1 超氧化物歧化酶

SOD 與金屬元素(銅、鋅、鐵、錳)結(jié)合可催化O2-生成H2O2, 是機(jī)體內(nèi)關(guān)鍵性的抗氧化酶, 可作為水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物機(jī)體的免疫性指標(biāo)[38,42,43]。在SOD的多種形式中, 以 Mn-SOD的狀態(tài)最穩(wěn)定, 半衰期最長(zhǎng), 該酶主要位于魚(yú)類(lèi)線粒體和甲殼動(dòng)物的細(xì)胞質(zhì)中, 線粒體與細(xì)胞質(zhì)中的 Mn-SOD由不同基因編碼[44], 目前這兩種基因已被克隆、定位和表達(dá)[42,43]。

Mn-SOD以錳為活性中心, 缺錳會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低[41,45]。用錳不足的飼料喂養(yǎng)虹鱒, 其心肌、肝臟中的CuZn-SOD和Mn-SOD活力下降[23]; 據(jù)不同生長(zhǎng)階段添加適量的飼料錳可使凡納濱對(duì)蝦肌肉中 Mn-SOD的活性顯著上升[46]; 在多個(gè)濃度飼料錳的刺激下, 日本沼蝦(Macrobrachium nipponense)肌肉中SOD呈劑量效應(yīng)的激活, 且在錳為150 μg/g時(shí)其活性達(dá)到最高[41]; 適量的飼料錳(260 mg/kg)在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)中華米蝦(Caridina denticulata sinensis)體內(nèi) SOD的激活作用顯著, 但錳超過(guò)一定濃度,SOD活性就會(huì)降低, 隨著養(yǎng)殖時(shí)間的延長(zhǎng), 實(shí)驗(yàn)組蝦體SOD的活性反而低于對(duì)照組, 說(shuō)明飼料中添加錳表現(xiàn)出明顯的劑量效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)[32]。此外, 適量的錳還可提高異育銀鯽(Carassius auratus gibeelio)血清、黏液和肝胰臟中SOD的活性, 尤其是Mn對(duì)黏液T-SOD活性的影響甚至大于Cu、Zn、Fe[7]; 黃顙魚(yú)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與之相近[6]。其作用機(jī)制可能是少量錳進(jìn)入體內(nèi), 使機(jī)體的脂質(zhì)過(guò)氧化作用增強(qiáng), 其代謝產(chǎn)物丙二醛(MDA)增加, 機(jī)體內(nèi)的自穩(wěn)機(jī)制會(huì)使體內(nèi)抗氧化能力出現(xiàn)代償性增強(qiáng), 使 T-SOD活性代償性增高[32]。

2.2.2.2 谷胱甘肽過(guò)氧化物酶

GPX是清除羥自由基的重要抗氧化酶, 它通過(guò)催化 H2O2分解為 H2O和 O2來(lái)防止 OH-產(chǎn)生, 并將脂氫過(guò)氧化物(OROH)還原成相應(yīng) ORH, 從而減輕細(xì)胞膜多不飽和脂肪酸的過(guò)氧化作用, 以及 OROH分解產(chǎn)物所引起的細(xì)胞損傷[9,41,47]。在多個(gè)濃度飼料錳的刺激下, 日本沼蝦肌肉中GPX和SOD趨勢(shì)相似,呈劑量效應(yīng)的激活, 且均在錳濃度為 150 μg/g時(shí)活性最高[41]; 凡納濱對(duì)蝦實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)各生長(zhǎng)階段 SOD和GPX被顯著激活的最適錳濃度也一致[46]。這說(shuō)明GPX與SOD有協(xié)同作用, SOD活性的顯著升高可能伴隨GPX的升高來(lái)清除過(guò)量生成的H2O2[48]。

2.2.2.3 過(guò)氧化氫酶

CAT是初級(jí)抗氧化酶系統(tǒng)的主要成分, 與GPX一樣能清除 H2O2。組織中的過(guò)氧化物主要由 GPX來(lái)催化, 而在H2O2濃度高的情況下, 則由CAT催化[35,49]。CAT與SOD也有協(xié)同作用, SOD活性的顯著升高可能會(huì)伴隨CAT的升高來(lái)清除高濃度H2O2。在多個(gè)濃度飼料錳刺激下, 日本沼蝦肌肉中 CAT的活性也伴隨肌肉中SOD被顯著激活而提高并呈明顯劑量效應(yīng)的激活, 且二者在錳濃度為 150μg/g時(shí)活性均最高[41]。

2.2.2.4 堿性磷酸酶

AKP是一種非特異性磷酸水解酶, 能催化磷酸單脂的水解及磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移反應(yīng), 對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物吸收水中鈣質(zhì)、形成磷酸鈣、分泌及形成甲殼素具有重要作用[50]。據(jù)報(bào)道, 海水中添加不同濃度錳均能提高AKP酶的活性; 根據(jù)不同生長(zhǎng)階段添加適量的飼料錳對(duì)凡納濱對(duì)蝦的AKP活力均有顯著的激活作用[30]; 中國(guó)對(duì)蝦仔蝦和日本對(duì)蝦仔蝦的AKP活性分別在海水中錳濃度為20 μg/L和40 μg/L時(shí)達(dá)到最高, 錳濃度太高則抑制其活性[53,54]。

2.2.2.5 溶菌酶

溶菌酶(lysozyme, LSZ)通過(guò)酶解病原體細(xì)胞壁的黏多糖將其殺死, 是抵抗細(xì)菌病毒感染的非特異性免疫調(diào)節(jié)因子, 其水平和活性直接關(guān)系到水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的免疫力和健康[52,53]。據(jù)不同生長(zhǎng)階段添加適量的飼料錳可顯著激活凡納濱對(duì)蝦的 LSZ活力[46]; 50mg/kg的錳能使黃顙魚(yú)血清中LSZ的活力最高[6]; 錳為60mg/kg時(shí)異育銀鯽黏液、血清中的LSZ活力最高, 且前者明顯高于后者。這可能是由于黏液作為魚(yú)體的第一道免疫屏障, 活力較高的黏液 LSZ對(duì)水體環(huán)境細(xì)菌具較強(qiáng)的殺滅和抵抗作用[17]。

3 錳對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物抗應(yīng)激的影響

水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物長(zhǎng)期處于應(yīng)激狀態(tài)會(huì)使其免疫系統(tǒng)受抑制, 易受病原體侵染, 所以如何增強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的抗應(yīng)激能力來(lái)抵抗日益惡化的養(yǎng)殖環(huán)境對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展起重要作用[53,54]?？寡趸概c水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的抗應(yīng)激能力密切相關(guān)。對(duì)蝦感染白斑綜合征病毒后, 體內(nèi)CAT等多種抗氧化酶活性發(fā)生變化[55,56]; 給對(duì)蝦飼喂免疫增強(qiáng)劑后, 其體內(nèi)SOD的抗氧化活性上升, 且感染細(xì)菌病毒后的存活率升高[38,57]。這提示CAT、SOD可能參與對(duì)蝦抵御病原的免疫反應(yīng), 可能是通過(guò)及時(shí)清除活性氧來(lái)保障免疫細(xì)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡、信號(hào)的正常傳導(dǎo)及免疫相關(guān)基因的正常轉(zhuǎn)錄表達(dá), 從而提高對(duì)蝦對(duì)病原的抵抗能力[58]。

錳在應(yīng)激條件下對(duì)抗氧化酶有一定作用。以不同錳添加量的飼料投喂日本沼蝦 30d后低氧脅迫組肌肉中 SOD、GPX、CAT的活性均相對(duì)較高, 且均隨錳濃度的增加而呈先升后降的變化趨勢(shì), 在錳為150 μg/g時(shí)達(dá)到最高值[46]; 在不同濃度多聚磷酸鈉脅迫下, 飼料有錳(150 μg/g)組的中華米蝦的SOD、活性也始終比無(wú)錳組的要高。這表明適量的飼料錳可在一定程度上激活抗氧化酶, 增強(qiáng)機(jī)體對(duì)環(huán)境脅迫的抵抗能力[59]。

4 問(wèn)題與展望

綜上所述, 錳是多種酶的必需組分和激活劑,需求量不多, 但對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的生長(zhǎng)、免疫和抗應(yīng)激有重要的影響。目前, 關(guān)于錳的系統(tǒng)研究較有限,部分生長(zhǎng)免疫作用機(jī)理尚不十分清楚, 對(duì)抗應(yīng)激影響的研究還處于起步階段, 許多問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究, 如錳對(duì)甲殼動(dòng)物的殼是否具有影響、作用機(jī)制、錳與補(bǔ)體的關(guān)系、生長(zhǎng)免疫的綜合需求量以及在各種應(yīng)激因素作用下錳的需求量等。隨著分子生物學(xué)和生物化學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 有關(guān)錳與基因表達(dá)與調(diào)控機(jī)理的研究應(yīng)引起營(yíng)養(yǎng)學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。

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S963.1

A

1000-3096(2010)10-0108-06

2010-03-02;

2010-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(30671628); 廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合資助項(xiàng)目(2006D90204005); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAD29B06); 廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2007B020708013);廣東省重大科技專(zhuān)項(xiàng)(20090204); 廣州市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009Z1-E681)

陳曉丹(1986-), 女, 廣東汕頭人, 碩士研究生, 從事水生動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)免疫學(xué)與環(huán)境營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究, E-mail： youxincxd@126.com; 王安利,

, E-mail： wanganl@scnu.edu.cn

(本文編輯： 康亦兼)