植物縮合單寧對草食動物的抗寄生蟲性

王文霞 周 冉 劉寶慶 劉樹強(qiáng) 張 東 李 凱 胡德夫*

(1.北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，北京 100083;2.陜西片仔癀麝業(yè)有限責(zé)任公司，寶雞 721000)

植物單寧(vegetable tannin)又稱植物多酚(plant polyphenol)，廣泛存在于眾多植物種群，尤其是在豆科植物和木本植物的嫩枝芽部位。植物單寧與植食動物的采食防御機(jī)制密切相關(guān)，是植物進(jìn)化過程中衍生出來的一種自身保護(hù)性的次生代謝物質(zhì)，是動植物協(xié)同進(jìn)化的產(chǎn)物［1-3］。根據(jù)單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能將其分為2大類:水解單寧(hydrolysable tannins，HT)和縮合單寧(condensed tannins，CT)。后者是最常見的單寧類型。高含量的單寧不利于單胃動物和反芻動物的消化和生理，通常會降低草食動物采食量、消化率、身體發(fā)育和產(chǎn)毛量等。

研究表明，植物縮合單寧對草食動物的胃腸道寄生蟲(gastrointestinal parasites，GIP)具有抑制作用［4-6］。究其原因，胃腸道寄生蟲是制約草食家畜生長發(fā)育及生產(chǎn)性能的重要因素，感染胃腸道寄生蟲會嚴(yán)重影響動物的營養(yǎng)吸收，導(dǎo)致腹瀉、食欲低下、貧血、體重下降甚至死亡［7-9］。傳統(tǒng)上，家畜飼養(yǎng)業(yè)采用化學(xué)驅(qū)蟲劑控制寄生蟲感染，獲得了顯著的成效。然而，源于連續(xù)使用驅(qū)蟲劑造成的抗藥性［10-14］及公眾對食品中藥物殘留的關(guān)注等原因，已有研究者著手探索控制家畜寄生蟲的替代方法［15-17］。植物縮合單寧廣泛存在于植物界，是動物與植物相互作用的重要環(huán)節(jié)。而且大量研究表明，縮合單寧可通過直接或間接作用抑制胃腸道寄生蟲數(shù)量并提高動物的生產(chǎn)性能［6，18-21］。由此可見，縮合單寧有望成為草食家畜寄生蟲防控的新途徑［19-23］及動植物協(xié)同進(jìn)化的新切入點［20-21］。

1 植物縮合單寧的結(jié)構(gòu)及存在方式

植物縮合單寧是碳-碳鍵連接起來的黃烷酮寡聚體和多聚體［3，22］，通常由 10～12 個低聚物組成，且相對分子質(zhì)量是 2 000～4 000［22］，它是以黃烷-3醇類(焦兒茶酸)或黃烷-3，4二醇類(表兒茶酸)的低聚物存在?？s合單寧的不同組成產(chǎn)生了多種多樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)，也形成了物理和生物化學(xué)特性上的差異。

縮合單寧廣泛存在于雙子葉植物的細(xì)胞壁或莖桿、樹皮、花和種子的胞液中，熱帶和亞熱帶喬灌木含量最高，豆科植物(如紅豆草、百脈根和小冠花)、油菜籽及高梁含量次之，小麥、白苜蓿和黃苜蓿等含量較低，鮮見于禾本科植物［21］。研究表明，不同植物和部位中縮合單寧的類型和含量均有很大的差異，且其含量隨生長環(huán)境和階段不同而改變［22-25］。普遍認(rèn)為豆科植物和木本植物所含縮合單寧顯著高于其他植物種群［25-26］。

2 植物縮合單寧的抗寄生蟲性及其作用機(jī)制

2.1 植物縮合單寧的抗寄生蟲性

研究者采用植物縮合單寧或其粗提取物，通過體內(nèi)或體外試驗方法，對植物縮合單寧進(jìn)行蟲卵孵化測試(egg hatch assay，EHA)、幼蟲攝食抑制試驗(larval feeding inhibition assay，LFIA)、幼蟲發(fā)育試驗(larval development assay，LDA)、Ⅲ期幼蟲遷移抑制試驗(larval migration inhibition assay，LMIA)或者成蟲活力抑制試驗(adult motility inhibition assay，AMIA)，結(jié)果證實了縮合單寧具有抗寄生蟲的功效［4，27-43］。

在動物體內(nèi)試驗中，富含單寧的白堅木(Aspidosperma quebracho)樹皮提取物可以有效抑制Ⅲ期幼蟲在寄主體內(nèi)的定居［30，44］，降低線蟲的繁殖力和蟲卵產(chǎn)量［30-33］。蓮花(Lotus spp.)和紅豆草(Onobrychis viciifolia)的縮合單寧提取物對牛體內(nèi)的線蟲有顯著的抑制作用［45］。Kabasa等［46］研究表明，縮合單寧對山羊體內(nèi)的寄生蟲具有顯著的抑制作用，且山羊可以選擇適宜含量或者類型的縮合單寧減緩寄生蟲壓力。聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)能有效地結(jié)合單寧并抑制其生物活性。Makkar等［34］的研究表明，在富含單寧的食物中添加適當(dāng)劑量PEG可抑制單寧結(jié)合瘤胃中的蛋白質(zhì)，增加瘤胃中蛋白質(zhì)的發(fā)酵并生成大量氣體。有試驗表明，山羊飼喂添加PEG的飼料導(dǎo)致其糞便內(nèi)蟲產(chǎn)卵量增加，機(jī)體生長發(fā)育減緩［46］，從而可見單寧有抗寄生蟲的功效?，F(xiàn)有大量體外研究證明，PEG可使植物提取物的抗寄生蟲性失效［36，39-40］。

在動物體外試驗中，將白堅木［35］、管狀巖黃芪［36］、菊苣［37-38］或者其他木本植物［39］的提取物添加到培養(yǎng)基中，被測試的寄生蟲受到明顯抑制且抑制效果具有劑量依賴性。從菊苣［37］、豆科植物［40］或者綠茶［41］中提煉的縮合單寧對Ⅲ期幼蟲的遷移產(chǎn)生了抑制作用，且具有劑量依賴性。豆科植物中提取的縮合單寧能影響蛇形毛圓線蟲卵孵化和幼蟲發(fā)育［4］。桑寄生(Viscum verrucosum)、槲寄生(Tapinanthus oleifolius)和扁擔(dān)桿屬椴樹科(Grewia flava)所含縮合單寧能抑制蟲卵孵化、幼蟲發(fā)育和幼蟲遷移［6］。綠茶［41］和紅豆草［43］的縮合單寧提取物能抑制幼蟲遷移。以黃烷-3-醇和沒食子酸形式存在的縮合單寧提取物能抑制體外培養(yǎng)的蛇形毛圓線蟲的卵孵化，加大劑量則能夠顯著影響其幼蟲發(fā)育和Ⅲ期幼蟲遷移［47］。

2.2 植物縮合單寧的抗寄生蟲作用機(jī)制

動物的體內(nèi)外試驗已經(jīng)充分證明縮合單寧的抗寄生蟲性，迄今有關(guān)縮合單寧的抗寄生蟲機(jī)制仍缺乏深入的了解?？偨Y(jié)迄今的研究結(jié)果，我們將現(xiàn)有的植物縮合單寧的抗寄生蟲機(jī)制歸納為2種假說。

其一為營養(yǎng)免疫假說，即縮合單寧能結(jié)合并保護(hù)蛋白質(zhì)在反芻動物的瘤胃內(nèi)不被降解，使蛋白質(zhì)流向小腸，促進(jìn)氨基酸的吸收［20，48］，提高了動物機(jī)體獲取營養(yǎng)物質(zhì)的能力［49］，增強(qiáng)了感染寄生蟲個體的抵抗力及免疫力。因此，適量攝食縮合單寧可提高營養(yǎng)物質(zhì)的利用率并增強(qiáng)機(jī)體的抵抗力，被認(rèn)為是縮合單寧的間接抗寄生蟲作用。Tibe等［50］通過體內(nèi)試驗證明，扁擔(dān)桿屬椴樹科和桑寄生科的縮合單寧提取物可以刺激幼年山羊血液中T細(xì)胞數(shù)量增加且能夠提高其先天的免疫應(yīng)答。然而，有關(guān)縮合單寧的營養(yǎng)免疫假說仍缺乏足夠的試驗證據(jù)，有限的試驗結(jié)果仍具有不確定性［30，51-54］。

其二為代謝阻斷假說，即縮合單寧能夠影響寄生蟲的許多重要生物學(xué)過程。該假說得到許多體外研究的支持，尤其是山羊和綿羊的短期體內(nèi)試驗［30，33，35］?？s合單寧可結(jié)合蛋白質(zhì)并改變其理化性質(zhì)，線蟲的角質(zhì)層富含脯氨酸和羥脯氨酸結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)覆蓋了蟲體、口腔、食道、泄殖腔和外陰［52］，縮合單寧與這些部位的蛋白質(zhì)結(jié)合并損害其正常生理過程。通過掃描電子顯微鏡，研究者觀察到寄生蟲遇到縮合單寧后的表皮蛋白的損傷性變化［55］。這一試驗結(jié)果可以解釋，在寄主感染寄生蟲的早期，植物單寧可以完全抑制或延遲了Ⅲ期幼蟲的脫鞘，而加入PEG后這種作用就消失的試驗現(xiàn)象［56］。在秀麗隱桿線蟲中的試驗表明，鞣花酸單寧能夠明顯損傷線蟲的消化道和生殖道［57］。同時，縮合單寧可抑制蛋白酶活性，從而干預(yù)線蟲的重要代謝途徑中活性酶的分泌，影響線蟲的生存［35］。

目前，縮合單寧抗寄生蟲的作用機(jī)制仍然沒有定論，其效果會因寄生蟲種類、發(fā)育階段、植物的生物化學(xué)特性等因素不同而有所差異［58］。

3 影響植物縮合單寧抗寄生蟲性的因素

土壤類型、氣候、植物種類及其他的環(huán)境因素都會影響縮合單寧的生物合成途徑［59］，從而影響其化學(xué)結(jié)構(gòu)和含量［60］?？s合單寧的結(jié)構(gòu)和含量是影響其抗寄生蟲效果的 2大主要因素［48，61］。同時，寄生蟲的種類和發(fā)育階段及寄主胃腸道環(huán)境等因素也影響著縮合單寧的抗寄生蟲性。

3.1 植物縮合單寧的含量

有關(guān)綿羊、山羊［59］和鹿［19，62］的研究表明，飼糧中植物縮合單寧的含量至少達(dá)到30～40 g/kg(干物質(zhì)基礎(chǔ))才會表現(xiàn)出抗寄生蟲活性。綜合部分研究［18，23，31-32，35，63-66］的結(jié)果，與采食不含縮合單寧的飼糧相比，采食縮合單寧飼糧(45～55 g/kg干物質(zhì))的綿羊和山羊的糞便蟲卵數(shù)(fecal egg count，F(xiàn)EC)減少了約50%;當(dāng)飼糧縮合單寧含量增加到55g/kg(干物質(zhì)基礎(chǔ))以上時，驅(qū)蟲效果會有所加強(qiáng);當(dāng)飼糧縮合單寧含量降到30 g/kg(干物質(zhì)基礎(chǔ))以下時，F(xiàn)EC變化不再明顯。

在研究夜關(guān)門(Lespedeza cuneata)中所含縮合單寧對山羊FEC的作用時發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，夜關(guān)門使山羊的FEC從168×104個/d降低至66×104個/d，下降幅度達(dá) 61%［23，63］。Min 等［58］指出，F(xiàn)EC的減少通常與飼草縮合單寧含量相關(guān)，但采食過量的植物次生代謝物對寄主健康不利。Athanasiadou等［35］對綿羊飼喂含有 16%白堅木的飼草，結(jié)果顯示對食欲的負(fù)面影響超過了抗寄生蟲性帶來的正面影響?？s合單寧可改變綿羊的采食行為和蛋白質(zhì)過瘤胃的比例，進(jìn)而影響營養(yǎng)和生理反應(yīng)。因此，適量攝入縮合單寧(3%～6%干物質(zhì))通常對寄主生理、生長、產(chǎn)毛量或者產(chǎn)奶量都有好處，而大量縮合單寧(7%～8%干物質(zhì))則會抑制寄主取食，擾亂消化生理，降低消化率和生產(chǎn)能力［20，48］。因此，必須綜合考慮縮合單寧的利與弊［35］，一般認(rèn)為，含5%縮合單寧的飼糧可減少感染性寄生蟲對牧草的污染，并降低了驅(qū)蟲劑的使用量。

3.2 植物縮合單寧的結(jié)構(gòu)特性

縮合單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)是影響其生物活性的重要因素之一［60，67］。縮合單寧是由碳-碳鍵連接起來的黃烷酮寡聚體和多聚體，相對分子質(zhì)量較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)結(jié)構(gòu)單元環(huán)上的取代基種類、數(shù)目及位置的不同，可將縮合單寧分為3大類。第1類是原花青素，以(表)兒茶素為基本結(jié)構(gòu)單元;第2類是原翠雀定，以(表)掊兒茶素為基本結(jié)構(gòu)單元;第3類是原天竺葵定，以(表)阿福豆素為基本結(jié)構(gòu)單元［68］。黃烷-3-醇單體試驗表明，原翠雀定和原花青素在縮合單寧中的比例會影響其抗寄生蟲的效果。Molan等［42］的研究證實，原翠雀定較之原花青素對不同階段的寄生蟲的抑制效果更加明顯。一些試驗研究比較了多種富含單寧的豆科植物，證實原翠雀定所占比例高于原花青素的酚類植物對胃腸道寄生蟲具有更好的寄生蟲抑制效果［42-43］。

3.3 寄生蟲種類和發(fā)育階段

許多研究表明，植物所含的單寧對不同線蟲的抑制效果存在顯著的差異。以白堅木為縮合單寧來源飼喂已感染寄生蟲的綿羊，觀察到腸道內(nèi)的線蟲(巴斯特細(xì)頸線蟲和蛇形毛圓線蟲)繁殖力降低和數(shù)量減少，然而皺胃內(nèi)的線蟲(環(huán)紋背帶線蟲和捻轉(zhuǎn)血矛線蟲)卻沒有任何變化［31-32，35］。同樣處理，單寧降低了山羊體內(nèi)蛇形毛圓線蟲的成蟲和捻轉(zhuǎn)血矛線蟲的成蟲繁殖力［30，33］，但對環(huán)紋背帶線蟲沒有影響［30］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比較，山羊在感染Ⅲ期幼蟲前攝入縮合單寧，其體內(nèi)的捻轉(zhuǎn)血矛線蟲、環(huán)紋背帶線蟲和蛇形毛圓線蟲分別減少 33%、70%和 66%［30，33］。圈養(yǎng)條件下，馬鹿皺胃中的艾氏毛圓線蟲比環(huán)紋背帶線蟲對縮合單寧更敏感［69］。可見，寄生蟲幼蟲剛進(jìn)入富含縮合單寧的消化道，縮合單寧的主要功效是抑制幼蟲的定植，而對于已經(jīng)定植的寄生蟲，其主要的功效是抑制雌寄生蟲產(chǎn)卵。因此，縮合單寧對寄生蟲的抑制作用隨寄生蟲的發(fā)育階段而不同［30，33，36，39］。

3.4 寄主消化道環(huán)境

縮合單寧參與了寄主的消化生理過程?？s合單寧-蛋白質(zhì)結(jié)合是一個非常復(fù)雜的反應(yīng)，受到縮合單寧特性(相對分子質(zhì)量和組成)、蛋白質(zhì)(相對分子質(zhì)量和氨基酸組成)及各種酶的影響，尤其是在中性的瘤胃環(huán)境中形成的穩(wěn)定的縮合單寧-蛋白質(zhì)復(fù)合物在 pH＜3.5 和 pH＞7.5 時會分解［69］。動物的瘤胃、皺胃和小腸的環(huán)境完全不同，消化道的不同部位必然影響到植物單寧的存在形式及含量，由此對不同種類的寄生蟲及其發(fā)育階段產(chǎn)生不同的抑制效果。Robbins 等［70］和 Silanikove［71］研究了綿羊、鹿和山羊的消化道生理差異對植物縮合單寧的影響，證實了消化生理過程與植物縮合單寧的作用方式會最終影響到縮合單寧的抗寄生蟲性。盡管已有一些研究，消化道不同部位與縮合單寧的抗寄生蟲性之間的關(guān)系尚需要進(jìn)一步的研究，以便深入揭示縮合單寧的作用機(jī)理。

4 小結(jié)

植物縮合單寧具有抗寄生蟲的作用，其功效受到縮合單寧的化學(xué)結(jié)構(gòu)和含量、寄生蟲種類和發(fā)育階段及寄主消化道環(huán)境的影響，其抗寄生蟲機(jī)制可以歸納為營養(yǎng)免疫假說和代謝阻斷假說，相關(guān)研究為動物腸胃道寄生蟲防控提供了新的途徑，植物縮合單寧有望成為傳統(tǒng)化學(xué)驅(qū)蟲劑的替代物質(zhì)。從營養(yǎng)學(xué)角度來看，縮合單寧既具有負(fù)面營養(yǎng)作用又具有正面營養(yǎng)作用，關(guān)鍵在于添加水平或攝入水平。目前認(rèn)為，適量攝入縮合單寧(3%～6%干物質(zhì))對寄主生理、生長、產(chǎn)毛量或者產(chǎn)奶量都有好處，且不會對寄主采食及生理生化造成不良影響。

植物縮合單寧既削弱了植食動物對植物的侵害，也抑制了植食動物的內(nèi)寄生蟲，因而可能廣泛參與了植物與植食動物，植食動物與內(nèi)寄生蟲的協(xié)同進(jìn)化。鑒于此，植物縮合單寧可能深刻影響了動物與植物的種間聯(lián)系，進(jìn)而參與了生物群落的塑造。因此，研究植物縮合單寧的抗寄生蟲特性可能成為揭示生物群落的種間聯(lián)系的切入點，并可能在家畜和野生動物的食源、牧場和棲息地管理上提供新的思路。

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