魚類體色形成及其營養(yǎng)調(diào)控的研究進展

■李 俊 潘孝毅 易新文 張含樂 張文兵 麥康森

（水產(chǎn)動物營養(yǎng)與飼料農(nóng)業(yè)部重點實驗室海水養(yǎng)殖教育部重點實驗室中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東青島 266003）

（參考文獻61篇，刊略，需者可函索）

在自然條件下，經(jīng)過漫長的自然選擇，大部分魚類都有其特定的體色。魚類絢麗的體色主要是由于類胡蘿卜素（carotenoids）等物質(zhì)在魚類皮膚、肌肉等部位沉積產(chǎn)生。研究表明，魚類不能靠自身合成類胡蘿卜素，在自然環(huán)境中，它們可以從魚、蝦、浮游生物等餌料生物中攝取類胡蘿卜素并在體內(nèi)沉積，從而滿足其著色的需要。然而，在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，魚類很難通過從飼料中獲取足夠的符合其著色需求的類胡蘿卜素，因此在很多重要養(yǎng)殖品種中出現(xiàn)了較為顯著的體色退化現(xiàn)象。對于人類來說，基于經(jīng)驗、傳統(tǒng)和習(xí)俗等因素的影響，食物的色澤與消費者生理和心理的期望值有關(guān)，代表著食物的預(yù)期品質(zhì)。因此食物的色澤往往是判定其可接受程度的重要指標(biāo)。隨著人們生活水平的提高，對食品的品質(zhì)要求也越來越高，對養(yǎng)殖魚類的色澤也越來越關(guān)注。本文主要從魚類體色形成的生物學(xué)基礎(chǔ)、魚類體色相關(guān)基因以及魚類體色營養(yǎng)調(diào)控三個方面進行綜述。

1 魚類體色形成的生物學(xué)基礎(chǔ)

1.1 魚類體色的形成

位于真皮層下的色素細(xì)胞的存在使魚類皮膚呈現(xiàn)各種不同的顏色。關(guān)于色素細(xì)胞的種類眾說紛紜。目前，大部分研究表明，魚類皮膚中的色素細(xì)胞主要包括黑色素細(xì)胞（melanophores）、紅色素細(xì)胞（erythrophores）、黃色素細(xì)胞（xanthophores）、虹彩細(xì)胞（iridophores）。另外，Goda等在對兩種鼠科（Callionymid）的研究中發(fā)現(xiàn)了藍色素細(xì)胞(cyanophores)的存在。也有一些學(xué)者認(rèn)為魚類含有白色素細(xì)胞(leucophores)，但更為普遍的說法是白色素細(xì)胞和虹彩細(xì)胞具有相同的著色物質(zhì)，屬于同一種細(xì)胞。

黑色素細(xì)胞、紅色素細(xì)胞、黃色素細(xì)胞的顯色細(xì)胞器可以吸收特定顏色的光而使其呈現(xiàn)出不同的顏色，被稱為吸光色素細(xì)胞。黑色素細(xì)胞是一種在各種動物體內(nèi)普遍存在的色素細(xì)胞，在真皮和表皮中均有分布。成熟的黑色素細(xì)胞有很多分支，胞體較大，約有100～300μm，其主要顯色物質(zhì)為黑色素顆粒，能夠呈現(xiàn)出黑色和褐色。黃色素細(xì)胞和紅色素細(xì)胞的顯色物質(zhì)都是類胡蘿卜素和蝶啶(pteridine)。黃色素細(xì)胞中帶黃色的蝶啶比重較大，紅色素細(xì)胞中呈現(xiàn)紅色或橙色的類胡蘿卜素比重較大。以上三種細(xì)胞都存在很多樹突狀分支結(jié)構(gòu)，可以在神經(jīng)和激素的雙重調(diào)節(jié)下使色素顆粒向細(xì)胞核聚攏或分散到樹突狀結(jié)構(gòu)中，從而控制著色的深淺。而虹彩細(xì)胞通過反射入射光而呈現(xiàn)出不同的顏色，稱為反光色素細(xì)胞。虹彩細(xì)胞沒有分支狀結(jié)構(gòu)，細(xì)胞中不存在色素顆粒，在細(xì)胞質(zhì)中存在一種透明的薄膜狀鳥嘌呤晶體疊層，它們被稱為反射小板(reflecting platelets)，反射小板有很強的反光能力，反光色素細(xì)胞可以通過調(diào)節(jié)反射小板間的間距來改變反射光的波長，從而使皮膚呈現(xiàn)出閃亮的白色、銀色、藍色等光澤。各種色素細(xì)胞、顯色物質(zhì)以及色素色見表1。

表1 4種常見色素細(xì)胞所含顯色物質(zhì)及其色素色

1.2 色素細(xì)胞的起源與發(fā)育過程

與其它脊椎動物一樣，魚類色素細(xì)胞的增殖不是通過細(xì)胞分裂完成的，而是由神經(jīng)嵴細(xì)胞（neural crest cells）遷移到皮膚、肌肉等部位，分化為色素干細(xì)胞，進而特化成色素細(xì)胞。神經(jīng)嵴細(xì)胞是一種僅存在于脊椎動物胚胎發(fā)育早期的特殊細(xì)胞，它能夠經(jīng)過遷移、特化而形成多種細(xì)胞類型。早在1954年，有研究者發(fā)現(xiàn)，在成體魚類皮膚中當(dāng)黃色素細(xì)胞局部受損后，會有黑色素細(xì)胞出現(xiàn)在該區(qū)域。因此他們猜想可能在魚體特定區(qū)域有黑色素干細(xì)胞的存在。半個世紀(jì)后，Johnson的實驗證實了在斑馬魚(Danio rerio)的鰭條中，大多數(shù)再生的黑色素細(xì)胞來源于非色素化的前體細(xì)胞，這一結(jié)果驗證了之前的猜想。目前，人們已經(jīng)從人類和小鼠等哺乳動物的皮膚中分離出黑色素干細(xì)胞并進行體外培養(yǎng)。但是，對于含有多種色素細(xì)胞的魚類，是否每種色素細(xì)胞都有其相對應(yīng)的干細(xì)胞呢？Curran等對斑馬魚成魚的研究表明，黑色素細(xì)胞和虹彩細(xì)胞來源于共同的前體細(xì)胞，而他們的特化是由轉(zhuǎn)錄因子Mitf以及Foxd3相互作用決定的，而黃色素細(xì)胞可能來源于另一種前體細(xì)胞。然而，Johnson等通過對斑馬魚早期胚胎進行分析發(fā)現(xiàn)，斑馬魚尾鰭處的黑色素細(xì)胞和黃色素細(xì)胞發(fā)育的各個階段都來自于相同的前體干細(xì)胞(mFSC)，而虹彩細(xì)胞卻由另外的前體細(xì)胞產(chǎn)生。這兩種截然不同的研究結(jié)果代表了斑馬魚色素細(xì)胞分化的兩種不同途徑，究竟是兩者皆有還是其中一種呢？這個問題值得我們進一步研究。

色素細(xì)胞源于神經(jīng)嵴，那么它們是通過什么途徑到達指定部位從而使不同部位顯示出不同的顏色呢？在對小鼠的研究中表明，黑色素細(xì)胞譜系是通過背部（表皮和生皮肌節(jié)間）途徑遷移到指定部位，而在對斑馬魚的研究中發(fā)現(xiàn)黃色素細(xì)胞譜系和黑色素細(xì)胞譜系都可以通過與小鼠黑色素細(xì)胞相同的途徑遷移，另外黑色素細(xì)胞譜系也可以和虹彩細(xì)胞譜系一起通過神經(jīng)管和肌節(jié)之間的通路遷移到指定部位。目前關(guān)于紅色素細(xì)胞譜系遷移過程的研究較少，可能與其他色素細(xì)胞譜系遷移途徑類似。

關(guān)于決定移動中的色素細(xì)胞譜系在靶部位停下來的機制的研究很少，但是這對于我們研究魚類體色形成機制是至關(guān)重要的。一種模型認(rèn)為，色素細(xì)胞的分布可能與該部位組織內(nèi)環(huán)境有關(guān)。對哺乳動物毛發(fā)的研究表明，黑色素細(xì)胞在毛囊內(nèi)聚集可能是由于受到了毛囊附近環(huán)境的某種粘附吸引力作用，這種粘附作用可能由鈣粘素（cadherin）介導(dǎo)。E-鈣粘素是細(xì)胞粘附分子的一種，作為鈣依賴性跨膜糖蛋白，它可以介導(dǎo)細(xì)胞間同質(zhì)粘附。在鼠的黑色素細(xì)胞表面檢測到有P-鈣粘素和E-鈣粘素的表達，而且在黑色素細(xì)胞（黑色素母細(xì)胞）遷移的過程中，經(jīng)過不同的部位鈣粘素的兩種異構(gòu)體的比例也是變化的，E-鈣粘素的表達量與黑色素細(xì)胞（黑色素母細(xì)胞）的定位有顯著的相關(guān)性。該研究證明了鈣粘素在黑色素細(xì)胞定位中的作用。對于含有多種色素細(xì)胞的魚類來說，在皮膚特定部位或色素細(xì)胞表面或許也存在某種類似于E-鈣粘素的物質(zhì)，決定著遷移中的色素細(xì)胞（色素母細(xì)胞）的定位。這種定位模式對魚類體色的形成的作用需要更深入的研究。

2 體色相關(guān)基因的研究進展

基因的誘發(fā)對魚類體色模式的形成以及色素細(xì)胞的特化和遷移起著決定性的作用。例如，在斑馬魚中，轉(zhuǎn)錄因子Pax3對于黃色素細(xì)胞的特化是必須的，而黃色素細(xì)胞的遷移依靠受體酪氨酸激酶csf1r的作用。目前對魚類體色相關(guān)基因的研究主要集中在斑馬魚、青鱂（Oryzias latipes）等模式生物上。在自然界中或者通過人工誘導(dǎo)，研究者們可以得到多種色素細(xì)胞缺失個體，這些個體為魚類體色相關(guān)基因研究提供了很好的材料。通過對這些突變體的研究，研究者們在青鱂上發(fā)現(xiàn)了約38種體色相關(guān)基因，在斑馬魚上發(fā)現(xiàn)了約90種該類基因，如表2所示。這些基因中大約有10種的分子特性被驗證，它們分別編碼膜受體、轉(zhuǎn)運蛋白、轉(zhuǎn)錄因子以及不同色素合成過程中的各種酶，如表3所示。

表2 模式魚膚色突變體中發(fā)現(xiàn)的體色相關(guān)基因

表3 部分模式魚體色相關(guān)基因分子特性

但是由于斑馬魚、青鱂等模式魚類皮膚中主要只有黑色素細(xì)胞、黃色素細(xì)胞以及虹彩細(xì)胞，所以目前對其他色素細(xì)胞，如紅色素細(xì)胞相關(guān)基因的數(shù)據(jù)相對缺失，這需要在今后的研究中進一步完善。

3 類胡蘿卜素著色作用研究進展

3.1 類胡蘿卜素對魚類體色的影響

已有很多研究表明類胡蘿卜素可以顯著改善水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的體色。類胡蘿卜素是一種在生物界中普遍存在的呈黃色、橙紅色或紅色的天然色素。對魚類來說，類胡蘿卜素是黃色素細(xì)胞、紅色素細(xì)胞中的主要顯色物質(zhì)，由于魚類不能通過自身合成類胡蘿卜素，所以食物中類胡蘿卜素的含量以及來源對魚類體色起著至關(guān)重要的作用。類胡蘿卜素種類很多，目前已經(jīng)有約8種類胡蘿卜素被允許應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，他們包括葉黃素、萬壽菊提取物（天然葉黃素）、辣椒紅、蝦青素、β-胡蘿卜素、β-阿樸-胡蘿卜素醛、β-阿樸-胡蘿卜素酸乙酯、β-胡蘿卜素-4,4-二酮（斑螯黃）等。

Yi等通過在飼料中添加不同種類和含量的類胡蘿卜素，初步探討了其對養(yǎng)殖大黃魚體色的影響。這一系列研究表明，蝦青素、葉黃素、角黃素等類胡蘿卜素在飼料中的使用，可以對大黃魚體色起到一定的改善作用。但是不同種類的類胡蘿卜素對大黃魚體色的改善效果不同。黃色系類胡蘿卜素（如葉黃素、玉米黃質(zhì)等）對大黃魚的黃色值的改善效果更顯著，而紅色系類胡蘿卜素（如蝦青素、角黃素等）對大黃魚紅色值的改善效果更顯著。Chatzifotis研究表明，在飼料中添加紅色系類胡蘿卜素源（主要含蝦青素酯）對提高真鯛背部皮膚的紅色值有顯著的作用，而黃色系類胡蘿卜素源（主要含黃體素、玉米黃質(zhì)）對提高黃色值效果明顯。對其他魚類，如黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)、大西洋 鮭(Salmo salar)、牙鲆（Paralichthys olivaceus）、小丑魚（Premnas biaculeatus）和澳大利亞鯛魚（Pagrus auratus）等的研究都證明了類胡蘿卜素對體色改善有重要作用。

3.2 類胡蘿卜素的消化、吸收、轉(zhuǎn)運和沉積

目前大部分關(guān)于類胡蘿卜素的吸收和利用的研究都是基于人體作為研究對象的。類胡蘿卜素在人體內(nèi)的消化吸收過程如圖1所示：①類胡蘿卜素首先在腸道消化酶的作用下從食物纖維中釋放出來；②釋放出的類胡蘿卜素在消化道中一部分轉(zhuǎn)化成視黃醇，另一部分與脂質(zhì)結(jié)合成混合微團；③微團通過被動擴散的方式再由小腸黏膜吸收并形成富含甘油三酯的乳糜微粒；④乳糜微粒通過淋巴系統(tǒng)進入血液循環(huán)，在血液中乳糜微粒被脂蛋白酶迅速分解，含有類胡蘿卜素的乳糜微粒殘留物迅速被肝臟等部位吸收。其中，在血液循環(huán)過程中，類胡蘿卜素主要與高密度脂蛋白和低密度脂蛋白結(jié)合。肝臟、脂肪組織等部位含有較多的低密度脂蛋白受體，所以有較多的類胡蘿卜素沉積。

圖1 類胡蘿卜素在人體內(nèi)的消化吸收過程

在人體中，類胡蘿卜素的主要功能是作為維生素A的前體，以及作為抗氧化劑與自由基結(jié)合。而在魚體內(nèi)，類胡蘿卜素還有一個很重要的功能就是參與組織和體表的著色。因此，在類胡蘿卜素隨血液運輸?shù)倪^程中還會在肌肉、皮膚等組織中大量沉積。研究者對大西洋鮭投喂含有14C標(biāo)記的蝦青素的飼料，檢測血液、膽汁、肝臟、腸道及其內(nèi)容物、肌肉、皮膚、糞便的放射性。結(jié)果表明，腸道內(nèi)容物以及糞便中放射性14C含量高達71.36%，膽汁7.13%，肝臟、皮膚、肌肉樣品中總含量為10.68%。該研究表明，大西洋鮭在攝入蝦青素后，大部分蝦青素會隨糞便排出，僅有小部分會在肝臟、肌肉以及皮膚等部位沉積下來。在對錦鯉的研究中發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素主要沉積在體表，肌肉、肝臟等組織器官沉積量很小。Yi等對大黃魚體色的相關(guān)研究表明，類胡蘿卜素在腹部皮膚的沉積量遠遠高于背部皮膚，而在肌肉中基本沒有類胡蘿卜素的沉積。這些研究表明類胡蘿卜素在魚體內(nèi)沉積時對靶組織具有一定選擇性，對于不同種類的魚，以及同種魚的不同組織甚至是同種魚同一組織的不同部位，類胡蘿卜素的沉積量可能有很大差別。那么，在這些不同的組織中，類胡蘿卜素的存在形式是否一樣呢？是什么作用使類胡蘿卜素停留在特定的部位呢？

Henmi等認(rèn)為，蝦青素是通過其結(jié)構(gòu)中的β-紫羅蘭酮環(huán)與纖維蛋白間的非特異性弱疏水作用結(jié)合在一起。Matthews等通過凝膠電泳從大西洋鮭肌肉中分離出各種蛋白組分，然后通過體外蝦青素綁定實驗證明α輔肌動蛋白是唯一一種與蝦青素綁定顯著相關(guān)的肌纖維蛋白。我們已經(jīng)知道，類胡蘿卜素在魚類皮膚中的沉積是存在于色素細(xì)胞中的，這點與肌肉中類胡蘿卜素的沉積有本質(zhì)上的差別。那么，在皮膚中，血液循環(huán)中的色素顆粒與色素細(xì)胞是通過什么途徑相互識別并進入細(xì)胞沉積下來呢？目前鮮有這方面的研究，而這個問題也值得我們更深入的探索。

3.3 脂肪對類胡蘿卜素著色的影響

類胡蘿卜素是一種脂溶性化合物，食物中的類胡蘿卜素主要通過和脂類物質(zhì)結(jié)合，在消化道以及循環(huán)系統(tǒng)中吸收和運輸（見圖1）。因此，脂類物質(zhì)的含量和組成也是影響魚類體色的一個重要因素。Yi等發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖大黃魚腹部黃色值（b*）以及類胡蘿卜素含量在一定范圍內(nèi)隨著飼料中脂肪含量的升高而顯著增大，且在脂肪含量達到12%時大黃魚背部黃色值最高。對虹鱒（Oncorhynchus mykiss）的研究也證明，類胡蘿卜素的沉積效率隨著飼料中脂類含量的增加而升高。袁立強研究發(fā)現(xiàn)，適量的脂肪能提高黃顙魚對葉黃素的利用率，7.02%的脂肪水平能滿足魚體著色需要，脂肪水平過高對著色有負(fù)面影響。類似的現(xiàn)象在大西洋鮭和北極嘉魚(Salvelinus alpinus)上也得到證實。

脂肪源以及脂肪酸的組成也可能影響魚類著色。易新文等用菜籽油不同水平替代魚油，配制等氮等脂飼料投喂大黃魚，結(jié)果表明，菜籽油替代組大黃魚腹部紅色值顯著高于對照組；隨著替代水平的升高，背部亮度值以及背部紅色值也呈上升趨勢。對大西洋鮭的研究發(fā)現(xiàn)，大豆卵磷脂替代魚油會顯著降低血清中蝦青素含量，而?；悄懰岷拓i油替代組血清中蝦青素含量顯著升高。對各處理組飼料脂肪酸組成分析后，推測飼料中C16∶0和C18∶1n-1脂肪酸含量的升高或者C20∶1n-9和C22∶1n-9脂肪酸含量的降低，有利于蝦青素的吸收和利用。

3.4 維生素和礦物質(zhì)對類胡蘿卜素著色的影響

類胡蘿卜素在生物體內(nèi)同時具有著色劑和抗氧化劑的作用。類胡蘿卜素權(quán)衡假說（carotenoid tradeoff hypothesis）認(rèn)為，機體會在類胡蘿卜素的兩個功能（生理作用和著色）上做出權(quán)衡，抗氧化和免疫方面對類胡蘿卜素的競爭性需求會導(dǎo)致類胡蘿卜素的再分配，從而降低類胡蘿卜素沉積部位的著色水平。因此，飼料中適量添加抗氧化物質(zhì)，可以起到節(jié)約類胡蘿卜素的作用。維生素E作為重要的抗氧化劑，已經(jīng)被證明對大西洋鮭和黃顙魚等養(yǎng)殖品種體色的改善有重要作用。另外，在動物體內(nèi)類胡蘿卜素是維生素A合成的前體物質(zhì)，因此當(dāng)飼料中維生素A的含量無法滿足機體需求時，魚類便將類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化為維生素A，從而降低其著色效果。

礦物鹽也會影響魚類的著色。它們作為輔基參與色素在機體內(nèi)的代謝，同時還能介導(dǎo)色素顆粒在色素細(xì)胞內(nèi)的聚集和擴散，進而影響魚類體色。也有研究發(fā)現(xiàn)，葉黃素在血液中的輸送依賴于脂蛋白，而鈣離子對脂蛋白的親和力大于葉黃素。所以鈣離子含量太高對葉黃素吸收將造成競爭性抑制，使著色效果降低。

4 小結(jié)與展望

魚類體色是人們判定魚類健康狀況以及品質(zhì)情況的重要指標(biāo)，所以體色研究對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)有重要意義。魚類體色的形成受基因、環(huán)境、營養(yǎng)物質(zhì)以及自身健康狀況等多方面因素的影響，所以體色的調(diào)控不僅要考慮各種營養(yǎng)素的影響，還需要綜合考慮其他各方面影響因素。類胡蘿卜素在魚體內(nèi)的消化吸收以及轉(zhuǎn)運沉積機制是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，目前相關(guān)研究仍處于初級階段，許多過程如細(xì)胞吸收類胡蘿卜素的具體機制、代謝的清晰途徑、轉(zhuǎn)運與沉積中的基因控制等還需要更進一步的研究。色素相關(guān)基因的研究方面，大部分都集中在斑馬魚、青鱂等模式魚類上，因此黑色素細(xì)胞以及黃色素細(xì)胞相關(guān)基因研究較多，而紅色素細(xì)胞以及虹彩細(xì)胞的研究相對較少。在未來的研究中，我們需要更透徹的理解魚類體色的形成以及調(diào)控機制、更深入的理解類胡蘿卜素的轉(zhuǎn)運沉積機制，并在此基礎(chǔ)上研究出更加安全、高效、低成本的魚類體色調(diào)控技術(shù)。