麥康森：養(yǎng)殖魚類蛋白質(zhì)高效利用調(diào)控機制的研究進展

文/程純明 龐濤 編輯整理 圖/程純明

麥康森：養(yǎng)殖魚類蛋白質(zhì)高效利用調(diào)控機制的研究進展

文/程純明 龐濤 編輯整理 圖/程純明

2016年3月28日，由中國水產(chǎn)學會水產(chǎn)動物營養(yǎng)與飼料專業(yè)委員會、中國水產(chǎn)科學研究院淡水漁業(yè)研究中心主辦，通威股份有限公司、廣州市信豚水產(chǎn)技術(shù)有限公司、無錫華諾威動物保健品有限公司聯(lián)合承辦的“第五屆華東地區(qū)水產(chǎn)動物營養(yǎng)與飼料科技論壇”在無錫市錫州花園舉行。國內(nèi)飼料營養(yǎng)界的大咖云集，各種關于飼料營養(yǎng)話題的探討讓現(xiàn)場的500多位飼料營養(yǎng)界認識受益匪淺。

以下是中國工程院院士麥康森所做報告的聽課筆記全文：

我們最近在做的一個課題項目，是有關于養(yǎng)殖魚類蛋白質(zhì)高效利用調(diào)控機制的研究進展。中國是世界第一的水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，占了世界的70%，也是水產(chǎn)飼料生產(chǎn)大國，魚粉消化大，但是我們中國每年生產(chǎn)的魚粉是有限的，主要依賴進口。減少對魚粉的依賴，降低飼料的成本，是我們中國水產(chǎn)飼料營養(yǎng)研究的核心問題，也是世界的核心問題。

30年前，全世界的魚粉用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的小于10%，但是現(xiàn)在超過60%，魚油超過80%，也就是說，我們的魚粉基本都是給水產(chǎn)養(yǎng)殖消耗掉的。對中國來說，這也是一個非常嚴重的問題，中國在世界上來說是最缺乏魚粉的國家，我們每年都有80%的魚粉要靠進口。如何取代魚粉，這雖然是個世界難題，但首先是中國人的難題。

大家都知道，如果配方里面魚粉含量少，魚就不愛吃。飼料中不用魚粉，我們會遇到一系列困難。從營養(yǎng)學的角度來說，這些飼料會面臨適口性差，營養(yǎng)的消化率降低，氨基酸不平衡，含有抗營養(yǎng)因子等問題。我們?nèi)绾慰朔@個問題？如何提高非魚粉蛋白的利用效率？這是我們這個課題項目的核心。

這個項目包括三個課題。

第一個是魚類的攝食選擇與消化道健康；

第二個是魚類蛋白質(zhì)代謝的信號調(diào)控機制；

第三個是魚類蛋白質(zhì)高效利用的能量學機制。

我們核心關鍵的科學問題，就是魚類對蛋白的營養(yǎng)感知與代謝調(diào)控。魚類是如何感知飼料產(chǎn)生的變化？它感知以后又是如何調(diào)控對蛋白的代謝？如果我們知道這種機制，那么我們就有可能找到提高蛋白利用效率的辦法。我們知道這不是個簡單的問題，因此我們啟動了國家重大基礎研究（973）項目。這個項目計劃由中國海洋大學、中國科學院水生生物研究所、華東師范大學、華中農(nóng)業(yè)大學承擔，廣東海洋大學、西北農(nóng)林大學、四川農(nóng)業(yè)大學、云南農(nóng)業(yè)大學、中國農(nóng)業(yè)科學院飼料研究所、浙江農(nóng)業(yè)科學院組成的40多人的團隊。

要保證蛋白質(zhì)的高效利用，首先要解決適口性問題，要研究這條魚，它為什么愛吃某些飼料，不愛吃另一種飼料？它選擇的機制是什么？

對于某些東西，它愛吃但是不一定有利于它的消化與健康，消化道對不同食物的反應都是不同的，怎樣才能做出既讓它愛吃又有利它的健康的飼料，來保證食物的攝入與利用？在它攝入以后，具體的代謝是如何感知消化吸收的營養(yǎng)素的？都需要關注。

營養(yǎng)素被消化吸收的過程中是耗能的，在營養(yǎng)素里面的蛋白質(zhì)、脂肪會提供的。在水產(chǎn)飼料里面，最貴的能量來源是蛋白質(zhì)，最便宜的是碳水化合物，當然脂肪也是很好的來源，那么我們?nèi)绾卫媚茉磥硖峁┓纸?、代謝、合成利用所需的能耗，來進一步提高對蛋白的利用效率？這涉及到能量學的問題，從攝食、消化吸收到利用的過程，串起來考慮我們的三個課題。

經(jīng)過兩年的研究，我們來看課題的研究任務及完成情況。在2014年，我們完成的有幾個方面，如“魚類食欲調(diào)節(jié)因子及其受體基因的克隆和鑒定”和攝食有關；“魚類腸黏膜免疫效應分子基因的克隆鑒定”。我們選擇了三種有代表性的魚，分別是肉食性、草食性、雜食性三類魚做研究，對其主要的蛋白源的消化率進行測定，在攝食消化以后，對體內(nèi)的氨基酸做分析，與主要氨基酸運輸載體建立重要的關系。攝食以后，我們對蛋白的代謝的主要內(nèi)分泌調(diào)控因子的作用機制進行研究，看它與內(nèi)分泌系統(tǒng)的關系，也通過營養(yǎng)干預誘導建立魚類肥胖和消瘦模型，及基因表達變化來看基因表達的情況，這都是通過能量學的角度來做的。

2015年我們研究魚類味覺受體信號通路以及食性分化機理、魚類腸道細胞緊密連接蛋白的信號途徑、主要抗營養(yǎng)因子對魚類腸黏膜免疫分子組成的改變及其作用機制；魚類TOR信號系統(tǒng)關鍵信號分子的克隆鑒定和功能分析；魚類氨基酸應答通路關鍵信號分子的克隆鑒定和功能分析；不同野生或突變品系對蛋白質(zhì)代謝關鍵酶類的克隆鑒定和功能分析；在不同生理狀態(tài)下研究幾種主要脂肪酸在組織和細胞中的分解產(chǎn)物；探討不同細胞器對不同脂肪酸的分解效果；克隆并鑒定魚類脂滴代謝過程中的階段標志性蛋白。

為什么會分為肉食性、草食性、雜食性的魚類，由什么決定？我們比較了三種食性不同的魚，包括草魚，雜食性的斑馬魚和肉食性的鱖魚味覺受體基因的變化。通過對草魚，雜食性的斑馬魚T1R1（鮮味）、T1R3（甜味）基因結(jié)構(gòu)比較分析，得出三種魚類T1R3基因外顯子數(shù)目和長度高度保守，鱖魚T1R1基因與斑馬魚、草魚相比較，缺少第6個內(nèi)含子，所以肉食性、草食性、雜食性會有顯著的不同。此外鱖魚T1R1、T1R3基因的內(nèi)含子序列較短。

所以這反映魚類習性的不同造成其味覺的差異。草魚是轉(zhuǎn)食的，味覺的基因會有顯著的變化。在苗期的時候草魚T1R1鮮味表達基因非常高，到后期轉(zhuǎn)為吃草的時候，鮮味基因的表達明顯下降，所以食性與味覺受體基因的表達有很大的關系。

我們在想，如果我們把肉食性魚類的鮮味基因挑走，那會不會讓肉食性魚類改為吃草？這是很有意思的。

我們在用植物原料做飼料的時候會發(fā)現(xiàn)魚的消化道容易受損，大豆中的主要抗營養(yǎng)因子7S或者11S通過氧化損傷引起腸炎，降低了魚類生產(chǎn)性能。其中7S引起了蛋白質(zhì)氧化損傷，揭示了啟動Nrf2信號引起的胞質(zhì)氧化產(chǎn)物移出能力應激性升高的作用機制，但清除自由基、抗氧化酶基因表達和能力沒有影響或適應性下降，所以會有氧化損傷的產(chǎn)生。在后腸也導致了后腸蛋白和脂肪的嚴重氧化，清除相關自由基產(chǎn)物的活力下降，氧化產(chǎn)物的移出能力和應激性提高，造成嚴重的氧化效果。

對于豆粕替代魚粉對腸黏膜免疫功能的影響，我們發(fā)現(xiàn)豆粕誘導的草魚腸炎具有自愈現(xiàn)象，前驅(qū)期促炎細胞因子表達占主導，7～10天后，是腸炎表達最明顯的時期，抗炎細胞因子逐步占優(yōu)勢；到11～14天，促炎細胞因子逐步弱化到消失，抗炎因子占主導地位。

對于豆粕替代魚粉對大菱鲆消化道微生物群落組成的影響，我們發(fā)現(xiàn)高濃度豆粕替代魚粉可以改變大菱鲆腸道菌結(jié)構(gòu)，菌群不同分類水平的物種相對豐度。其中，在對種水平上腸道菌群分析發(fā)現(xiàn)豆粕組中部分致病菌相對豐度高于魚粉組，且均是能夠引起腸道炎癥和疾病的致病菌，但是部分益生菌在豆粕組的相對豐度高于魚粉組。

再看看草魚消化道益生菌的分離，我們從草魚腸道分離出4株枯草芽孢桿菌，發(fā)現(xiàn)其中兩株（GC-21或者GC-22）的腸粘液粘附能力較強，并且具有誘導抗炎因子，同時抑制促炎因子表達的能力，可作為腸粘膜免疫增強劑或者免疫基因表達體內(nèi)載體的候選。

接下來我們研究蛋白質(zhì)的代謝。我們知道，生物攝食以后，會影響其體內(nèi)游離氨基酸庫，會直接影響氨基酸的程度和濃度。如果生物體內(nèi)氨基酸濃度足夠高的時候可以促進蛋白質(zhì)的合成，會抑制蛋白的分泌。但是當饑餓與體內(nèi)氨基酸濃度不平衡的時候，會促進蛋白的分解。我們做的魚粉飼料或者植物蛋白飼料或者是植物蛋白兼氨基酸平衡的飼料的研究時，我們遺憾地發(fā)現(xiàn)植物蛋白飼料或者是植物蛋白兼氨基酸平衡的飼料都無法達到魚粉飼料對體內(nèi)氨基酸庫里的游離氨基酸的量。所以以植物蛋白為主的蛋白源的游離氨基酸不夠，說明非魚粉蛋白源會降低合成代謝，影響蛋白質(zhì)的利用。這主要有兩個通路，一個是和TOR信號系統(tǒng)有關，另一個是氨基酸應激通路和蛋白的分解代謝有關。

魚粉蛋白容易產(chǎn)生游離氨基酸的濃度，如果峰值足夠高的時候，它將會激活TOR信號系統(tǒng)，就有利于蛋白質(zhì)的合成和代謝。但是用非魚粉蛋白的時候，離氨基酸的濃度不足以啟動TOR信號系統(tǒng)，但是它會氨基酸應激通路，就會抑制蛋白質(zhì)的合成和代謝。

我們知道在生長過程中不僅僅受消化的影響，也會受到內(nèi)分泌的調(diào)控。以斑馬魚為例，一系列的內(nèi)分泌因子里面，有三個因素與個體生長是有關系的。如果我們敲除斑馬魚的SOCS1a基因，我們發(fā)現(xiàn)會消耗其脂肪組織，并且雜合子個體增大。

此外，維生素D也與蛋白合成代謝的內(nèi)分泌調(diào)控具有重要聯(lián)系。當維生素D缺乏的時候，會造成魚類典型的生物激素抵抗癥，腹部脂肪含量顯著上升。SOCS基因的表達也顯著升高。植物蛋白取代魚粉或者魚油的時候，我們要額外補充維生素D3，我想這是很好的啟發(fā)。

下面是魚類蛋白的高效利用能量學習，我們知道陸生動物和水生動物有很大的不同，水生動物的主要能量來源是蛋白，反而對糖和脂肪的利用不高。我想，如果我們知道魚類脂肪功能代謝關鍵調(diào)控位點，利用糖和脂肪去提供能量，是非常好的事情，當然這是我的設想。

在陸生動物中，存在脂肪功能的關鍵調(diào)控位點，如果我們能找到魚類的主要脂肪功能代謝關鍵調(diào)控位點在哪，那我們就可以找到控制辦法，通過脂肪為魚類供應能量。

如今我們的高能飼料的脂肪對于魚體的消耗并沒有得到充分的分解，而更多的是沉積于脂肪組織，這僅僅是增加魚類脂肪細胞數(shù)量而已。通過進一步的研究，我們發(fā)現(xiàn)PPARα可以促進魚體脂肪的分解，相反PPARγ會促進魚體脂肪的沉積。找到了脂肪代謝的關鍵節(jié)點，我們對魚類基因家族調(diào)控會越來越好，將來的高能飼料會促進蛋白的利用效率，同時也能保證魚類的健康。

此外，我發(fā)現(xiàn)不同的魚的脂肪分布位置不一樣，不同的部位會有不同的生理意義。目前，在魚類中，脂肪組織究竟在何處分布，是否存在脂肪組織，至今尚未有定論。