生物節(jié)律對動物生理營養(yǎng)及物質(zhì)消化利用調(diào)控的研究進展

張春桃，馬 濤，屠 焰，刁其玉

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼料生物技術(shù)重點開放實驗室，北京100081)

大自然為每一種生物都安排了一張“作息表”。豬、牛和羊等家畜總是在白天活動，而貓頭鷹善于晚上活動，動物的這種時間觀念受體內(nèi)類似時鐘的結(jié)構(gòu)——生物鐘的調(diào)控，是生命體對地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的晝夜更替現(xiàn)象所作出的主動適應(yīng)性反應(yīng)。機體的生理功能、營養(yǎng)代謝及行為活動與存在于分子、細(xì)胞、組織、器官和動物整體水平的晝夜節(jié)律密切相關(guān)[1]。晝夜節(jié)律的紊亂會加大誘發(fā)一系列代謝性疾病的可能性，如引發(fā)糖尿病、肥胖、消化道疾病等[2]。生物鐘對機體代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)及機制已經(jīng)成為畜禽養(yǎng)殖的研究熱點之一。根據(jù)動物在白天和夜晚對營養(yǎng)需求量的不同，以及對營養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收和利用率的不同，給予精準(zhǔn)飼養(yǎng)，不僅可以提高飼料利用率，最大程度地發(fā)揮其生產(chǎn)性能，而且還可以促進動物健康，提高養(yǎng)殖效益。

1 生物節(jié)律與生物鐘概述

機體在維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和對外環(huán)境適應(yīng)的過程中，各種功能活動常按一定的時間順序發(fā)生周而復(fù)始的節(jié)律性變化，稱為生物節(jié)律。有按年、按月、按周變化的低頻節(jié)律，也有按日變化的高頻節(jié)律。生物節(jié)律的構(gòu)成包括兩個方面：一是機體本身具有的內(nèi)在節(jié)律；二是受自然環(huán)境變化的影響，生物節(jié)律與環(huán)境同步。2017年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎授予了3位深入鉆研生物鐘的科學(xué)家杰弗里·霍爾(Jeffrey C. Hall)、邁克爾·羅斯巴殊(Michael Rosbash)以及邁克爾·楊(Michael W. Young)，表彰他們發(fā)現(xiàn)控制晝夜節(jié)律的分子機制。目前，認(rèn)為哺乳動物的生物鐘系統(tǒng)由中樞生物鐘和外周生物鐘共同調(diào)控[3]，中樞生物鐘主要位于下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus, SCN)，而外周生物鐘廣泛分布于機體各種組織、器官(包括心、肺、腎、胰腺、肝、胃腸道、平滑肌和脂肪組織等)內(nèi)[4]，并具有各自獨立的生物鐘。中樞生物鐘通過視網(wǎng)膜-下丘腦通路接收光線刺激信號，也可以接收由其他自主神經(jīng)傳輸?shù)姆枪饩€刺激的生理信號，如激素、食物、溫度、藥物刺激等，這些信號經(jīng)過視交叉上核的整合后通過神經(jīng)傳導(dǎo)及內(nèi)分泌調(diào)節(jié)等方式傳到下游的大腦區(qū)域及外周生物鐘，進而協(xié)調(diào)其功能，控制著機體新陳代謝、行為和免疫等各項生命活動的進程，維持晝夜節(jié)律穩(wěn)態(tài)并調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達[5]。當(dāng)晝夜節(jié)律失調(diào)，外周生物鐘可以重新調(diào)整其相關(guān)基因的表達，使整個機體水平達到共振。總之，中樞生物鐘是節(jié)律的起搏點，它可以通過某些機制聯(lián)絡(luò)散在的波動源形成一個晝夜節(jié)律網(wǎng)絡(luò)，各個聯(lián)絡(luò)點的節(jié)律既彼此獨立又相互影響，共同維持機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)(圖1)。

2 生物鐘的調(diào)控基因

生命系統(tǒng)擁有極其精確的內(nèi)部生物鐘，調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律生物鐘的分子機制極其復(fù)雜。近年來，科學(xué)家們對哺乳動物生物鐘的分子機制展開了系列研究，發(fā)現(xiàn)在哺乳動物的主要時鐘基因由正調(diào)控因子CLOCK、BMAL1、NPAS2和負(fù)調(diào)控因子PER(Per1、Per2、Per3)、CRY(Cry1、Cry2)、REV-ERBɑ等[7]組成，這些基因構(gòu)成機體自動調(diào)節(jié)的正負(fù)反饋轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)。

1) 正向調(diào)節(jié)：CLOCK、NPAS2和BMAL1作為核心轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子對動物機體的生理功能、生化代謝和行為活動等具有重要的調(diào)控作用，它們通過PAS結(jié)構(gòu)域形成異源二聚體CLOCK:BMAL1或NPAS2：BMAL1，并與靶基因PERs、CRYs、REV-ERBɑ、RORɑ上游E-box受體結(jié)合啟動轉(zhuǎn)錄，激活周期家族基因PERs和隱色素基因CRYs及REV-ERBɑ的表達，進而翻譯產(chǎn)生生物鐘蛋白，參與生物鐘調(diào)節(jié)。該通路為生物鐘的分子基礎(chǔ)，例如CLOCKΔ19基因突變或缺失可導(dǎo)致肝、肌肉和胰腺中主代謝基因的節(jié)律性表達喪失，繼而引發(fā)高脂血癥、高瘦素血癥及葡萄糖和脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)失衡，表現(xiàn)出日攝食節(jié)律減弱、肝脂肪變性、胰島素分泌功能受損，導(dǎo)致攝食過度和肥胖[8]；BMAL1作為CLOCK基因的異二聚合體配合體，它的突變除了引起心律失常外，還會打破肝碳水化合物代謝及糖和脂質(zhì)代謝平衡等。

2) 負(fù)向調(diào)節(jié)：①CRY和PER編碼產(chǎn)生的蛋白，在經(jīng)酪蛋白激酶(CKIε)磷酸化后形成穩(wěn)定的PER:CRY異二聚體(即為負(fù)調(diào)節(jié)因子)在細(xì)胞質(zhì)中聚集，當(dāng)濃度超過一定界限時PER:CRY復(fù)合體轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，抑制CLOCK:BMAL1異源二聚體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄。如CRY1腺病毒過表達可抑制CLOCK:BAML1的轉(zhuǎn)錄活性，降低胰島素抗性，改善肝糖異生基因表達，使血糖水平恢復(fù)正常。此時，基因PER和CRY的轉(zhuǎn)錄不受CLOCK:BMAL1激活劑刺激的影響，細(xì)胞核內(nèi)PER和CRY蛋白水平降低，當(dāng)下降到一個臨界低閾值時負(fù)調(diào)節(jié)結(jié)束，進入下一輪新循環(huán)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄物和蛋白水平的振蕩變化，持續(xù)約24 h。②另外一組負(fù)反饋通路由BMAL1、REV-ERBɑ和RORɑ組成。核受體REV-ERBɑ和RORɑ既是CLOCK:BMAL1異二聚體的靶基因，也可反向調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性。REV-ERBɑ蛋白可與BMIL1啟動子結(jié)合，抑制BMIL1轉(zhuǎn)錄[9]。而RORɑ可與REV-ERBɑ蛋白競爭BMAL1的啟動區(qū)[10]，促進BMAL1轉(zhuǎn)錄。由此可知REV-ERBɑ是連接正負(fù)調(diào)節(jié)的中介因子。例如，敲除REV-ERBɑ的小鼠食欲過盛，會導(dǎo)致肥胖、高血脂和高血糖等代謝疾病發(fā)生，因此，添加REV-ERBɑ抑制劑能降低組織中脂肪含量并有效改善血脂異常和高血糖癥[9]，負(fù)反饋調(diào)節(jié)BMAL1轉(zhuǎn)錄活性，使機體血糖及脂質(zhì)代謝恢復(fù)正常水平。

綜上表明：晝夜節(jié)律正是在生物鐘控基因形成的復(fù)雜體系精密調(diào)控下，形成了以24 h為周期的節(jié)律性振蕩。這種分子振蕩不但使核心節(jié)律基因的轉(zhuǎn)錄活性呈現(xiàn)節(jié)律性的特征，同時也使受節(jié)律基因調(diào)節(jié)和控制的下游鐘控基因及重要功能蛋白呈節(jié)律性表達，從而調(diào)控機體生理功能(圖2)。

3 生物鐘對營養(yǎng)生理代謝的調(diào)控

生物鐘系統(tǒng)參與調(diào)控糖脂等營養(yǎng)物質(zhì)的代謝過程，對維持機體正常生理功能發(fā)揮著重要作用，對糖脂代謝產(chǎn)生的影響主要有2個方面：1)中樞生物鐘調(diào)控糖脂代謝基因，通過BMAL1、CLOCK和NPAS2基因的反饋調(diào)節(jié)影響葡萄糖轉(zhuǎn)運載體(GLUT)、脂肪酸合成酶(FAS)和脂肪結(jié)合蛋白(FABP)等基因[10]；2)外周生物鐘通過神經(jīng)和體液調(diào)控動物機體各個部位生物鐘，使其與中樞生物鐘協(xié)同合作參與機體的糖脂代謝[11]。

3.1 生物鐘對糖代謝的調(diào)控

糖類作為機體最基本的能量物質(zhì)，血糖濃度在一天中是動態(tài)變化的。在人和嚙齒動物中，進食/禁食、睡眠/覺醒、運動/靜止等生命活動雖引起葡萄糖的攝取利用的變化，但血液中葡萄糖的濃度始終是夜間高于黎明，這是由于機體存在內(nèi)源性自我穩(wěn)態(tài)調(diào)控機制，這就是我們熟知的“黎明現(xiàn)象”[7]。因此，推測機體內(nèi)存在內(nèi)源性葡萄糖晝夜代謝節(jié)律。Morris等[12]通過模擬行為和環(huán)境對葡萄糖耐量的影響發(fā)現(xiàn)，與行為/環(huán)境等綜合因素相比，生物鐘系統(tǒng)對葡萄糖的耐量影響極為顯著，表明生物鐘對健康個體葡萄糖代謝具有很強的調(diào)控作用。葡萄糖代謝的晝夜節(jié)律控制也被證實，但其中涉及的分子機制還處于討論之中。有研究表明，敲除CLOCK或BMAL1基因會使小鼠胰島素分泌減少和葡萄糖耐量異常[8]。當(dāng)小鼠出現(xiàn)SCN受損、CLOCK突變和BMAL1缺陷時，葡萄糖耐受力和胰島素敏感性也會受到影響，對相關(guān)機制的研究發(fā)現(xiàn)，“黎明效應(yīng)”中SCN-室旁核-自主神經(jīng)系統(tǒng)軸可能在肝糖原輸出的晝夜節(jié)律中發(fā)揮重要作用。

在嚙齒動物和人類中的研究表明，葡萄糖代謝晝夜節(jié)律性的喪失甚至可能導(dǎo)致代謝紊亂(如Ⅱ型糖尿病的發(fā)展)，因為在糖尿病大鼠和Ⅱ型糖尿病患者中，胰島素分泌節(jié)律、葡萄糖耐量和皮質(zhì)酮釋放減少[13]。在單胃動物方面，Gao 等[14]通過探究每日飼喂 2 種不同鈣水平日糧對妊娠母豬胎盤糖脂代謝和運輸?shù)挠绊?，發(fā)現(xiàn)高鈣-低鈣組和低鈣-高鈣組抑制胎盤中 per2的 mRNA 表達，降低葡萄糖轉(zhuǎn)運載體(GLUT)活性，進而影響豬胎盤糖代謝和轉(zhuǎn)運。對反芻動物而言，其體內(nèi)90%的葡萄糖由肝糖異生產(chǎn)生，日糧中的碳水化合物經(jīng)瘤胃降解后產(chǎn)生的生糖氨基酸由肝糖異生途徑合成葡萄糖，產(chǎn)奶動物在產(chǎn)乳旺盛期對葡萄糖的利用率高達85%[15]，這也是反芻動物發(fā)生能量負(fù)平衡的主要原因之一。因此，更好地理解葡萄糖體內(nèi)平衡和其他生理過程晝夜節(jié)律控制的分子機制對于代謝疾病的診斷以及畜牧養(yǎng)殖是至關(guān)重要的。

3.2 生物鐘對脂代謝的調(diào)控

脂肪(如三酰甘油)是體內(nèi)主要的儲能物質(zhì)，脂質(zhì)代謝也呈現(xiàn)出明顯的晝夜節(jié)律以滿足機體對能量的需要，晝夜節(jié)律計時系統(tǒng)在調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝中起著關(guān)鍵作用，促進脂質(zhì)吸收、儲存和運輸?shù)臅円构?jié)律與休息活動及攝食周期在時間上協(xié)調(diào)一致。在細(xì)胞水平上，參與脂質(zhì)合成和脂肪酸氧化的基因被核心時鐘蛋白以一種組織特異性的方式節(jié)律性地激活和抑制。因此，生物鐘基因功能的喪失或晝夜節(jié)律與攝食周期的失調(diào)(如輪班工作)會導(dǎo)致脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)受損。

生物鐘通過調(diào)控脂肪合成和分解代謝過程中一些特定酶來維持機體脂質(zhì)代謝平衡。在野生型小鼠中，脂肪三酰甘油脂肪酶和激素敏感脂肪酶基因直接被CLOCK:BMAL1轉(zhuǎn)錄復(fù)合物激活。在CLOCK突變小鼠中，這些限速脂肪分解酶的基因水平降低，這可能是導(dǎo)致這些動物白色脂肪組織中脂質(zhì)積累增加的原因，可見，核受體激活的晝夜節(jié)律也可能在脂肪組織中核心時鐘蛋白與脂質(zhì)代謝功能的耦合中發(fā)揮重要作用。目前,對于基因缺陷型動物的研究中發(fā)現(xiàn)，REV-ERBɑ在調(diào)節(jié)機體糖脂代謝、脂肪細(xì)胞形成等方面發(fā)揮重要作用，REV-ERBɑ和組蛋白去乙?；?(histone deacetylase 3，HDAC3)共定位于100多個脂質(zhì)生物合成基因，包括脂肪酸合酶、乙酰輔酶A羧化酶和甲狀腺激素誘導(dǎo)的肝蛋白，敲除小鼠肝REV-ERBɑ或HDAC3可引發(fā)肝的脂肪變性[16]。這些研究表明，核心時鐘蛋白通過激活或抑制參與脂質(zhì)代謝相關(guān)基因，直接或通過調(diào)節(jié)其他轉(zhuǎn)錄因子的循環(huán)來調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝途徑。

生物鐘在對脂肪代謝的調(diào)控起重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，只在12 h光照期喂食高脂肪食物的夜間活動小鼠比只在12 h黑暗期喂食高脂肪食物的小鼠體重明顯增加[17]，這可能與小鼠的生物規(guī)律夜間活動有關(guān)。因為大部分脂肪儲存在脂肪組織中，脂肪的調(diào)節(jié)激素表現(xiàn)出晝夜變化節(jié)律，包括食欲抑制劑瘦素，其向下丘腦中的食欲回路發(fā)出餐后飽腹感信號，以減少食物的攝入。Wu 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的飼喂模式下，與對照組(日糧蛋白質(zhì)水平為中-中-中)相比，試驗組(日糧蛋白質(zhì)水平為高-中-低)豬的平均日增重(ADG)顯著增加了14.75%，可能是試驗組與肉的風(fēng)味相關(guān)的生糖氨基酸(蛋氨酸、絲氨酸)含量增加，并通過三羧酸循環(huán)生成脂類，提高生長性能。因此，研究生物鐘可以有效了解畜牧生產(chǎn)力。

4 生物鐘對消化器官及功能的調(diào)控

消化系統(tǒng)是一個十分復(fù)雜的動態(tài)變化體系，包括消化腺(肝、胰腺)和消化道(胃腸道、瘤胃)，食物的消化吸收需要通過消化系統(tǒng)各器官的協(xié)調(diào)配合來完成。食物中的營養(yǎng)素主要包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、無機鹽和水。除了維生素、無機鹽和水可以直接吸收，蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物都是復(fù)雜的大分子有機物質(zhì)，不能直接吸收，它們必須首先在消化道分解為簡單的成分。這一系列的生理活動亦受生物鐘調(diào)控。①在肝中：Wang等[19]利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)SILAC結(jié)合量化蛋白質(zhì)組學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)了肝中500多種受生物鐘調(diào)控的蛋白，它們參與調(diào)控的諸多功能，如碳水化合物、氨基酸、脂類和膽汁酸的代謝，以及解毒酶、激素、膽汁成分和凝血因子的合成均具有晝夜節(jié)律性。Pullen等[20]研究發(fā)現(xiàn)，肝是糖脂代謝的主要器官，調(diào)控乳成分前體物生成與分配，從而決定了乳品質(zhì)與產(chǎn)量，有研究表明，肝攝入的游離脂肪酸與血中游離脂肪酸的含量呈正相關(guān)，而乳脂的合成水平取決于肝輸出的游離脂肪酸水平。②在胰腺中，胰島素和胰高血糖素的分泌都受生物鐘的控制，Bmal1基因敲除可抑制機體胰島素釋放[21]，但在反芻動物方面目前還沒有相關(guān)研究，如何全面深入了解晝夜節(jié)律與胰腺分泌之間的互作機制，提高反芻動物生長性能還有待研究。③此 外，微生物群落的組成和功能也遵循與宿主生物鐘同步的晝夜節(jié)律性，胃腸道與微生物群落密切合作，發(fā)揮眾多代謝和內(nèi)分泌功能。Shaani等[22]通過交叉試驗，分別于早上6：00和晚上17：00采集瘤胃液，體外發(fā)酵48 h，發(fā)現(xiàn)晚上的瘤胃微生物代謝力更強，具有更好的甲烷生成潛力，那么我們可以推測，當(dāng)同一瘤胃群落處于不同的代謝環(huán)境中，其微生物豐度和功能也會發(fā)生改變?？傊?，機體內(nèi)各個組織器官組織之間相互合作又分工明確，且與生物鐘之間的相互協(xié)調(diào)，使生命活動處于相對平衡狀態(tài)。生物鐘一旦被打破可導(dǎo)致代謝紊亂，生物鐘紊亂對外周器官的影響見表1。

表1 生物鐘紊亂對外周器官的影響

4.1 生物鐘對瘤胃菌群與瘤胃內(nèi)環(huán)境的調(diào)控

微生物菌群可調(diào)節(jié)宿主的營養(yǎng)消化吸收、新陳代謝、機體免疫，甚至宿主行為和認(rèn)知功能等生理過程，且這些生理過程都具有一定的節(jié)律性。Thaiss等[5]通過調(diào)節(jié)小鼠光照時間和飲食時間，發(fā)現(xiàn)具有晝夜節(jié)律的菌群占總菌群組成的60%左右。它們在受宿主因素影響的同時，也能參與宿主生命活動的調(diào)節(jié)。菌群紊亂將引起菌群結(jié)構(gòu)和功能的失調(diào)，進而導(dǎo)致機體營養(yǎng)代謝、胃腸道發(fā)育、DNA修復(fù)等方面喪失晝夜節(jié)律性。

瘤胃是迄今已知的降解纖維物質(zhì)能力最強的天然發(fā)酵罐，使反芻動物能夠降解多種飼料成分和代謝物，反芻動物必須依賴瘤胃內(nèi)復(fù)雜的微生物降解植物性飼料而獲得生長所需的能量和營養(yǎng)物質(zhì)。瘤胃菌群主要包括瘤胃原蟲、細(xì)菌、真菌等。瘤胃內(nèi)環(huán)境主要指的是酸度(pH)、氨態(tài)氮(NH3-N)、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)等。當(dāng)環(huán)境條件(進食時間、飼糧形態(tài)與組成、溫度等)恒定時，瘤胃菌群的組成、功能及瘤胃內(nèi)環(huán)境的變化便呈現(xiàn)出特定的規(guī)律性[22]。Khafipour等[25]發(fā)現(xiàn)飼喂的精料過高能顯著上調(diào)瘤胃生物鐘BMAL1、PER1、CLOCK和tRNA基因的表達，同時，也會損傷瘤胃上皮組織，使瘤胃酸度發(fā)生改變，影響VFA的吸收。當(dāng)瘤胃生物鐘節(jié)律發(fā)生變化，破壞了瘤胃最適pH，就會影響一系列消化酶(淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等)和非消化酶(纖維素酶、果膠酶等)的活性，酶的催化作用受到抑制。Shaani等[22]對16頭荷斯坦奶牛瘤胃微生物進行取樣，取樣時間分別是喂食前1 h(06:00)、喂食后4 h(11:00)、喂食后7 h(14:00)和喂食后10 h(17:00)，發(fā)現(xiàn)擬桿菌豐度從喂食前1 h的43%下降到喂食后10 h的13%，厚壁菌門、廣布菌門和放線菌顯著增加，厚壁菌門和擬桿菌門的比率從早上到晚上增加了6倍，說明瘤胃菌群隨喂食時間的增加顯著變化。此外，熱應(yīng)激會抑制瘤胃微生物的生長。迄今為止，在時間軸上對瘤胃微生物群落晝夜節(jié)律性的研究少見報道。在評估瘤胃發(fā)酵終產(chǎn)物時，瘤胃微生物代謝的晝夜動態(tài)通常被忽略，因此，今后需進一步試驗去深入探究生物鐘與瘤胃菌群晝夜代謝及內(nèi)環(huán)境變化之間的互聯(lián)機制。

4.2 生物鐘對胃腸道功能的調(diào)控

近年來，許多報道顯示，晝夜節(jié)律調(diào)控著胃腸道的許多功能，胃腸道運動也遵循著這些規(guī)律。①在胃的運動方面，早在1987年就有學(xué)者發(fā)現(xiàn)同一個體晚8:00進食同樣飲食后的排空率明顯要比早8:00慢[26]。Lindberg等[27]對30名志愿者進行動態(tài)胃電圖檢測，發(fā)現(xiàn)中午的平均頻率顯著高于深夜，具有明顯的晝夜變化，說明胃腸運動受生物鐘的調(diào)控。②在小腸運動方面，Kumar[28]通過雙腔測壓導(dǎo)管觀察近端小腸的移行性復(fù)合運動，他發(fā)現(xiàn)健康人白天和黑夜之間移行性復(fù)合運動(MMC)傳播速度存在可觀的差異性，但在腸易激綜合征(IBS)患者中是無差異的。③在結(jié)腸和直腸運動方面，一些健康志愿者腸道動力的試驗研究已證實腸道運動有晝夜節(jié)律的變化，且結(jié)腸、直腸在夜間運動弱于白天。④胃腸道激素分泌也具有晝夜節(jié)律性，調(diào)節(jié)胃酸分泌的促膽囊收縮素、促胃液素等下丘腦肽類物質(zhì)的合成具有生物節(jié)律性。

生物鐘可橫跨“時間和空間”變化，如倒時差、熬夜的人群易出現(xiàn)胃腸道不適，出現(xiàn)食欲不振、便秘、消化不良等癥狀。但是生物鐘作為胃腸運動調(diào)節(jié)因素的具體作用機制仍不明確，需進一步探究。

5 生物鐘對動物的影響

地球自轉(zhuǎn)所帶來的環(huán)境變化中最明顯且持續(xù)的信號因子是光周期變化，因此光照被認(rèn)為是對機體影響最大因素，人們一直從日糧營養(yǎng)、飼養(yǎng)管理條件及生物調(diào)控技術(shù)等方面來提高家畜的生產(chǎn)性能。然而改變晝夜節(jié)律中白天光照時間，對家畜的行為活動、新陳代謝、生長發(fā)育具有一定的影響。有研究指出，給予斷奶仔豬長光照，可促進其日采食量和提高日增重，減少維持能量，提高能量利用率和飼料轉(zhuǎn)化效率[29]。表明光照時間可以作為促進斷奶仔豬采食量的一種方法。Martelli 等[30]設(shè)置兩組光照時長(8、16 h 光照)，發(fā)現(xiàn)延長光照提高了豬的生產(chǎn)性能，而兩組間的肉品質(zhì)及皮下脂肪的脂肪酸組成差異不顯著，說明即使在較低光照強度下，適當(dāng)延長光照時間有助于育肥豬生長，且對動物行為健康及動物產(chǎn)品無不利影響。李勝利等[31]研究發(fā)現(xiàn)不同光照條件顯著影響試驗羊的營養(yǎng)物質(zhì)表觀消化率，日糧能量水平相同條件下，短光照條件下試驗羊的DM、NDF和CP表觀消化率均高于長光照。Lacasse等[32]研究表明，在干奶期，短光照組與長光照組相比可顯著增加經(jīng)產(chǎn)奶牛泌乳前期產(chǎn)奶量的10.9%和7.6%，這是由于短光照下能夠促進乳腺生長，提高生產(chǎn)性能。

根據(jù)動物自身生理節(jié)律特點來調(diào)整營養(yǎng)結(jié)構(gòu)及光照時間，可達到低碳氮減排、節(jié)約飼料成本和提高動物生產(chǎn)性能的目的。表2、3匯總了近幾年國內(nèi)外關(guān)于生物鐘或光照周期對動物影響的研究進展。

表2 生物鐘或光照周期對單胃動物的影響

表3 生物鐘或光照周期對反芻動物影響的研究進展

由表2、3可以看出，人們開始利用動物生物鐘的調(diào)控作用，遵守自然規(guī)律，給生產(chǎn)帶來效益。生物鐘的研究不僅應(yīng)用于動物產(chǎn)品方面，而且在調(diào)整人們生物鐘儀器和藥物的開發(fā)、食譜的改良、疾病及癌癥的治療等方面應(yīng)用廣泛。在如今快節(jié)奏的生活中，人們生活作息越來越不規(guī)律，長期輪班工作或經(jīng)常倒“時差”容易造成體內(nèi)生物鐘紊亂，對營養(yǎng)代謝有多重不利影響。因此，長期的作息不規(guī)律使得患肥胖癥、Ⅱ型糖尿病和心血管疾病的風(fēng)險明顯增高，此外，晝夜節(jié)律的紊亂也會引發(fā)腸胃不適，甚至誘發(fā)結(jié)腸直腸癌或其他代謝性疾病。為此，從生理指標(biāo)、行為學(xué)、基因表達等方面進行綜合評價，明確不同營養(yǎng)配制及飼喂技術(shù)對動物表現(xiàn)性狀的影響，有利于把效率和營養(yǎng)素利用率提高。

6 生物鐘被調(diào)控的因素

生物鐘雖然具有內(nèi)源性機制，機體生物鐘的相位與外界環(huán)境信號同步，但同時也受環(huán)境因素如光照、溫度、運動、飲食(營養(yǎng)物質(zhì)、飼喂模式)等的影響。

在哺乳動物中，飲食信號已被證明是除光信號外最有效的生物鐘授時信號。營養(yǎng)成分(氨基酸、葡萄糖等)、飼喂模式可誘導(dǎo)外周器官、腦組織中的生物鐘基因在表達時脫離母鐘SCN的控制，從而形成由食物信號引起的相對獨立的外周生物鐘節(jié)律，實現(xiàn)重置生物鐘時相。葡萄糖、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)作為機體能量的主要來源，它能引起中控基因的相對位移，實現(xiàn)對生物鐘的調(diào)控。Iwanaga等[40]在給禁食引起的低血糖大鼠注射葡萄糖后，發(fā)現(xiàn)SCN和肝中PER2的表達峰值都發(fā)生了移動，此外又通過對另一批大鼠頸靜脈注射氨基酸混合物后也得出相同的結(jié)果，這說明葡萄糖和氨基酸均可顯著調(diào)控生物鐘。

限時采食也有助于維持一個穩(wěn)定的生物鐘系統(tǒng)，通過基因PER1/2雙敲除試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)宿主的晝夜節(jié)律發(fā)生紊亂后將直接打破腸道菌群晝夜波動的節(jié)律性，引起菌群的組成和功能兩方面的改變。對此類小鼠給予長時間規(guī)律性飲食后檢測菌群的組成發(fā)現(xiàn)，調(diào)控進食節(jié)律可糾正由于宿主生物節(jié)律破壞而引起的菌群失調(diào)。另有研究發(fā)現(xiàn)，抗生素誘導(dǎo)的腸道菌群失調(diào)會導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞的晝夜節(jié)律振幅減弱[41]。菌群節(jié)律波動是一個過程，與宿主行為的晝夜節(jié)律及微生物群組成存在一定的關(guān)聯(lián)。

新陳代謝既是生物鐘調(diào)節(jié)的輸出，也是生物鐘的重要輸入。研究表明，這種輸入-輸出反饋調(diào)節(jié)機制為生物生命活動提供必要的伸縮性，來調(diào)節(jié)生理活動以適應(yīng)細(xì)胞、組織和整個生物體的代謝需求。

7 小 結(jié)

生物鐘系統(tǒng)普遍存在于生命體的各級水平，參與生命活動的生理過程，生物鐘系統(tǒng)對機體營養(yǎng)和代謝方面的調(diào)控作用非常廣泛，屬于現(xiàn)代生命科學(xué)研究中的重大基礎(chǔ)理論，利用動物機體在一個周期中對營養(yǎng)物質(zhì)消化、吸收和利用的節(jié)律性進行科學(xué)精準(zhǔn)飼喂，不僅可以提高營養(yǎng)素的利用，同時，還最大程度地發(fā)揮其生長性能，促進動物健康，提高養(yǎng)殖效益。對于動物營養(yǎng)學(xué)科，如何根據(jù)不同動物的生物鐘或生物節(jié)律，發(fā)揮動物本身的作用，調(diào)控營養(yǎng)物質(zhì)的利用效率，提高動物的生產(chǎn)性能，有著重要的理論價值和實際意義，有待開展一系列的試驗研究，進一步揭示其中的奧妙，建立一個協(xié)調(diào)的動物與營養(yǎng)及環(huán)境的平衡機制。