水產動物色氨酸研究進展

王連生 張圓圓 李晉南 楊 喆,2

(1.中國水產科學研究院黑龍江水產研究所，黑龍江省水生動物病害與免疫重點實驗室，哈爾濱 150070；2.湖州師范學院生命科學學院，中國水產科學研究院水生動物繁育與營養(yǎng)重點實驗室，浙江省水生生物資源養(yǎng)護與開發(fā)技術研究重點實驗室,湖州 313000)

色氨酸(tryptophan)又稱β-吲哚基丙氨酸，化學式為C11H12N2O2，是水產動物的必需氨基酸。色氨酸是飼料蛋白質的重要組成成分，是高脂肉粉、骨粉的第一限制性氨基酸，是玉米蛋白粉、血粉、禽下腳料及蠶豆的第二限制性氨基酸，是羽扇豆、羽毛粉的第三限制性氨基酸[1]。色氨酸缺乏導致虹鱒(Oreochromisniloticus)生長性能降低、脊柱側凸、前凸及白內障，肝臟、腎臟中鈣、鎂、鈉及鉀的含量升高[2]。在色氨酸缺乏飼料中補充晶體色氨酸，可以提高虹鱒、非洲鯰魚(Clariasgariepinus)、雜交條紋鱸(Moronechrysop×M.saxatilis)、露斯塔野鯪(Labeorohita)及凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)的生長性能[3-7]。色氨酸是5-羥色胺的前體物質，5-羥色胺是一種重要神經遞質，可以調節(jié)水產動物的攝食及攻擊行為[8-11]。本文就色氨酸代謝途徑、水產動物對色氨酸的需要量、色氨酸對攝食、應激、免疫的影響進行綜述，以期為色氨酸在水產動物中開展深入研究提供參考。

1 色氨酸的代謝途徑

飼料中的色氨酸被消化、吸收后，除用于蛋白質合成外，還有以下3條主要代謝途徑(圖1)。色氨酸在色氨酸羧化酶和芳香族氨基酸脫羧酶催化作用下合成5-羥色胺，進一步通過芳香烷基胺-N-乙?；D移酶和羥基吲哚-氧-甲基轉移酶催化合成褪黑素，此途徑主要受機體生理狀態(tài)和外部環(huán)境調節(jié)[12]。色氨酸主要通過犬尿氨酸-煙酸途徑在肝臟中進行分解代謝生成N-甲酰犬尿氨酸，并受吲哚胺2，3-雙加氧酶(IDO)和色氨酸2，3-雙加氧酶(TDO)的調控，其中IDO是色氨酸代謝的限速酶[13]。N-甲酰犬尿氨酸在犬尿氨酸甲酰胺酶作用下生成L-犬尿氨酸，進一步生成3-羥基犬尿氨酸和3-羥基鄰氨基苯甲酸，最后生成完全氧化的乙酰輔酶A，或者進一步生成喹啉酸和煙酸[14]。

2 水產動物對色氨酸的需要量

色氨酸是水產動物機體蛋白質組成中含量最低的氨基酸，因此，水產動物飼料中色氨酸的需要量也低于其他必需氨基酸。水產動物的色氨酸需要量與養(yǎng)殖品種、飼料組成、試驗動物初始體重等多種因素有關，此外，飼料中蛋白質、氨基酸及能量消化率也會影響水產動物的色氨酸需要量[16]。表1中展示了17種水產動物的色氨酸需要量，不同養(yǎng)殖品種色氨酸需要量不同，研究結果的總體范圍為0.13%～0.48%。由表1可知，鯉魚(Cyprinuscarpio)色氨酸需要量為0.13%，而麥瑞加拉鯪(Cirrhinusmrigala)色氨酸需要量為0.48%；即使是同一品種，不同規(guī)格、不同統(tǒng)計模型、不同參考指標，色氨酸的需要量也不同，例如，露斯塔野鯪、羅非魚(Oreochromisniloticus)的色氨酸需要量分別為0.21%～0.38%、0.25%～0.38%。色氨酸缺乏或過量均抑制水產動物生長，降低消化酶活性及免疫功能[17-18]。給少帶重牙鯛(Diplodussargus)投喂對照組飼料以及添加2.1%賴氨酸或0.4%色氨酸的飼料時，添加色氨酸組增重率顯著低于對照組、添加賴氨酸組，其可能是由飼料總色氨酸過量造成的[19]。適量的色氨酸可以提高水產動物腸道長度、重量、指數及褶皺高度，肝胰腺和腸道蛋白酶、脂肪酶及淀粉酶的活性，進而提高蛋白質、氨基酸、干物質的表觀消化率[20-21]，同時提高其他必需氨基酸、非必需氨基酸的沉積率，進而促進水產動物生長[22]。胰島素樣生長因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)在水產動物生長、發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用，色氨酸參與IGF-Ⅰ的合成調控，適量色氨酸促進IGF-Ⅰ的合成、分泌[23]。此外，成肌調節(jié)因子(MRFs)和肌生成抑制蛋白是水產動物肌肉生長的重要調節(jié)因子，這些調節(jié)因子受營養(yǎng)素的調控，特別是色氨酸，其具有促進肌肉生長的作用[24]。羅非魚飼料中色氨酸含量為0.37%時，具有活化增殖肌衛(wèi)星細胞作用的肌分化因子和肌細胞生成素的基因表達量顯著升高，具有抑制肌肉生長作用的肌生成抑制蛋白的基因表達量顯著減低[25-26]。上述研究結果表明，適量色氨酸通過改善腸道形態(tài)結構、提高消化酶活性、促進IGF-Ⅰ的合成及肌肉生長，提高水產動物的生長性能。

TpOH：色氨酸羥化酶 tryptophan hydroxylase；AAAD：芳香族氨基酸脫羧酶 aromatic amino acid decarboxylase；AANAT：芳香烷基胺-N-乙?；D移酶 arylalkylamine-N-acetyltransferase；HIOMT：羥基吲哚-氧-甲基轉移酶 hydroxyindole-O-methyltransferase；TDO：色氨酸2,3-雙加氧酶 tryptophan 2,3-dioxygenase；IDO：吲哚胺2,3-雙加氧酶 indoleamine 2,3-dioxygenase；AF：犬尿氨酸甲酰胺酶 kynurenine formamidase；KAT：犬尿氨酸氨基轉移酶kynurenine aminotransferase；KMO：犬尿氨酸3-單加氧酶 kynurenine 3-monooxygenase；3-HAAO：3-羥基鄰氨基苯甲酸3,4-雙氧化酶 3-hydroxyanthranilic acid 3,4-dioxygenase；kynureninase：犬尿氨酸酶；non-enzymatic cyclization：非酶環(huán)化。

表1 水產動物的色氨酸需要量(以飼料干物質計)Table 1 Tryptophan requirement of aquatic animals (by dry matter of diet)

3 色氨酸對水產動物攝食量的影響

適量色氨酸能促進水產動物的攝食。在羅非魚高植物蛋白質飼料中分別添加0.4 g/kg二甲基-β-丙酸噻亭、0.6 g/kg二甲基乙酸噻亭(DMP)、1.8 g/kg色氨酸、6 g/kg甜菜堿，結果發(fā)現，色氨酸組和DMP組的攝食量顯著高于對照組，其主要原因是色氨酸促進腦神經肽Y的基因表達，DMP促進胃饑餓素的基因表達[41]。飼料色氨酸含量為0.24%和0.27%組印度囊鰓鯰(Heteropneustesfossilis)的攝食量顯著高于飼料色氨酸含量為0.10%和0.15%組[31]。在牙鲆(Paralichthysolivaceus)飼料中分別添加0.12%、0.30%和0.50%色氨酸時，攝食量隨著色氨酸添加量的增加顯著升高[42]。當色氨酸含量高于需要量時，隨著色氨酸含量的增加，攝食量顯著降低。建鯉(CyprinuscarpioJian)飼料中色氨酸含量為0.11%～0.38%時，隨著飼料色氨酸含量的增加，攝食量顯著提高；色氨酸含量為0.38%～0.69%時，隨著飼料色氨酸含量的增加，攝食量顯著降低[21]。適量的色氨酸提高水產動物的生長性能，可能與提高其攝食量有關[31,35]。草魚(Ctenopharyngodonidella)飼料中色氨酸含量為0.07%～0.31%時，攝食量和增重率隨著飼料色氨酸含量的升高而顯著提高，且增重率與攝食量呈顯著正相關[34]。然而，對羅非魚的研究結果顯示，飼料色氨酸含量對攝食量沒有顯著影響[3]。色氨酸對攝食量影響不一致的可能原因是試驗飼料中色氨酸的含量、試驗飼料原料及水產動物品種等存在差異。

4 色氨酸對水產動物應激反應的影響

適量色氨酸能緩解亞硝酸鹽、高銅、拉網、細菌感染、擁擠等造成的應激脅迫。在露斯塔野鯪飼料中添加0.75%或1.00%色氨酸顯著改善了亞硝酸鹽應激導致的增重率、特定生長率顯著降低，飼料系數顯著升高，肝臟、肌肉谷草轉氨酶和谷丙轉氨酶活性顯著降低的問題，緩解了亞硝酸鹽的應激反應[43]；此外，色氨酸可以緩解溫度、鹽度對露斯塔野鯪的應激反應[44]。在擬鯉(Rutilusrutiluscaspicus)飼料中添加0.25%色氨酸顯著降低了高銅應激死亡率[45]。在加利福尼亞灣石首魚(Totoabamacdonaldi)飼料中添加需要量1倍或2倍的色氨酸時，拉網應激后端腦5-羥基吲哚乙酸和5-羥色胺含量顯著升高；然而，添加需要量3倍或4倍的色氨酸時兩者含量顯著降低[46]。在鋸緣青蟹(Scyllaserrata)飼料中添加0.75%或1.00%色氨酸后顯著降低了其攻擊強度和攻擊頻率，添加0.50%、0.75%或1.00%色氨酸后顯著提高了血淋巴中5-羥色胺的含量和青蟹成活率，但增重率、特定生長率均顯著降低[47]。

此外，為提高水產動物單位面積產量，高密度養(yǎng)殖是最常用的養(yǎng)殖模式，但高密度養(yǎng)殖通常會帶來擁擠脅迫應激，導致皮質醇釋放增加，長期脅迫影響水產動物健康[48-49]。高密度養(yǎng)殖組海參(ApostichopusjaponicusSelenka)的特定生長率顯著低于低密度養(yǎng)殖組，飼料中添加1%或3%色氨酸通過改變機體能量分配，提高用于生長的能量，降低機體皮質醇、葡萄糖及乳酸的含量，顯著提高海參的特定生長率[50]。在麥瑞加拉鯪飼料中添加2.72%的色氨酸能夠緩解高密度養(yǎng)殖對皮質醇含量及生長的負面影響[51]。在虹鱒飼料中添加0.5%的色氨酸顯著提高了低密度養(yǎng)殖條件下的生長性能、肌肉粗脂肪含量，顯著降低了血清皮質醇、葡萄糖的含量；添加0.5%或1.0%的色氨酸顯著降低了高密度養(yǎng)殖條件下虹鱒的飼料系數[52]。上述研究結果表明，色氨酸可以緩解高密度養(yǎng)殖帶來的擁擠脅迫，提高水產動物的生長性能。

色氨酸緩解應激脅迫的可能機制是：1)色氨酸可以促進機體5-羥色胺的生物合成，合成的5-羥色胺直接抑制皮質醇的合成和攻擊行為，進而緩解應激反應[8,15,53]。歐洲鱸魚(Dicentrarchuslabrax)經美人魚發(fā)光桿菌攻毒48和72 h后，色氨酸添加組血清中皮質醇含量顯著低于色氨酸缺乏組，從而緩解了攻毒應激反應[54]。2)應激反應產生的皮質醇激活糖酵解和糖異生，產生大量葡萄糖用于抗應激，飼料中添加色氨酸可以緩解應激反應，降低血清中葡萄糖的含量[55-56]。羅非魚飼料中色氨酸含量為0.37%和0.48%時，血清中皮質醇和葡萄糖的含量均顯著低于色氨酸含量為0.26%時[26]。團頭魴(Megalobramaamblycephala)飼料中色氨酸添加量對血清葡萄糖含量的影響未達到顯著水平，但隨著色氨酸添加量的增加，血清葡萄糖含量先降低后升高，色氨酸調控糖代謝的主要途徑是降低糖酵解葡萄糖激酶的基因表達量和提高糖異生磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、葡萄糖-6-磷酸酶的基因表達量[17]。

5 色氨酸對水產動物抗病力、抗氧化和免疫功能的影響

色氨酸代謝產物具有廣泛的生理作用，除上述緩解應激外，色氨酸還有提高抗病力、抗氧化和免疫功能等作用。歐洲鱸魚攝食色氨酸缺乏飼料、色氨酸含量正常飼料、正常飼料添加0.13%和0.17%色氨酸飼料，經美人魚發(fā)光桿菌攻毒8 d后，色氨酸缺乏組死亡率最高，其次是正常飼料添加0.17%色氨酸組，正常組和正常飼料添加0.13%色氨酸組死亡率最低，表明色氨酸缺乏或過量均降低歐洲鱸魚的抗病力[54]。虹鱒在低密度和高密度養(yǎng)殖條件下，通過在飼料中添加0.5%色氨酸可顯著提高血清溶菌酶及過氧化氫酶(CAT)活性，顯著降低血清丙二醛(MDA)含量，提高機體的抗氧化性能；高密度養(yǎng)殖條件下，添加0.5%色氨酸顯著提高腸道免疫因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)與抗炎因子白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-8(IL-8)的基因表達量，提高抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、CAT、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)的基因表達量及活性；添加1.0%色氨酸提高TNF-α的基因表達量及SOD活性，降低促炎因子白細胞介素-6(IL-6)和SOD的基因表達量[57-58]。在歐洲鱸魚飼料中添加0.5%色氨酸投喂15 d后，血細胞比容、血紅蛋白含量、紅細胞及白細胞數量與對照組相比均沒有顯著變化；經美人魚發(fā)光桿菌攻毒后，0.5%色氨酸組紅細胞平均血紅蛋白濃度、中性粒細胞數量顯著提高[59]。上述研究結果表明，色氨酸通過提高抗氧化酶活性及基因表達，抑制促炎因子、提高抗炎因子的基因表達，從而提高機體抗病力。

色氨酸調控水產動抗病力、抗氧化和免疫功能的可能機制為：1)色氨酸作為神經內分泌物5-羥色胺和褪黑素的前體物，在水產動物應激條件下添加能夠增加二者的合成量，進而提高下游抗氧化酶的活性，起到抗氧化作用[60]。在中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)飼料中添加色氨酸可顯著提高肝胰腺的SOD活性，這與褪黑素注射1 d后肝胰腺的總抗氧化(T-AOC)、SOD活性顯著提高的效果相似[61]。2)色氨酸分解代謝IDO可誘導γ-干擾素、釋放細胞因子、激活免疫細胞、提高機體抗氧化和抗菌活性，進而提高機體的免疫功能[12]。3)色氨酸通過核因子E2相關因子2(Nrf2)/Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關蛋白1(Keap1)信號通路提高抗氧化酶活性及其基因表達量，通過磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)-雷帕霉素靶蛋白(TOR)、核轉錄因子-κB(NF-κB)信號通路降低促炎因子的基因表達量，提高抗炎因子的基因表達量[62]。適量的色氨酸可提高草魚抗炎因子白細胞介素-10(IL-10)、轉化生長因子-β(TGF-β)、核轉錄因子-κB抑制因子α(IκBα)的基因表達量，降低促炎因子TNF-α、IL-8及白細胞介素-1β(IL-1β)的基因表達量，提高SOD、CAT、GPx、谷胱甘肽還原酶(GR)、谷胱甘肽-S-轉移酶(GST)的基因表達量[18]。4)色氨酸調控機體健康還與腸道免疫有關。在中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)飼料中添加0.47%或0.73%的色氨酸，可顯著提高嗜水氣單胞菌攻毒后的成活率，提高腸道菌群豐度和多樣性指數，提高變形菌門、厚壁菌門、放線菌門優(yōu)勢菌群的豐度，改善腸道健康[63]。在草魚飼料中添加色氨酸顯著提高了銅脅迫后腸道溶菌酶、酸性磷酸酶活性及補體3(C3)的含量，提高了抗氧化酶SOD、GPx的活性及谷胱甘肽的含量，降低了MDA、蛋白質羰基的含量；通過提高腸道TGF-β、IL-10、閉合蛋白、閉鎖小帶、SOD及GPx的基因表達量，降低IL-8、TNF-α、Keap1等基因表達量，改善腸道健康，提高機體抗病力[34]。

6 小結與展望

目前，關于水產動物的色氨酸需要量及色氨酸營養(yǎng)生理功能已有大量研究，現有研究得出的水產動物色氨酸需要量為0.13%～0.48%(色氨酸占飼料干物質的百分比)，適量的色氨酸可以提高水產動物的攝食量，緩解水產動物對高養(yǎng)殖密度、高銅、亞硝酸鹽等的應激反應，通過提高免疫、抗氧化功能，進而提高抗病力。但是，關于色氨酸在水產動物體內的代謝途徑、色氨酸對機體糖、脂肪等代謝的影響機制、大規(guī)格水產動物對色氨酸的需要量等方面仍需開展更為全面的研究。