水產動物蘇氨酸營養(yǎng)免疫研究進展

范 澤， 張植元， 李正偉， 劉慶武， 王連生*

（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；黑龍江 哈爾濱 150070；2.四川水利職業(yè)技術學院，四川 成都 611231；3.黑龍江省水生動物資源養(yǎng)護中心，黑龍江 哈爾濱 150070；4.黑龍江省雙鴨山市農業(yè)技術推廣總站，黑龍江 雙鴨山 155100）

蛋白質作為構成機體的基礎物質，是由氨基酸組成的含氮高分子化合物。水產動物對蛋白質的需求，尤其是對魚粉的需求其實是對氨基酸的需求（NRC，2011）。但由于大量植物蛋白（豆粕、菜籽粕、玉米蛋白粉等）替代魚粉在飼料中使用、新型蛋白源開發(fā)等產業(yè)現(xiàn)狀，氨基酸平衡問題日漸凸顯（麥康森等，2021）。除了賴氨酸（牛小天等，2019）和蛋氨酸（王連生等，2020）這兩種主要限制性氨基酸外，蘇氨酸在飼料氨基酸平衡中的作用日趨顯著，成為除賴氨酸或蛋氨酸外的第二或第三限制性氨基酸，影響著水產動物機體生長性能、生產性能及健康狀態(tài)（麥康森等，2008；Wilson，2002）。因此，蘇氨酸營養(yǎng)研究成為近些年水產動物營養(yǎng)的研究熱點之一。蘇氨酸作為水產動物生長的必需氨基酸，在促進機體生長、強化體蛋白質合成及增強機體免疫力等方面發(fā)揮著重要作用（Alam等，2003)。本文主要就水產動物蘇氨酸營養(yǎng)需求，蘇氨酸對蛋白質代謝、消化吸收、抗氧化能力、免疫功能的影響進行了綜述，以期為蘇氨酸在水產動物功能機理與健康養(yǎng)殖方面的進一步研究奠定理論基礎。

1 水產動物蘇氨酸需求量

蘇氨酸的缺乏可以導致日本牙鲆（Alam等，2003）和印度鯉魚（Ahemd等，2004）生長減緩，印度鯉魚（Abidi等，2008）和印度鯰魚（Ahemd等，2007）飼料利用率降低。由表1可以看出，以占飼料的百分比計算（下同），魚類對蘇氨酸的需求量為1.04%~2.06%，蝦蟹類對蘇氨酸的需求量為1.36%~1.59%。不同種類水產動物的蘇氨酸需求量存在差異，虹鱒的蘇氨酸需求量僅為1.04%（Bodin等，2008），而大黃魚的蘇氨酸需求量高達2.06%（何志剛，2008）。同一品種不同規(guī)格的水產動物對蘇氨酸需求量的變化情況存在差異，體重為8 g（何志剛，2008）、333.93 g鱸魚（竇秀麗等，2014）的蘇氨酸需求量分別為1.78%、1.84%，二者相差不大，而體重8.35 g（文華等，2009）、250.00 g（胡曉霞，2012）草魚的蘇氨酸需求量分別為1.72%、1.22%，二者相差較大，目前規(guī)格對于水產動物蘇氨酸需求量的影響規(guī)律尚未清晰。不同養(yǎng)殖環(huán)境對水產動物蘇氨酸需求量有潛在影響。Huai等（2009）在低鹽度條件下得出的0.48 g凡納濱對蝦蘇氨酸的需要量為1.36%。而王用黎（2013）發(fā)現(xiàn)，在正常海水鹽度下0.50 g凡納濱對蝦蘇氨酸需要量為1.51%。在目前的研究中，生長參數(shù)通常是評價水產動物蘇氨酸需求量的常用指標，但需指出的是不同評價指標會對水產動物蘇氨酸需求量產生一定影響，如大黃魚分別以特定生長率、氮保持率作為評價指標，回歸分析得到的蘇氨酸需求量為1.86%、2.06%。根據免疫指標確定的幼建鯉蘇氨酸需要量為1.56%~1.69%。與根據生長性能指標確定的1.62%以及根據消化吸收能力性能指標確定的1.62%~1.69%存在一定差異（馮琳，2010）。

表1 水產動物蘇氨酸需求量（占飼料的百分比）

由于在試驗設計、魚種及養(yǎng)殖條件等方面存在差異，表中列出的研究結果在具有合理性的同時又存在差異性，造成分析過程具有主觀性，分析結果多為相對模糊的定性結論。為了避免這一問題，參照李智等（2020）的數(shù)據分析方法，筆者采用Meta分析方法對水產動物蘇氨酸需求研究中的原始結果進行了二次整合的定量分析。初檢出相關文獻20篇，經篩選最終選擇14篇，其中關于魚類的相關研究11篇，甲殼動物3篇（對蝦2篇，中華絨螯蟹1篇）?；诜治鰟┝啃褂盟膮?shù)營養(yǎng)動力學分析方法對經過標準化響應處理后的體增重率（WGR）與蘇氨酸需要量進行定量分析（圖1）（Mercer，1982）。根據不同魚類甲殼類對蘇氨酸需要量的研究結果，分別采用了WGR與蘇氨酸占飼料百分比（%飼料）（圖1A）和占飼料中粗蛋白質百分比（%CP）（圖1B）繪制曲線，并嘗試采用不同回歸分析對曲線進行擬合，最終確定了三次多項式回歸分析模型 （擬合曲線公式分別為：y=20.923x3-105.41x2+176.08x-0.0084，R2=0.9957；y=1.5556x3-18.84x2+74.725x+0.0129，R2=0.9798），擬合得到魚類和甲殼類水產動物蘇氨酸需要量為1.572%（占飼料）和4.673%（占飼料蛋白質）。

圖1 不同魚類蘇氨酸需要量的文獻分析

此外，飼料蛋白源的差異也會直接影響水產動物對蘇氨酸的需求。在確定水產動物蘇氨酸營養(yǎng)需求的試驗中，通常會選取如豆粕、玉米蛋白、小麥面筋等蘇氨酸含量較低的植物蛋白源，因此在飼料中以上述蛋白源為魚體提供蛋白時應考慮飼料中蘇氨酸含量是否能夠滿足水產動物的營養(yǎng)需求（王亞玲等，2021）。王亞玲等（2021）發(fā)現(xiàn)，以特定生長率、蛋白質效率為評價指標，用低魚粉（15%）飼料飼喂三倍體虹鱒時，其蘇氨酸最佳需要量為1.2%~1.3%。

2 蘇氨酸對水產動物的影響

2.1 蘇氨酸對水產動物肉質的影響 肉質評價的內容主要包括外觀特征、肌肉營養(yǎng)生化組成、感官評價結合質構特性和肌纖維組織特征等方面。肌肉的常規(guī)營養(yǎng)成分含量是營養(yǎng)物質攝入后在體內沉積的一個具體表現(xiàn)，可以評估肌肉的食用營養(yǎng)價值。Alam等（2003）發(fā)現(xiàn)，飼料中蘇氨酸對日本牙鲆全魚營養(yǎng)成分均有顯著影響，當蘇氨酸水平達到需要量1.61%（占飼料），全魚水分最低，蛋白質含量最高，同時蘇氨酸水平的提高也會顯著提升全魚粗脂肪含量。在對印度鯰魚（Ahemd等，2007）和幼齡草魚（Helland和Grisdale-Helland，2011）研究中也得到了類似結論。表明適宜蘇氨酸水平能夠提高機體蛋白質和脂肪的沉積能力。在對生長中期草魚的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，飼料中蘇氨酸水平達到1.51%時，能夠降低草魚肌肉水分含量，增加肌肉粗蛋白質含量。肌肉質構特性與肌肉微觀組織結構密切關聯(lián)，魚肉質構特性的變化主要取決于魚肉肌纖維數(shù)量和結構上的改變（Aussanasuwannakul等，2012）。蘇氨酸過量或缺乏均會擴大建鯉肌纖維平均直徑，縮小肌纖維密度，進而降低肌肉肌纖維募集能力，減緩肌肉生長速度，同時反應出肌肉硬度小，剪切力差（白稚子等，2019）。而對于凡納濱對蝦（王用黎，2013）、中華絨螯蟹（王偉，2015），肌肉營養(yǎng)成分并未受到飼料蘇氨酸水平的顯著影響。蘇氨酸在調控魚類和蝦蟹類肉質方面的不同機制，可能是造成二者飼料蘇氨酸需求量差異的重要原因之一。

2.2 蘇氨酸對水產動物蛋白質代謝的影響 對于幼建鯉，當蘇氨酸水平低于1.57%或高于1.57%時均會降低肝胰臟和肌肉谷丙轉氨酶和谷草轉氨酶的活力，提高二者在血清中的活力，并顯著提升血清中血氨的含量（馮琳，2010），表明蘇氨酸水平過低或過高均會影響機體氨基酸平衡，使蛋白質分解代謝處于優(yōu)勢，抑制機體蛋白質合成代謝，暗示飼料中蘇氨酸水平的變化會影響魚體蛋白質的周轉代謝（Swatson等，2002）。RNA/DNA比值能夠精準地反映蛋白質合成情況（趙振山等，1994）。蘇氨酸缺乏會降低草魚肌肉RNA含量以及RNA/DNA比值，表明蘇氨酸缺乏會減緩肌肉蛋白質合成速度（Patra等，2017；文華等，2009）。雷帕霉素蛋白（TOR）是蛋白質合成的信號調控分子（辛芳等2016）。不同于亮氨酸（Zou等，2018）、異亮氨酸 （Zhao等，2013）及纈氨 酸（Luo等，2014），當蘇氨酸缺乏或過量時幼建鯉的肌肉和腸道中TOR基因表達量會被顯著上調（Feng等，2013），這可能與前述三者均為支鏈氨基酸有關，支鏈氨基酸調控蛋白質最主要的潛在機制是通過激活mTOR信號通路來加速肌肉蛋白質合成（Zhang等，2014）。因此關于蘇氨酸影響水產動物蛋白質代謝的具體機制需要進一步研究。

2.3 蘇氨酸對水產動物消化吸收能力的影響肝胰臟、腸道的生長發(fā)育程度影響著水產動物的消化吸收（李雪吟，2017）。對于幼建鯉（馮琳，2010）及生長后期草魚（洪楊，2012），蘇氨酸缺乏會顯著降低腸體指數(shù)、腸長指數(shù)、腸道蛋白含量、肝體指數(shù)及肝胰臟蛋白含量。同時，對體外培養(yǎng)鯉魚腸上皮細胞的研究發(fā)現(xiàn)，適宜水平的蘇氨酸能夠促進鯉魚腸上皮細胞的增殖和分化（彭艷，2009），表明適宜的蘇氨酸水平能夠促進魚類腸道及肝胰臟的生長發(fā)育。腸道及肝胰臟中消化酶活力能夠直接反映水產動物消化能力（黃瑾，2011）。對于幼建鯉（馮琳，2010）、生長中期草魚（胡曉霞，2012）、生長后期草魚（李雪吟，2017），飼料蘇氨酸缺乏將會抑制腸道和肝胰臟中蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活力，而添加蘇氨酸后，三種酶的合成會顯著增加，在王偉等（2015）對中華絨螯蟹的研究中得到了一致的結果。同時這在賴氨酸（趙春蓉，2005）、蛋氨酸（帥柯，2006）等對水產動物消化酶影響研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結果，說明當機體所需的氨基酸不足時，外源補充適量的氨基酸能夠促進消化酶的合成和分泌。腸道的吸收能力主要依靠刷狀緣酶的活力（Zhao等，2012）。飼料蘇氨酸缺乏后，生長中期草魚腸道中堿性磷酸酶（ALP）、肌酸激酶（CK）、γ-谷氨酰轉肽酶（γ-GT）和Na+，K+-ATP酶活力顯著降低，而當蘇氨酸水平添加適宜時，腸道中四種酶的活力顯著提升（胡曉霞，2012）。Habte-Tsion等（2015）發(fā)現(xiàn)，蘇氨酸除了能提高團頭魴腸道各段ALP、CK、γ-GT和Na+，K+-ATP酶活力外，還會顯著上調四種刷狀緣酶的基因表達水平，進一步從分子水平解揭示了蘇氨酸促進水產動物消化吸收能力的潛在機制。

2.4 蘇氨酸對水產動物抗氧化能力的影響 當過量產生活性氧簇（ROS）或體內酶性、非酶性抗氧化系統(tǒng)不足以清除時，則會導致氧化應激，丙二醛（MDA）含量能夠反映機體和組織脂質過氧化程度（Kohen和Nyska，2002）。蘇氨酸缺乏會顯著增加生長中期草魚血清、肝胰臟和肌肉MDA含量，而添加適宜蘇氨酸后其含量則會明顯降低，血清和肝胰臟MDA含量在1.26%蘇氨酸水平時達到最小值，肌肉MDA含量則在0.97%和1.26%蘇氨酸水平時達到最小值（胡曉霞，2012）。表明適宜蘇氨酸水平能夠抑制水產動物機體和組織脂質過氧化的程度。魚體應對氧化應激主要依賴于抗氧化系統(tǒng)，包括非酶抗氧化物質及抗氧化酶（Kohen和Nyska，2002）。與生長中期草魚組織中MDA含量變化相對應，蘇氨酸缺乏會導致血清、肝胰臟和肌肉超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽轉移酶（GST）、谷胱甘肽還原酶（GR）和谷胱甘肽（GSH）活力的降低（胡曉霞，2012），而添加適宜蘇氨酸后上述抗氧化酶活力則會顯著提升。Habte-Tsion等（2016）發(fā)現(xiàn)，蘇氨酸缺乏會顯著降低團頭魴肝胰臟SOD、CAT和GPx活力，而當蘇氨酸水平為1.58%~2.08%時，肝胰臟中三種抗氧化酶的活力顯著提升。魚體抗氧化能力主要受到Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關蛋白α/核因子E2相關因子2（Keaplα/Nrf2）信號通路調控，且近些年的研究已經表明飼料中亮氨酸（Liang等，2018）、蛋氨酸（Ji等，2020）等必需氨基酸的水平對此通路有著明顯的調控作用。對于團頭魴，蘇氨酸缺乏會顯著下調肝胰臟中Nrf2的基因表達量及下游相關抗氧化基因，如銅鋅超氧化物歧化酶（Cu/Zn-SOD），錳超氧化物歧化酶（Mn-SOD），CAT，GPx，GST，當蘇氨酸水平達到1.58%時，上述抗氧化相關基因表達量均達到峰值，揭示蘇氨酸改善機體抗氧化能力的可能機制同樣是調控Nrf2信號通路。目前，關于蘇氨酸對蝦蟹類抗氧化能力影響的研究還較少，僅見于蘇氨酸對中華絨螯蟹肝胰腺SOD活力影響的研究，蘇氨酸水平超過1.61%時肝胰腺SOD活力顯著降低，進而可能誘發(fā)氧化損傷。因此還需進行更加深入的研究探討蘇氨酸影響蝦蟹類抗氧化能力的作用機制。

2.5 蘇氨酸對水產動物免疫功能的影響 蘇氨酸缺乏或過量影響水產動物特異性免疫功能的可能原因有以下幾個方面：第一，減緩免疫器官的發(fā)育。蘇氨酸缺乏會顯著降低幼建鯉頭腎重量、脾臟重量及相應體指數(shù)（馮琳，2010）；第二，降低免疫球蛋白含量。免疫球蛋白M（IgM）可能是魚體內僅有的一類免疫球蛋白（Anderson，1996）。對于幼建鯉，蘇氨酸水平由1.57%降至0.74%，血清中IgM含量會下降28.8%，進而削弱幼建鯉特異性免疫能力。而對于瓦氏黃顙魚，蘇氨酸水平由1.40%降至0.28%，血清中IgM和白蛋白含量未出現(xiàn)顯著變化，說明不同魚類血清中IgM對蘇氨酸的敏感水平并不相同（封福鮮，2011）；第三，抑制補體系統(tǒng)的激活。補體3（C3）、補體4（C4）是增強魚體特異性免疫應答的主要因子。蘇氨酸缺乏或過量顯著降低幼建鯉血清中補體C3、C4含量（馮琳，2010），在Dong等（2018）對蘇氨酸影響草魚鰓中C3、C4含量的研究中得到了一致的結果。第四，減少血液中紅細胞數(shù)量。紅細胞可以誘導靜態(tài)B細胞增殖分化為產生抗體（免疫球蛋白）的漿細胞（Carroll，2004）。當蘇氨酸水平由1.57%降至0.74%時，幼建鯉血液中紅細胞數(shù)量下降30.9%（馮琳，2010）。而當蘇氨酸水平低于2.08%或高于2.08%時，團頭魴血液中紅細胞數(shù)量則會顯著下降（Liang等，2018）。

蘇氨酸缺乏或過量主要通過降低非特異性免疫相關酶活性、提高促炎因子的基因表達量影響魚體非特異性免疫功能。蘇氨酸缺乏或過量會顯著降低幼建鯉（血清中溶菌酶、酸性磷酸酶（ACP）活力，以血清溶菌酶和酸性磷酸酶為指標，進行二次多項式回歸分析得到幼建鯉蘇氨酸需求量分別為1.57%、1.60%（馮琳，2010）。蘇氨酸過量會顯著提升團頭魴肝胰臟及前腸促炎因子腫瘤壞死因子-α（TNF-α）基因表達量，蘇氨酸缺乏或過量則會顯著提高中腸TNF-α基因表達量，表明蘇氨酸無論是缺乏還是過量都會引發(fā)機體炎癥反應，影響機體健康（Dong等，2018）。作為魚體呼吸和氨氮排泄的主要組織器官，鰓通過形成免疫屏障和物理屏障增強對病原體入侵的抵抗力（Habte-Tsion等，2015）。蘇氨酸缺乏會提升團頭魴柱狀黃桿菌攻毒后爛鰓病的發(fā)病率，通過減少抗菌物質分泌、上調促炎因子基因表達及下調抗炎因子的基因表達等方式破壞鰓的免疫屏障功能，通過降低鰓抗氧化能力、促使細胞凋亡及破壞緊密連接等方式削弱鰓的物理屏障功能。蘇氨酸缺乏會顯著下調草魚腸道中信號分子核因子κB（NF-κB）、TOR、Nrf2、c-Jun氨基末端激酶（JNK）和肌球蛋白輕鏈激酶（MLCK）基因表達量，進而導致魚類免疫和物理屏障功能惡化（Kato等，2013）。

目前，關于蘇氨酸對蝦蟹類免疫功能影響的研究還較少，僅見于蘇氨酸對中華絨螯蟹肝胰腺ACP和ALP活力影響的研究，蘇氨酸缺乏會顯著降低肝胰腺中兩種免疫相關酶的活力，降低機體非特異性免疫能力，進而影響機體生長發(fā)育，但蘇氨酸影響蝦蟹類免疫功能的作用機制仍需進一步深入探討。

3 小結與展望

近年來，關于水產動物蘇氨酸營養(yǎng)的研究逐漸增多，發(fā)現(xiàn)了魚類蘇氨酸的需求量在1.04%~2.06%，蝦蟹類蘇氨酸需求量在1.36%~1.59%；初步明晰了蘇氨酸對水產動物肉質、蛋白質代謝、消化吸收功能、抗氧化功能及免疫功能的影響。未來對于水產動物蘇氨酸營養(yǎng)的研究應從以下四個方面深入拓展：目前蘇氨酸營養(yǎng)需求研究主要集中于魚類，關于蝦蟹類的研究相對較少，且僅有的研究局限于幼體階段，需開展至生長中后期；以蘇氨酸調控肌肉品質的具體機制作為切入點，研究魚類及蝦蟹類對蘇氨酸營養(yǎng)需求差異的潛在原因；蘇氨酸調控水產動物體蛋白合成和魚類免疫球蛋白生成的具體作用機制值得進行深入研究；因水產動物對蛋白源的吸收利用存在差異，進而造成對飼料氨基酸需求量的不同，因此未來應加強低魚粉飼料開發(fā)及氨基酸需求的同步研究，為更深入全面地了解蘇氨酸在水產動物上的營養(yǎng)免疫功能及其作用機制提供新思路新方向，為水產動物健康養(yǎng)殖及綠色低氮飼料開發(fā)奠定堅實理論基礎。