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水产鱼病检测显微镜分享-肉食性鱼类也能改吃素?麦院士通过对饲料蛋白高效利用调控机制研究发现了这种可能!

2017/05/25

        麦康森教授:爱尔兰国立大学博士,中国工程院院士,国度出色青年基金取得者,曾任中国海洋大学水产学院院长,中国海洋大学副校长,教育部长江学者奖励方案特聘教授,国际鲍鱼学会理事和国际鱼类营养协会委员会委员。

        我们共同讨论水产动物营养焦点和热点问题,为推进水产养殖动物开展做出努力。随着全球水产养殖不时开展,水产养殖从增量型转行为质量型、平安型。但是,集约水产养殖的问题日益突出,比方说环境污染、超高密度养殖、蛋白源缺乏及运用不当不可防止地影响到了水产动物的安康、消化吸收的安康。让它更容易感染疾病,招致水产养殖病害频发,我们作为水产行业研讨人员和企业,应该担负起为推进水产行业安康开展不时研讨的任务和义务。

        今天,我看到行业里的许多老朋友新朋友聚在一同交流学习,我感到十分开心,阐明我们水产行业的开展越来越快,越来越安康。

        今天,应用这个时机跟大家交流一下我们国度的93课题“鱼类蛋白质高效应用的调控机制”的一些研讨结果。我们晓得在过去养殖活动中,用价值低的鱼直接去喂价值较高的鱼,由于营养研讨的开展,我们把这些价值低的鱼做成鱼粉,然后做成颗粒饲料去投喂,这反响了食物链的规律,大鱼吃小鱼,小鱼吃小虾。这就决议了水产动物营养高度依赖于海洋资源,依赖于鱼粉、鱼油的特性。

 

        如今到底有几海洋渔业资源用于水产养殖?目前为止,全世界的海洋渔业捕捞总量大约是9,000万吨,其中20%用于制造鱼粉,6.2%是来自水产品加工的副产品制造鱼粉,每年制造鱼粉需求耗费量是2,400万吨,占全球渔业捕捞总量的26.2%,其中还有6%主要是包括中国、日本特别是亚洲国度直接用鲜杂鱼喂养的量大约有500万吨。所以,每年9,000万吨鱼里有1/3用于制造鱼粉或者直接养鱼的。在每年600万吨鱼粉中,其中68%用于制造水产饲料,在中国的比例会低一些,由于中国根本上是以文科鱼类为主,杂食性鱼类为主,所以中国用于水产养殖的鱼粉大约占55%。

        水产养殖的快速开展,从数据上显现,我们用2,900万吨的鱼却养出了7,000万吨的水产品,投入产出比十分可观。而在中国这个数据更好,用的本钱更低,投入产出比大约是1:3到1:4之间,即投入1吨的小杂鱼能产出3~4吨的鱼。中国在世界渔业捕捞量来看,1990~2020年间中国捕鱼业产量根本在8,000~9,000万吨之间,不会超越9,000万吨。

        由于厄尔尼诺现象影响,经常形成产量的动摇,预期将来还会有所降落。在这8,000~9,000万吨的鱼里,固然每年用于制造鱼粉的比例最高到达30%,但是随着全球人口的增加,对食物的需求品种越来越多,用于做鱼粉的鱼比例是稳步降落的。如今降到20%左右用于做鱼粉。

        随着人口的不时增加,用于做鱼粉的鱼的比例会越来越低,但是随着水产养殖的不时增加,对鱼粉的需求会越来越多。数据显现从1980~2013年,全球水产养殖产量的变化,特别是90年代以后,开展速度越来越快,假如依据水产养殖的特性,开展趋向严重依赖鱼粉,对鱼粉的需求将会越来越高,那么与之前提过的鱼用于做鱼粉的比例越来越低的现状构成一种特殊矛盾。水产养殖要开展,世界人口要增加,要用更多的鱼粉。而渔业资源供应我们的鱼粉会越来越少,这对矛盾十分特殊,处理的独一正确战略就是在水产饲料里面取代鱼粉,取代鱼油这些海洋性资源。

 

        这个方向必然会这样走,但是这样走必然会带来一系列问题。由于我们养的鱼长期以来都是摄食鱼粉的,忽然要用豆粕、棉粕、菜粕、DDGS来取代鱼粉。鱼在进化过程中从没有食用过,必然存在一系列问题,比方适口性差,代谢紊乱,消化吸收率低,营养不均衡,缺乏营养安康因子,原来鱼粉当中缺乏的活性物质等,严重影响鱼类生长和消化道的安康。

        所以,饲料真正可以取代鱼粉必需有系统的处理方法,简单来说,必需处理摄食、消化道安康、如何进步蛋白质吸收和合成代谢问题以及蛋白质合成代谢相关的能量代谢等一系列问题。经过这些途径来处理替代蛋白源的问题,适口性、消化道安康、增加蛋白质的吸收和合成代谢。首先,我们必需理解其调控机制,如何能进步,它在代谢过程中的一些信号调控的规律才干找出办法,这些是我们课题中的任务,下面由我来引见一下我们研讨获得的一些成果。

        中国养殖品种很多,按食性分,能够分为肉食性鱼类、杂食性鱼类和草食性鱼类。我们要用非鱼粉蛋白源来替代鱼粉,是如何影响鱼类摄食的?我们必需答复一个问题,即不同食性的鱼类是由什么决议对食物的选择?

        中国草鱼养殖产量在世界最大,每年超越500万吨,特别在珠三角地域养殖产量和消费量都居首位。草鱼在生长过程中的食性是变化的,身长3公分之前是肉食性的,以浮游动物为食;长到6公分的时分,它既吃浮游动物又吃浮游植物,以至一些大型植物(浮萍等);长到9公分之后,完整吃高等植物,吃草。可见,在一条鱼的生长史中食性是变化的,从肉食性逐渐过渡到草食性。

        而食性为什么会发作变化?变化的缘由是什么?由什么调控着它的食性发作变化的?

        举个例子,中国国宝熊猫在分类学上是食肉目动物、熊科,在熊猫的兄弟姐妹中没有一个吃素的,唯独熊猫变得完整吃素,对肉不感兴味。在大自然环境当中,熊猫是吃竹子的,不吃肉,一个食肉目的动物不吃肉,是上帝开的玩笑?熊科动物熊猫属于食肉动物,却完整吃素是哪里出了过失?

我们对食物的选择很容易想到味觉受体。经过研讨发现,熊猫味觉中的其中一种感知鲜味受体T1R1(即动物觉得食物滋味能否鲜美的受体)发作了突变,使得熊猫觉得不到肉的美味。这是在著名的《Nature》(LiRetal.Nature,2010)上面发布的一篇相关文章,让我们想到,鱼类也很有可能是由于它的味觉受体的基因不同招致食性的不同。

        我们用三种不同食性的鱼类做实验,分别是草食性的草鱼、杂食性的斑马鱼和肉食性的鳜鱼,比拟它们味觉受体基因的不同之处。实考证明,素食动物的甜味基因受体T1R3停止比照,从数量和长度上高度激进,即不同动物之间差别不大。但是,它们的鲜味基因T1R1停止比照,发现肉食性鳜鱼相关于草鱼和斑马鱼缺失了六个内含子,而且内含子序列在杂食性和草食性鱼里跟鳜鱼比也比拟短。由此得出,三种不同食性的鱼类味觉基因受体序列有显著差别。

        而草鱼终身的食性是变化的,依照实验结果推理,它的味觉基因受体的表达应该也是变化的。研讨证明,草鱼的鲜味基因在身长3公分之前是高度表达,而在身长9公分之后其表达量急剧降落。它的甜味基因T1R3固然有降落,但降落幅度很小。所以草鱼的食性发作变化是由于基因表达的变化。

        我们进一步研讨发现,草鱼的另一个甜味基因T1R2在基因组里与斑马鱼比照是加倍的,呈现片段的反复,即在草鱼里跟甜味相关的基因表达会愈加强。

        从这一研讨结果我们有了一个思绪,如何进步鱼类对非鱼粉饲料的采食量?——即改进饲料的适口性的一些饲料。

        我们要在饲料里添加一些可以刺激鲜味受体的物质,在水产饲料里面运用很普遍,即诱食剂。诱食剂的实质就是添加一些能惹起食欲、对鲜味感知受体的承受物质。另一方面,要晓得产生降低摄食量、适口性的物质,我们如今都晓得,根本上来自于植物的中间代谢产物,即营养拮抗因子。普通我们会采取对原料停止加工,经过生物发酵的办法来减少这些招致摄食量降落的物质。

        如今研讨结果为我们提供了一种创新型思绪,营养学家把缘由找出来了,就交给育种专家,能不能让肉食性鱼类把鲜味基因受体敲掉,让石斑鱼、鳜鱼以后都改成吃草,对肉不感兴味,像熊猫一样。从科学来讲,是完整有可能的,这个任务要交给育种专家,培育出本来食肉未来改为吃草的新种类。

        如今虹鳟选育方面曾经发现有些品系能够遗传对植物原料的接纳和不依赖鱼粉的品系,如今选育得十分胜利。但却是从传统思绪选育,我们提出能否能够经过基因工程的方法敲除来抑止相关基因受体的表达,就能够到达目的。

        下一个问题,消化道安康。假如不用鱼粉必将招致一系列问题,例如鱼肠炎、拉稀,然后招致免疫力、抗病力降落,生长受阻。我们在给鱼类投喂不同原料以后,肠消化道组织发作明显变化,比方用鱼粉饲料喂养的鱼消化道上皮、绒毛十分安康,而用植物蛋白饲料喂养就会产生大量的空泡,粘膜固有层发作组织学变化。

       大豆是如何影响消化道安康的?这个问题十分复杂,植物蛋白里存在了数量众多营养拮抗因子,在一个营养拮抗因子里存在许多亚单位,到底如何作用是一个十分复杂的问题,需求长时间、大量的人力物力投入。

 

        研讨标明,大豆里球蛋白亚单位7S和11S,经过氧化作用,即经过抵消化道上皮的脂肪、蛋白质停止严重地氧化,招致消化道安康受影响。比方说,我们研讨鱼类里的7S或11S会招致一系列跟氧化有关的这些因子的变化。我们说,主要是经过脂质过氧化和蛋白质氧化来毁坏了鱼肠构造的完好性,招致肠炎和消化吸收才能降落,降低生长性能。

       我们在大塘里养殖很难观测到鱼体的消化道毁坏之后产生肠炎的问题,而工厂化养殖就会比拟容易看,比方北方的大菱鲆养殖,水浅而清。假如饲料好,鱼粪便很成型。经过排污系统,粪便都能被带走,水很洁净。发作肠炎之后,整个一池鱼都拉稀,水没法处置,变得混浊,并且对过滤系统形成过大负荷无法恢复。肠炎是在给鱼投喂非传统原料来替代鱼粉之后经常会遇到的问题。

        草鱼原本是吃草的鱼,它吃草没有问题,但是假设我们如今在珠江三角洲都用人工饲料去养草鱼。我们用一些非传统原料,不是草类原料,比方说在草鱼料里面加豆粕,也会产生肠炎。但是我们发现,草鱼这些草食性鱼类对付这些营养拮抗因子还是有一手的。也就是说,它的消化道对由营养拮抗物质招致的肠炎,它的自愈才能很强。

        实考证明,在含有豆粕的饲料里面,草鱼根本经过两个星期内可以顺应豆粕这种原料,可以产生自愈的过程。我们跟踪它的抗炎因子、促炎因子和子包因子之间的表达,能够把这14天赋成埋伏期、发病期和显著期三个过程。一开端抗炎因子和促炎因子处于势均力敌的阶段,之后抗炎因子渐渐占领优势逐渐恢复。可见,很多鱼类本身可能存在一种机制,能够对原料顺应和发炎自愈的过程。但是,养殖鱼的品种太多,食性十分复杂,对非鱼粉蛋白源的添加量和营养拮抗因子的程度以及炎症自愈的可能性,都有很多问题需求进一步研讨。

        另一方面,动物的消化道里还有另一群大量微生物,即细菌内生态,而生态环境的稳定会影响消化道里微生物的稳定,当我们以不同的原料做饲料的时分能否会影响鱼类消化道里的微生物组成?消化道里的微生物组成既可能存在负面的病原微生物,更有可能是长期进化构成的与之共生的有益微生物。这种微生物组成的变化抵消化道安康的影响能否存在?

        我们拿大菱鲆、虹鳟做实验,用豆粕取代鱼粉,研讨它的消化道里微生物组成状况。实验证明,在这两条鱼里,假如用豆粕取代鱼粉,将会增加一些病原菌的比例,特别是那些惹起肠炎的病原菌的比例。所以,用豆粕取代鱼粉的时分,会增加产生肠炎的可能性。但是我们同时也能够看到,有一些益生菌的数量也会增加。这种现象在海水鱼和淡水鱼中都存在。

        益生菌对宿主的代谢、营养物质的吸收、代谢有正面影响。更重要的是,它可能对动物肠道免疫也有正面影响。最有可能这种有益的微生物来自鱼消化道自身,阐明它在鱼类消化道内定植生长。我们从草鱼消化道里别离了一系列菌株,发现其中一种我们叫作GC-21,它有很高的与肠道粘膜的分离才能、定植才能,它还可以诱导草鱼产生抗炎因子的作用。我们发现这个GC-21不同的细胞期都有比拟良好的表现,这个微生物株很容易在草鱼的消化道里定植,从另一个角度来看,它对立炎因子也可以产生比拟丰厚的量。阐明它可能是未来我们作为益生素的良好候选微生物,也能够作为疫苗活体及其他治疗物质的载体。

        第四个问题看,鱼粉里含有生物活性物质,假如用植物蛋白替代鱼粉之后,这些活性物质就不存在了。以前在鱼粉充足的时分,这些物质或许你没有觉得到它有多重要,由于从营养学来看并不是必需的物质,但是当用植物原料时,它们就变得必不可少,比方牛磺酸、羟脯胺酸,这些氨基酸不是必需氨基酸。原来用鱼粉作为原料时,鱼体又能自行合成,还是满足需求的,但是当没有鱼粉的时分,植物蛋白里的含量很低或者基本没有,鱼本身合成的量无法满足需求。所以人们发现,以植物蛋白为主的饲料里,假如不添加牛磺酸就会惹起肝脏发绿,鱼生长就会不好。

        我们研讨在鱼体里什么跟牛磺酸的合成有关?不同品种的鱼合成才能能否有差别?研讨发现,淡水鱼虹鳟和海水鱼牙鲆都是肉食性鱼类,但是淡水鱼虹鳟的合成才能比海水鱼牙鲆强,但是二者的合成才能都不能满足本身需求。我们找出了牛磺酸合成的关键点,也初次在细胞酶的构造里发现之所以合成才能不强的缘由,就是基因表达出了问题,例如羟脯胺酸与胶原蛋白、结缔组织的合成有关系,假如结缔组织好,从鱼的体质来看,它的食用价值即咀嚼性、组织构造或许更受人们的欢送。假如在植物性原料的饲料里添加羟脯胺酸,不但能够改善鱼的生长,还能够改善它组织里的羟脯胺酸含量,更重要的是改善了肌肉的构造,让其与质量相关的各项指标都有改善。

        还有一个更大的问题,大家都晓得用植物蛋白为原料喂养的鱼不如用鱼粉喂养的鱼长得好,阐明蛋白合成的效率降落。那蛋白质合成过程是怎样回事?是什么在影响?我们能够把蛋白质合成比喻成建房子,氨基酸就是建筑资料,建筑资料充足了,效率才会高。从营养学来看,氨基酸充足了、均衡了,合成的量就大。工地上会有包工头晓得钢筋水泥能否齐全,能否开工。而在蛋白质合成中谁在察看、谁在感知这些氨基酸的量能否均衡呢?这就是“营养感知”的问题。

        营养感知如何对蛋白质合成产生影响?经过消化,蛋白质会进入氨基酸库,而氨基酸库感知相应局部内分泌系统以及相关的一些活性物质,就会产生信号的传导,会调理相关基因的表达,来指导氨基酸的合成。就如工头下命令开不开工,合不合成,整个过程有哪些将领在调理是一个道理。

        对鱼类的营养它是怎样运作的呢?我们有两个极端做法,一是营养均衡,喂鱼,二是不喂它,于是产生了固有氨基酸的量和比例发作变化。人们发现假如用鱼粉做饲料会产生氨基酸过高的风险,但是用植物蛋白做饲料的话氨基酸浓度会比鱼粉低得多。我们用陆生动物的思想,你不够我就添加晶体氨基酸进去看行不行,但我们发现就算是添加了晶体氨基酸,它的氨基酸峰值也达不到鱼粉的程度,这是关键点。

        假如蛋白质合成需求一个氨基酸峰值,则有些原料达得到这个域值,有些原料达不到。为什么添加氨基酸还达不到呢?由于吸收不同步,晶体氨基酸很快就都吸收了,而别的蛋白质需求消化才干吸收,存在时差,两个峰值的浓度无法叠加,所以达不到这个域值。固然饲喂的氨基酸浓度高的时分会推进合成代谢,但不喂时,氨基酸浓度不够的时分却会促进合成代谢。所以,试用以后氨基酸程度能够了解成波浪,假如波浪没到达峰值的话就无法启动蛋白质的合成代谢。这样表述的话或许会形象一些。

        假如这样推理,那么我们寻觅分子生物学的证据能否也是这样的,寻觅之后发现的确是这样的。鱼粉蛋白源的氨基酸的均匀峰值、非鱼粉蛋白质氨基酸峰值,当它峰值足够的时分,跟初信号通路系统是亲密相关的,并且跟它相关的初信号不同关键环节因子的基因表达都能表现出显著进步;当氨基酸浓度不够的时分,会招致氨基酸应激通路的表达,跟它相关的因子表达都会进步,就会招致合成代谢。而初始信号是通路信号的表达,它的进步会招致蛋白质合成代谢。所以我们提供了分子生物学的证据。

        方才我们经常提到一些营养拮抗因子,我们也找到了营养拮抗因子、氨基酸均衡。我们都晓得必需氨基酸在水产动物必需有10种,10种之间不但要有而且要坚持均衡,我们也找到均衡与否和蛋白质合成、初信号系统或者应激通路系统有关系,均衡与否有关系。营养拮抗物质的存在作用也存在,比方敏氨酚、磷激素是如何作用的,那么敏氨酚主要作用于应激通路系统,而磷激素不是作用蛋白质合成通路,它是作用于内分泌调理系统。所以不同营养拮抗物质,它的作用机理是不一样的。

        假如代谢系统对营养物质的感知才能会招致合成才能的不同,那我们能否能够干预见知才能,让它对营养物质更敏感?就是让包工头感知到我们的原料能够开工了。过去人类健美时运用一种物质能够促进肌肉合成显得更健美,这种物质就是HMB——三肌酸盐,辅加三肌酸盐的健美效果会更好。假如运用到鱼类有没有这种效果呢?我们发现,假如把HMB添加到饲料里可以让鱼类生长显著增加,从3.23进步到3.42,肌肉硬度从368进步到461,咀嚼性从127进步到166,弹性从0.8进步到1.13,即HMB能够增加蛋白质的合成,在哺乳类动物里让旧细胞增大,但是在鱼类里本源不同,是促进旧细胞团结。

        除了营养以外,在生物代谢过程中一个很重要的途径就是内分泌调控。那鱼类里的哪些内分泌调控因子跟生长有关系?研讨发现,在12个研讨的内分泌因子里找出3w跟个体生长有关的有SOCS、MSTN、POMC。我们研讨,这和鱼有关系吗?在哺乳类动物里面,在小鼠里假如敲除了SOCS2,它就会安康地生长,比正常的老鼠个头要大。在鱼里面有这种状况吗?我们十分有意义地发现,在鱼里面敲除的不是SOCS2,而是SOCS1,这条鱼的纯合子不大但是它的杂合子会比正常的要大,比纯合子都大,这条鱼也会长大。但敲除的因子与哺乳类动物有所不同,产生的缘由是耗费了腹部的脂肪,有更多的脂肪被耗费作为能量,更多的蛋白质作为蛋白质合成。实考证明,敲除SOCS之后是有利于组织脂肪的运转跟应用,并刺激IGF-1的激活、糖的异生和脂肪氧化合成功用,促进了蛋白质的合成。

 

        另一个是关于维生素D的研讨,过去我们都晓得,维生素D跟钙、磷吸收有关,跟生物矿化有关。我们发现,假如敲掉了维生素D纤聚化的因子,会招致对维生素依赖的鱼佝偻症,即鱼的骨骼发育不完好、不正常,有些人会以为是影响钙、磷的吸收了,其实不是。鱼类在敲除维生素D之后血钙、血磷并未发作变化,而是招致了典型的生长激素的抵御综合症,敲掉了以后,生长激素合成是大幅度增加的,却减少了肝脏的ST5的蛋白质的磷酸化,招致了脂肪代谢异常,让这个基因缺失的腹部脂肪大幅度增长。

 

        我们还发现一个问题,维生素D缺乏的时分,本来以为敲掉它就会招致脂肪合成,而维生素D缺乏却是加强了SOCS的表达,开关更强了,抑止了脂肪的合成代谢,让脂肪积聚在腹部和肝脏当中无法合成耗能运用,所以蛋白质要作为能量来运用。饲料厂或许会为了降低本钱而减少饲料当中的鱼粉、鱼油、维生素和矿物质等含量,而维生素D主要是来自鱼粉、鱼油等动物性原料,植物性原料是根本没有的。当饲料中没有蛋白、没有鱼油的时分,又不添加维生素,就会加重这一过程,招致鱼呈现脂肪肝、大肚子、鱼体又短又胖等问题,都是由于饲料配方不合理。除了鱼粉、鱼油还应该额外地添加维生素D3。

 

        水产动物与陆生动物不同,水产动物对糖的应用才能比陆生动物差得多,比方鱼类里主要作为能耗的ATP是来自于蛋白质,却很少来自糖和脂肪,而高等动物是以脂肪和糖为主的。假如要进步鱼类蛋白合成的应用率,就需求进步蛋白质合成,减少来自蛋白质的能量,增加来自脂肪和糖的能量。

 

        首先,我们需求理清鱼类脂肪代谢的关键控制点在哪里,才干晓得如何进步脂肪的应用才能。在陆生高等动物里脂肪代谢的途径是比拟分明的,而鱼类代谢功用途径的关键控制点我们还不是很分明,所以我们需求明白鱼类代谢的关键点。假如我们用高脂饲料喂鱼,会产生什么问题?饲料里的脂肪进入鱼体之后并没有用于供能,而主要堆积于脂肪组织,此过程主要由PPARγ介导的脂肪细胞不时增殖脂肪细胞来完成,并随同着肝脏和肌肉中PPARα表达量的降落。高脂进来,一个表达增加,一个表达降落,增加的是脂肪细胞的增值,降落的是影响了脂肪的合成代谢。所以,我们就明白了PPAR家族是潜在脂肪功用代谢的分配料。我们因而找到了这种关系,PPARα是促进鱼的脂肪合成,PPARγ是促进鱼体脂肪沉淀。我们明白了这种关系以后,就找出相应的分子生物学机理和组织学的证据。所以问题就是,我们如何来调控PPARγ、PPARα的表达就能够到达控制脂肪代谢功用的目的。

 

        我们在研讨脂肪代谢的时分最困惑的问题就是,要丈量鱼的脂肪必需把鱼杀了,捣碎,然后抽汲,假如要研讨脂肪的变化就比拟艰难。我们有个想法,如何能丈量活着的鱼的脂肪含量及变化?我们晓得人类在做安康检查的时分需求用到核磁共振来判别能否有脂肪肝以及脂肪含量的几,我们就想应用核磁共振成像技术对活体鱼类停止脂肪组织检测和可视化研讨,对不同鱼类的脂肪散布以及平面空间的占有都能够停止定量计算,鱼体做完麻醉,丈量以后还能继续存活。我们还能够把鱼类脂肪散布的三个图像停止研讨,例如草鱼和罗非鱼的脂肪散布都是在腹部肠系膜,大菱鲆的脂肪散布在鳍条的基部而不在腹部,所以大菱鲆的鳍条特别好吃,全是脂肪。但是我们做营养学研讨,拿一条鱼做核磁共振本钱很高,所以希望做仪器研讨的人员能制造一台鱼的核磁共振机,也能到达这个目的。最后谢谢支持我们研讨工作的单位!