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养殖鱼类的能量收支失衡:困境与解决策略
生物技术
2018-09-05 09:53
作者  杜震宇

自20世纪80年代以来,水产养殖鱼类已逐渐成为民众餐桌上鱼类的主要来源,尤其是淡水食用鱼类,大部分均来自人工养殖。尽管随着水产饲料科技水平和人工养殖技术的提高,养殖鱼类的口感和品质正在日益改善,但是在实际的水产养殖过程中,仍然存在一些问题。就当前而言,在实际的水产养殖中,养殖鱼类频繁出现脂肪肝和腹腔脂肪大量沉积,是造成养殖鱼类品相不佳、品质下降的重要原因。

多年的研究表明,养殖鱼类体内的脂肪严重沉积的主要原因来自于鱼类的能量收支失衡。在当前的标准化水产养殖过程中,养殖鱼类普遍使用配合饲料。和哺乳动物善于利用糖(碳水化合物)供能不同,鱼类对糖的利用效率较低,却善于利用蛋白质供能。因此,鱼类配合饲料中的蛋白质含量往往较高。然而,随着配合饲料中的重要原料——鱼粉资源的日益匮乏,优质饲料蛋白源的成本也一路攀升。为了节约鱼粉资源、降低饲料成本,自20世纪90年代开始,国际水产饲料界逐步开始进行“高能饲料”的研发与推广,试图通过提高饲料中糖和脂肪含量以激发鱼类对糖和脂肪的供能效率,从而减少饲料蛋白质作为能量被消耗的比例,达到节约饲料蛋白质、降低成本、保护自然资源的作用。然而,从养殖实践来看,当前高能饲料的普遍使用,在降低了饲料成本的同时,也使得养殖鱼类的能量摄入过高,超过其生理代谢能力,从而使得多余的能量转化为脂肪,并在体内严重沉积。另一方面,由于养殖水域的限制,当前的水产养殖正朝着集约化高密度工厂化模式发展。这在带来节约水资源的益处的同时,也降低了养殖鱼类的活动范围和活动强度,使得养殖鱼类的能量支出减少,从而促进能量在体内以脂肪的形式沉积下来。

多项研究表明,鱼类能量收支失衡所造成的脂肪严重沉积类似于哺乳动物的代谢综合征,它不仅降低了养殖鱼类的生长性能,更损害了养殖鱼类的健康。长期的脂肪过量沉积,会提高血脂含量、造成脂肪积累器官的氧化应激、破坏细胞正常结构、损伤免疫机能。脂肪严重积累的养殖鱼类,往往不耐病害和环境应激,这也迫使养殖户加大、加多水产药物的使用剂量和频率,造成食品安全问题。因此,鱼类的能量收支失衡问题已经成为影响水产养殖业可持续发展的重要限制性因素。

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近年来,国家973计划项目“养殖鱼类蛋白质高效利用的调控机制”第三课题“鱼类蛋白质高效利用的能量学基础”课题组对鱼类的能量收支调控机制进行了较为深入的研究,在国际上首先阐明了若干重要的调控机制与调控路径,为人们了解鱼类能量收支调控系统,人工调控鱼类能量收支平衡提供了大量重要的基础知识和应用技术。

国家973计划课题“鱼类蛋白质高效利用的能量学基础”的研究目标(1).jpg

课题组首先发现,鱼类的能量(脂肪)储存部位在不同鱼类中存在较大差异。在以大西洋鲑、金鲳、鳗鱼为代表的一些鱼类中,脂肪往往大量积累于肌肉之中,其肌肉脂肪含量可达湿重的10%以上,肌肉是其脂肪的主要储存位置。在鳕鱼、鲟鱼等鱼类中,其脂肪则主要积累于肝脏之中,脂肪含量可达肝脏湿重的50%以上。在大部分常见的鱼类中,脂肪主要积累于腹腔的脂肪组织中;而鲆鲽类鱼类则主要将脂肪储存于鳍下的皮下位置,形成明显的皮下脂肪组织。研究表明,同样是脂肪组织,鱼类皮下脂肪组织具有比腹腔脂肪组织更为灵敏的激素响应与脂肪动员和分解的活性;而鱼类腹腔脂肪则更多地以储存脂肪为主,并释放更多的炎症因子,具有更高的脂肪细胞分化能力。因此,腹腔脂肪的沉积比皮下脂肪的沉积具有更大的危害。此外,大部分鱼类的肝脏并不是主要的储脂器官,但在能量收支失衡的情况下,多种鱼类肝脏也会积累大量脂肪,并最后发展成为脂肪肝病,造成组织损伤和肝功能下降。因此,提高脂肪组织和肝脏的脂肪分解能力,减少脂肪在腹腔脂肪组织和肝脏的积累就成为当前鱼类能量收支调控研究的重要方向。

不同鱼类的脂肪组织形态与分布位置差异(核磁成像3D图,黄色为富含磷脂的脑部,红色为脂肪组织)(1).jpg

近年来,课题组研究发现,鱼类肝脏中存在一些与脂分解代谢相关的核调控受体,比如过氧化物酶体增殖激活受体α(PPARα)。研究表明,与哺乳动物类似,鱼类PPARα可以被贝特类(Fibrates)药物和n-3系高度不饱和脂肪酸所激活,并随之激活下游的肝脏线粒体脂肪酸β-氧化体系,从而达到增强肝脏脂肪分解的效果。因此,在饲料中加入适量的n-3系高度不饱和脂肪酸,有助于提高肝脏的脂肪酸分解效率。相反,一些炎症因子,比如TNF-α,则可以抑制PPARα,从而降低肝脏的脂肪分解活性。因此,在鱼类受应激条件下,其体内炎症因子浓度升高,将使得肝脏更容易积累脂肪,进一步促发鱼类的能量收支失衡。除了核调控受体之外,肝脏的脂肪沉积还可以通过提高线粒体的脂肪酸分解活性来缓解甚至消除。课题组研究表明,线粒体脂肪酸β-氧化体系是肝脏脂肪分解的必经之路,通过外源性添加该体系的重要配基-肉碱,可以达到提高线粒体脂肪酸β-氧化活性,增加肝脏脂肪分解效率的目的。而通过基因编辑技术敲除线粒体脂肪酸β-氧化关键酶或者在饲料中添加肉碱合成抑制剂,就能造成肝脏脂肪的严重积累。这表明,提高肝脏线粒体脂肪酸β-氧化体系的活性,可以很好地调控鱼类的能量收支平衡。更有价值的是,当采用肉碱提高肝脏线粒体脂肪酸β-氧化体系活性的同时,也能提高饲料蛋白质效率,促进鱼体蛋白沉积。当前,课题组已筛选出肉碱、胆碱、甜菜碱等多种营养性添加剂,用于针对性地提高肝脏线粒体脂肪酸分解活性,调控鱼类能量收支平衡,促进鱼类高效利用蛋白质。

除了提高肝脏脂肪分解能力之外,课题组也发现,提高鱼类脂肪组织的脂解(lipolysis)能力,将脂肪细胞中的甘油三酯分解为游离脂肪酸,从而促进下一步的脂肪酸β-氧化,是降低鱼类腹腔脂肪沉积的有效途径。研究表明,脂肪组织甘油三酯脂肪酶(ATGL)是脂肪组织水解的关键酶,而鱼类ATGL的基因结构相对保守,主要在脂肪细胞中的脂滴表面发挥功能。细胞和养殖实验研究表明,通过胆汁酸、水飞蓟素等动植物提取物,可以有效激活ATGL介导的脂解过程,有效减少腹腔脂肪组织中的脂肪含量。反之,炎症因子则能抑制ATGL,促进腹腔脂肪的沉积。此外,课题组也发现,在鱼类摄入过多脂肪时,脂肪细胞一方面快速吸收血液中的游离脂肪酸,一方面也会激发ATGL介导的脂解反应,以维持相对的能量平衡。因此,进一步筛选对ATGL的有效激活物质,评价其食用和饲用安全性,并将其作为饲料添加剂,调控鱼类能量收支平衡,是今后非常有价值的研究方向。

除了对鱼类自身能量调控机制的研究之外,课题组最新的研究也发现,鱼类肠道微生物和环境因子也在鱼类的能量收支平衡调控中起到重要作用。比如,通过对油脂摄入敏感的肠道菌的分离和筛选,一些鱼类肠道菌可以通过影响肠壁结构来调控饲料中油脂的消化和吸收,从而影响鱼体的脂肪沉积,改变能量收支平衡。因此,如果能筛选出对鱼类能量代谢有调控效应的菌群,那么就能通过移植菌落等方法,人为调控鱼类的能量收支平衡。研究也表明,养殖水环境中诸多的理化因子,包括盐度、温度等,以及环境雌激素、多氯联苯(PCB)等环境污染物,都会直接或者间接影响能量代谢,影响脂肪的分解和合成,从而影响鱼类能量收支平衡。

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总之,鱼类能量收支的良性平衡是维持鱼类健康和水产业可持续发展的重要生物学基础。尽管当前的水产科学研究已经初步探究了鱼类能量收支平衡调控的基本过程、部分调控节点和一些调控物质,但仍有大量鱼类能量代谢的细节过程和调控机制仍未被阐明,尚不足以彻底解决当前养殖实际中普遍发生的鱼类能量收支失衡困境。因此,阐明鱼类能量收支平衡的生物学机制、解决养殖鱼类能量收支失衡问题,仍将是水产科研人员长期而艰巨的重要科研任务。

致谢:感谢国家973计划课题“鱼类蛋白质高效利用的能量学基础”(课题编号:2014CB138603)的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2018年6月刊。

作者:杜震宇

(杜震宇:华东师范大学教授、博士生导师,挪威海洋研究所客座研究员。上海“千人计划”特聘专家,教育部“新世纪优秀人才”。主要研究方向为水生动物营养生理学、水生动物逆境生物学以及水产品的营养与安全性评价等领域。主持承担多项国家自然科学基金重点项目/面上项目、上海市自然科学基金项目与挪威国家科学基金,并作为主要骨干参与国家重大基础研究项目(973项目)

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