水产动物苏氨酸营养免疫研究进展

范 泽， 张植元， 李正伟， 刘庆武， 王连生*

（1.中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，黑龙江省水生动物病害与免疫重点实验室；黑龙江 哈尔滨 150070；2.四川水利职业技术学院，四川 成都 611231；3.黑龙江省水生动物资源养护中心，黑龙江 哈尔滨 150070；4.黑龙江省双鸭山市农业技术推广总站，黑龙江 双鸭山 155100）

蛋白质作为构成机体的基础物质，是由氨基酸组成的含氮高分子化合物。水产动物对蛋白质的需求，尤其是对鱼粉的需求其实是对氨基酸的需求（NRC，2011）。但由于大量植物蛋白（豆粕、菜籽粕、玉米蛋白粉等）替代鱼粉在饲料中使用、新型蛋白源开发等产业现状，氨基酸平衡问题日渐凸显（麦康森等，2021）。除了赖氨酸（牛小天等，2019）和蛋氨酸（王连生等，2020）这两种主要限制性氨基酸外，苏氨酸在饲料氨基酸平衡中的作用日趋显著，成为除赖氨酸或蛋氨酸外的第二或第三限制性氨基酸，影响着水产动物机体生长性能、生产性能及健康状态（麦康森等，2008；Wilson，2002）。因此，苏氨酸营养研究成为近些年水产动物营养的研究热点之一。苏氨酸作为水产动物生长的必需氨基酸，在促进机体生长、强化体蛋白质合成及增强机体免疫力等方面发挥着重要作用（Alam等，2003)。本文主要就水产动物苏氨酸营养需求，苏氨酸对蛋白质代谢、消化吸收、抗氧化能力、免疫功能的影响进行了综述，以期为苏氨酸在水产动物功能机理与健康养殖方面的进一步研究奠定理论基础。

1 水产动物苏氨酸需求量

苏氨酸的缺乏可以导致日本牙鲆（Alam等，2003）和印度鲤鱼（Ahemd等，2004）生长减缓，印度鲤鱼（Abidi等，2008）和印度鲶鱼（Ahemd等，2007）饲料利用率降低。由表1可以看出，以占饲料的百分比计算（下同），鱼类对苏氨酸的需求量为1.04%~2.06%，虾蟹类对苏氨酸的需求量为1.36%~1.59%。不同种类水产动物的苏氨酸需求量存在差异，虹鳟的苏氨酸需求量仅为1.04%（Bodin等，2008），而大黄鱼的苏氨酸需求量高达2.06%（何志刚，2008）。同一品种不同规格的水产动物对苏氨酸需求量的变化情况存在差异，体重为8 g（何志刚，2008）、333.93 g鲈鱼（窦秀丽等，2014）的苏氨酸需求量分别为1.78%、1.84%，二者相差不大，而体重8.35 g（文华等，2009）、250.00 g（胡晓霞，2012）草鱼的苏氨酸需求量分别为1.72%、1.22%，二者相差较大，目前规格对于水产动物苏氨酸需求量的影响规律尚未清晰。不同养殖环境对水产动物苏氨酸需求量有潜在影响。Huai等（2009）在低盐度条件下得出的0.48 g凡纳滨对虾苏氨酸的需要量为1.36%。而王用黎（2013）发现，在正常海水盐度下0.50 g凡纳滨对虾苏氨酸需要量为1.51%。在目前的研究中，生长参数通常是评价水产动物苏氨酸需求量的常用指标，但需指出的是不同评价指标会对水产动物苏氨酸需求量产生一定影响，如大黄鱼分别以特定生长率、氮保持率作为评价指标，回归分析得到的苏氨酸需求量为1.86%、2.06%。根据免疫指标确定的幼建鲤苏氨酸需要量为1.56%~1.69%。与根据生长性能指标确定的1.62%以及根据消化吸收能力性能指标确定的1.62%~1.69%存在一定差异（冯琳，2010）。

表1 水产动物苏氨酸需求量（占饲料的百分比）

由于在试验设计、鱼种及养殖条件等方面存在差异，表中列出的研究结果在具有合理性的同时又存在差异性，造成分析过程具有主观性，分析结果多为相对模糊的定性结论。为了避免这一问题，参照李智等（2020）的数据分析方法，笔者采用Meta分析方法对水产动物苏氨酸需求研究中的原始结果进行了二次整合的定量分析。初检出相关文献20篇，经筛选最终选择14篇，其中关于鱼类的相关研究11篇，甲壳动物3篇（对虾2篇，中华绒螯蟹1篇）。基于分析剂量效应，使用四参数营养动力学分析方法对经过标准化响应处理后的体增重率（WGR）与苏氨酸需要量进行定量分析（图1）（Mercer，1982）。根据不同鱼类甲壳类对苏氨酸需要量的研究结果，分别采用了WGR与苏氨酸占饲料百分比（%饲料）（图1A）和占饲料中粗蛋白质百分比（%CP）（图1B）绘制曲线，并尝试采用不同回归分析对曲线进行拟合，最终确定了三次多项式回归分析模型 （拟合曲线公式分别为：y=20.923x3-105.41x2+176.08x-0.0084，R2=0.9957；y=1.5556x3-18.84x2+74.725x+0.0129，R2=0.9798），拟合得到鱼类和甲壳类水产动物苏氨酸需要量为1.572%（占饲料）和4.673%（占饲料蛋白质）。

图1 不同鱼类苏氨酸需要量的文献分析

此外，饲料蛋白源的差异也会直接影响水产动物对苏氨酸的需求。在确定水产动物苏氨酸营养需求的试验中，通常会选取如豆粕、玉米蛋白、小麦面筋等苏氨酸含量较低的植物蛋白源，因此在饲料中以上述蛋白源为鱼体提供蛋白时应考虑饲料中苏氨酸含量是否能够满足水产动物的营养需求（王亚玲等，2021）。王亚玲等（2021）发现，以特定生长率、蛋白质效率为评价指标，用低鱼粉（15%）饲料饲喂三倍体虹鳟时，其苏氨酸最佳需要量为1.2%~1.3%。

2 苏氨酸对水产动物的影响

2.1 苏氨酸对水产动物肉质的影响 肉质评价的内容主要包括外观特征、肌肉营养生化组成、感官评价结合质构特性和肌纤维组织特征等方面。肌肉的常规营养成分含量是营养物质摄入后在体内沉积的一个具体表现，可以评估肌肉的食用营养价值。Alam等（2003）发现，饲料中苏氨酸对日本牙鲆全鱼营养成分均有显著影响，当苏氨酸水平达到需要量1.61%（占饲料），全鱼水分最低，蛋白质含量最高，同时苏氨酸水平的提高也会显著提升全鱼粗脂肪含量。在对印度鲶鱼（Ahemd等，2007）和幼龄草鱼（Helland和Grisdale-Helland，2011）研究中也得到了类似结论。表明适宜苏氨酸水平能够提高机体蛋白质和脂肪的沉积能力。在对生长中期草鱼的研究中同样发现，饲料中苏氨酸水平达到1.51%时，能够降低草鱼肌肉水分含量，增加肌肉粗蛋白质含量。肌肉质构特性与肌肉微观组织结构密切关联，鱼肉质构特性的变化主要取决于鱼肉肌纤维数量和结构上的改变（Aussanasuwannakul等，2012）。苏氨酸过量或缺乏均会扩大建鲤肌纤维平均直径，缩小肌纤维密度，进而降低肌肉肌纤维募集能力，减缓肌肉生长速度，同时反应出肌肉硬度小，剪切力差（白稚子等，2019）。而对于凡纳滨对虾（王用黎，2013）、中华绒螯蟹（王伟，2015），肌肉营养成分并未受到饲料苏氨酸水平的显著影响。苏氨酸在调控鱼类和虾蟹类肉质方面的不同机制，可能是造成二者饲料苏氨酸需求量差异的重要原因之一。

2.2 苏氨酸对水产动物蛋白质代谢的影响 对于幼建鲤，当苏氨酸水平低于1.57%或高于1.57%时均会降低肝胰脏和肌肉谷丙转氨酶和谷草转氨酶的活力，提高二者在血清中的活力，并显著提升血清中血氨的含量（冯琳，2010），表明苏氨酸水平过低或过高均会影响机体氨基酸平衡，使蛋白质分解代谢处于优势，抑制机体蛋白质合成代谢，暗示饲料中苏氨酸水平的变化会影响鱼体蛋白质的周转代谢（Swatson等，2002）。RNA/DNA比值能够精准地反映蛋白质合成情况（赵振山等，1994）。苏氨酸缺乏会降低草鱼肌肉RNA含量以及RNA/DNA比值，表明苏氨酸缺乏会减缓肌肉蛋白质合成速度（Patra等，2017；文华等，2009）。雷帕霉素蛋白（TOR）是蛋白质合成的信号调控分子（辛芳等2016）。不同于亮氨酸（Zou等，2018）、异亮氨酸 （Zhao等，2013）及缬氨 酸（Luo等，2014），当苏氨酸缺乏或过量时幼建鲤的肌肉和肠道中TOR基因表达量会被显著上调（Feng等，2013），这可能与前述三者均为支链氨基酸有关，支链氨基酸调控蛋白质最主要的潜在机制是通过激活mTOR信号通路来加速肌肉蛋白质合成（Zhang等，2014）。因此关于苏氨酸影响水产动物蛋白质代谢的具体机制需要进一步研究。

2.3 苏氨酸对水产动物消化吸收能力的影响肝胰脏、肠道的生长发育程度影响着水产动物的消化吸收（李雪吟，2017）。对于幼建鲤（冯琳，2010）及生长后期草鱼（洪杨，2012），苏氨酸缺乏会显著降低肠体指数、肠长指数、肠道蛋白含量、肝体指数及肝胰脏蛋白含量。同时，对体外培养鲤鱼肠上皮细胞的研究发现，适宜水平的苏氨酸能够促进鲤鱼肠上皮细胞的增殖和分化（彭艳，2009），表明适宜的苏氨酸水平能够促进鱼类肠道及肝胰脏的生长发育。肠道及肝胰脏中消化酶活力能够直接反映水产动物消化能力（黄瑾，2011）。对于幼建鲤（冯琳，2010）、生长中期草鱼（胡晓霞，2012）、生长后期草鱼（李雪吟，2017），饲料苏氨酸缺乏将会抑制肠道和肝胰脏中蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活力，而添加苏氨酸后，三种酶的合成会显著增加，在王伟等（2015）对中华绒螯蟹的研究中得到了一致的结果。同时这在赖氨酸（赵春蓉，2005）、蛋氨酸（帅柯，2006）等对水产动物消化酶影响研究中也发现了类似的结果，说明当机体所需的氨基酸不足时，外源补充适量的氨基酸能够促进消化酶的合成和分泌。肠道的吸收能力主要依靠刷状缘酶的活力（Zhao等，2012）。饲料苏氨酸缺乏后，生长中期草鱼肠道中碱性磷酸酶（ALP）、肌酸激酶（CK）、γ-谷氨酰转肽酶（γ-GT）和Na+，K+-ATP酶活力显著降低，而当苏氨酸水平添加适宜时，肠道中四种酶的活力显著提升（胡晓霞，2012）。Habte-Tsion等（2015）发现，苏氨酸除了能提高团头鲂肠道各段ALP、CK、γ-GT和Na+，K+-ATP酶活力外，还会显著上调四种刷状缘酶的基因表达水平，进一步从分子水平解揭示了苏氨酸促进水产动物消化吸收能力的潜在机制。

2.4 苏氨酸对水产动物抗氧化能力的影响 当过量产生活性氧簇（ROS）或体内酶性、非酶性抗氧化系统不足以清除时，则会导致氧化应激，丙二醛（MDA）含量能够反映机体和组织脂质过氧化程度（Kohen和Nyska，2002）。苏氨酸缺乏会显著增加生长中期草鱼血清、肝胰脏和肌肉MDA含量，而添加适宜苏氨酸后其含量则会明显降低，血清和肝胰脏MDA含量在1.26%苏氨酸水平时达到最小值，肌肉MDA含量则在0.97%和1.26%苏氨酸水平时达到最小值（胡晓霞，2012）。表明适宜苏氨酸水平能够抑制水产动物机体和组织脂质过氧化的程度。鱼体应对氧化应激主要依赖于抗氧化系统，包括非酶抗氧化物质及抗氧化酶（Kohen和Nyska，2002）。与生长中期草鱼组织中MDA含量变化相对应，苏氨酸缺乏会导致血清、肝胰脏和肌肉超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽转移酶（GST）、谷胱甘肽还原酶（GR）和谷胱甘肽（GSH）活力的降低（胡晓霞，2012），而添加适宜苏氨酸后上述抗氧化酶活力则会显著提升。Habte-Tsion等（2016）发现，苏氨酸缺乏会显著降低团头鲂肝胰脏SOD、CAT和GPx活力，而当苏氨酸水平为1.58%~2.08%时，肝胰脏中三种抗氧化酶的活力显著提升。鱼体抗氧化能力主要受到Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白α/核因子E2相关因子2（Keaplα/Nrf2）信号通路调控，且近些年的研究已经表明饲料中亮氨酸（Liang等，2018）、蛋氨酸（Ji等，2020）等必需氨基酸的水平对此通路有着明显的调控作用。对于团头鲂，苏氨酸缺乏会显著下调肝胰脏中Nrf2的基因表达量及下游相关抗氧化基因，如铜锌超氧化物歧化酶（Cu/Zn-SOD），锰超氧化物歧化酶（Mn-SOD），CAT，GPx，GST，当苏氨酸水平达到1.58%时，上述抗氧化相关基因表达量均达到峰值，揭示苏氨酸改善机体抗氧化能力的可能机制同样是调控Nrf2信号通路。目前，关于苏氨酸对虾蟹类抗氧化能力影响的研究还较少，仅见于苏氨酸对中华绒螯蟹肝胰腺SOD活力影响的研究，苏氨酸水平超过1.61%时肝胰腺SOD活力显著降低，进而可能诱发氧化损伤。因此还需进行更加深入的研究探讨苏氨酸影响虾蟹类抗氧化能力的作用机制。

2.5 苏氨酸对水产动物免疫功能的影响 苏氨酸缺乏或过量影响水产动物特异性免疫功能的可能原因有以下几个方面：第一，减缓免疫器官的发育。苏氨酸缺乏会显著降低幼建鲤头肾重量、脾脏重量及相应体指数（冯琳，2010）；第二，降低免疫球蛋白含量。免疫球蛋白M（IgM）可能是鱼体内仅有的一类免疫球蛋白（Anderson，1996）。对于幼建鲤，苏氨酸水平由1.57%降至0.74%，血清中IgM含量会下降28.8%，进而削弱幼建鲤特异性免疫能力。而对于瓦氏黄颡鱼，苏氨酸水平由1.40%降至0.28%，血清中IgM和白蛋白含量未出现显著变化，说明不同鱼类血清中IgM对苏氨酸的敏感水平并不相同（封福鲜，2011）；第三，抑制补体系统的激活。补体3（C3）、补体4（C4）是增强鱼体特异性免疫应答的主要因子。苏氨酸缺乏或过量显著降低幼建鲤血清中补体C3、C4含量（冯琳，2010），在Dong等（2018）对苏氨酸影响草鱼鳃中C3、C4含量的研究中得到了一致的结果。第四，减少血液中红细胞数量。红细胞可以诱导静态B细胞增殖分化为产生抗体（免疫球蛋白）的浆细胞（Carroll，2004）。当苏氨酸水平由1.57%降至0.74%时，幼建鲤血液中红细胞数量下降30.9%（冯琳，2010）。而当苏氨酸水平低于2.08%或高于2.08%时，团头鲂血液中红细胞数量则会显著下降（Liang等，2018）。

苏氨酸缺乏或过量主要通过降低非特异性免疫相关酶活性、提高促炎因子的基因表达量影响鱼体非特异性免疫功能。苏氨酸缺乏或过量会显著降低幼建鲤（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为指标，进行二次多项式回归分析得到幼建鲤苏氨酸需求量分别为1.57%、1.60%（冯琳，2010）。苏氨酸过量会显著提升团头鲂肝胰脏及前肠促炎因子肿瘤坏死因子-α（TNF-α）基因表达量，苏氨酸缺乏或过量则会显著提高中肠TNF-α基因表达量，表明苏氨酸无论是缺乏还是过量都会引发机体炎症反应，影响机体健康（Dong等，2018）。作为鱼体呼吸和氨氮排泄的主要组织器官，鳃通过形成免疫屏障和物理屏障增强对病原体入侵的抵抗力（Habte-Tsion等，2015）。苏氨酸缺乏会提升团头鲂柱状黄杆菌攻毒后烂鳃病的发病率，通过减少抗菌物质分泌、上调促炎因子基因表达及下调抗炎因子的基因表达等方式破坏鳃的免疫屏障功能，通过降低鳃抗氧化能力、促使细胞凋亡及破坏紧密连接等方式削弱鳃的物理屏障功能。苏氨酸缺乏会显著下调草鱼肠道中信号分子核因子κB（NF-κB）、TOR、Nrf2、c-Jun氨基末端激酶（JNK）和肌球蛋白轻链激酶（MLCK）基因表达量，进而导致鱼类免疫和物理屏障功能恶化（Kato等，2013）。

目前，关于苏氨酸对虾蟹类免疫功能影响的研究还较少，仅见于苏氨酸对中华绒螯蟹肝胰腺ACP和ALP活力影响的研究，苏氨酸缺乏会显著降低肝胰腺中两种免疫相关酶的活力，降低机体非特异性免疫能力，进而影响机体生长发育，但苏氨酸影响虾蟹类免疫功能的作用机制仍需进一步深入探讨。

3 小结与展望

近年来，关于水产动物苏氨酸营养的研究逐渐增多，发现了鱼类苏氨酸的需求量在1.04%~2.06%，虾蟹类苏氨酸需求量在1.36%~1.59%；初步明晰了苏氨酸对水产动物肉质、蛋白质代谢、消化吸收功能、抗氧化功能及免疫功能的影响。未来对于水产动物苏氨酸营养的研究应从以下四个方面深入拓展：目前苏氨酸营养需求研究主要集中于鱼类，关于虾蟹类的研究相对较少，且仅有的研究局限于幼体阶段，需开展至生长中后期；以苏氨酸调控肌肉品质的具体机制作为切入点，研究鱼类及虾蟹类对苏氨酸营养需求差异的潜在原因；苏氨酸调控水产动物体蛋白合成和鱼类免疫球蛋白生成的具体作用机制值得进行深入研究；因水产动物对蛋白源的吸收利用存在差异，进而造成对饲料氨基酸需求量的不同，因此未来应加强低鱼粉饲料开发及氨基酸需求的同步研究，为更深入全面地了解苏氨酸在水产动物上的营养免疫功能及其作用机制提供新思路新方向，为水产动物健康养殖及绿色低氮饲料开发奠定坚实理论基础。