支链氨基酸对家禽种蛋孵化率、免疫力、肠道菌群的影响

现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2023/3/8 7:51:18 关注：980 评论： 我要投稿

支链氨基酸对家禽种蛋孵化率、免疫力、肠道菌群的影响

孙研研 译 何 娜 审

  摘 要：支链氨基酸(branched-chain amino acids，BCAA；主要为亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸)除了维持动物机体能量的稳态和为转氨基作用提供氮底物和碳框架外，还是蛋白激酶B(protein kinase B，AKT)调节葡萄糖、脂质和蛋白质合成的信号分子，也是蛋白激酶B－哺乳动物雷帕霉素靶点(mammalian target of rapamycin，mTOR)信号通路的靶点。谷物普遍含有较高水平的亮氨酸，蛋白质含量低的日粮(俗称“低蛋白日粮”)中这三种BCAA的比例不平衡，会对家禽的生长性能产生负面影响。这是由于这三种BCAA具有相似的结构，会引发代谢竞争，并会干扰酶降解。最新的证据表明，日粮中加入BCAA对家禽的先天性和适应性免疫系统维持正常功能以及肠道黏膜保持完整性至关重要。至于家禽的BCAA需要量，NRC(1994)给出了推荐值，商品肉鸡和蛋鸡的营养标准也明确了各自的推荐量。综合文献资料可知，家禽的BCAA需要量受日粮类型以及家禽的品种和年龄的影响。值得注意的是，与饲料原料成分中的BCAA(即结合型BCAA)相比，针对非结合型BCAA的添加比例的研究有限，而这将会影响家禽在不同疾病挑战条件下对BCAA的动态利用率，特别是那些会影响肠道消化糜排空速率的疾病。
  关键词：支链氨基酸；孵化率；免疫力；微生物区系；产蛋性能1 种蛋胚胎注射支链氨基酸(branched-chain amino acids，BCAA)对胚胎发育和孵化率的影响向出雏后的家禽提供特定营养物质的重要性已众所周知，随着胚胎饲喂技术的不断发展，向孵化后期的种蛋胚胎提供足够的营养物质和生物活性物，可能会提高家禽出雏后的生长性能。Kita等在孵化前通过气室向种蛋注射约1％的亮氨酸和异亮氨酸(这一注射量相当于使鸡蛋中亮氨酸和异亮氨酸分别达到453 mg和271 mg)，能加速入孵种蛋胚胎的生长，缩短雏鸡的出壳时间。Chowdhury等和Han等报道，向种蛋注射L-亮氨酸可提高处于热应激环境中的肉鸡的耐热性，并加快增重。Han等发现，与异亮氨酸或缬氨酸相比，在孵化的第7天向种蛋胚胎的卵黄囊注射 用无菌水配制的亮氨酸溶液(浓度为 35 μmol/500 μL)，显著降低了雏鸡出壳时的体温，并提高了雏鸡出壳后5 d内的体重。此外，Han等报道，在种蛋胚胎形成的第7天向胚胎注射L-亮氨酸，可降低雏鸡出雏时的血浆甲状腺素水平和直肠温度，并降低10日龄肉用公鸡热应激时的直肠温度。雏鸡出雏时体温降低可能是由于刚出壳的雏鸡无法维持体温稳态，但是，亮氨酸注射组刚出壳雏鸡直肠温度升高表明雏鸡的体温调节功能正在发育完善，这与代谢率升高相关。热应激时家禽的直肠温度降低表明，向入孵种蛋的胚胎注射亮氨酸可以提高雏鸡的耐热性。然而，Zeitz等发现，肉鸡日粮中亮氨酸的添加量比品种营养标准中的推荐量高60％(育雏期、育成期和育肥期分别为1.59％、1.43％和1.35％)时，对蛋白质合成或肌肉降解通路均没有显著影响。Bhanja和Mandal给试验组肉鸡种蛋的胚胎注射4～7 mg亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的混合物，孵出的雏鸡第1周的体重比对照组的雏鸡重21％，体液免疫力和细胞免疫力也增强。给火鸡种蛋胚胎的羊膜囊注入0.2％的以3∶1∶2的比例配制成的L-亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的混合物(即BCAA混合物)，与注射生理盐水的对照组火鸡种蛋相比，孵化率降低9％以上，雏火鸡质量提高2.5％，且出壳体重增加13％。
  2 BCAA对家禽肠道发育、免疫力和肠道微生物区系的影响Singh等指出，为了提高家禽的生长速度和产蛋性能，与免疫细胞、肠道完整性和肠道菌群平衡相关的胃肠道正常发育和功能是必不可少的。尽管BCAA在调节家禽的免疫力和肠道健康方面有重要的作用，但现有文献尚未阐明具体的作用机制。此外，在家禽生产中关于用BCAA调节免疫力、肠道菌群和肠道整体健康的研究极少。家禽日粮中补充BCAA后所产生的效果应与在猪或小鼠中观察到的效果相似。但是，家禽、猪和其他单胃物种在免疫力和肠道微生物区系上存在差异，因此还需要进一步研究才能确定BCAA对家禽肠道健康的影响。
  在人体和体外模型上进行的一些研究已经证明，BCAA通过钠非依赖性中性氨基酸转运体或溶质载体运输，并在大脑、脾脏、肝脏、骨骼肌、肠道和肾脏中表达。Bonvini等围绕BCAA通过氧化、脱氨基和转氨基作用向各种细胞和组织供应能量、调节其他生理功能进行了全面综述。简而言之，在支链氨基酸转氨酶(branched-chain aminotransferase，BCAT)的作用下，BCAA会发生氨基交换，产生支链ɑ-酮酸(branched-chain ɑ-keto acids，BCKAs)；在支链α-酶酸脱氢酶(branched-chain ɑ-keto acids dehydrogenase，BCKD)的催化作用下，BCAA会发生不可逆的氧化脱羧。根据通路和最终代谢物，亮氨酸可以生成酮，缬氨酸会生成糖，异亮氨酸既可以生成糖又可以生成酮。当发酵BCAA时，缬氨酸被转化为异丁酸，亮氨酸被转化为2-甲基丁酸，异亮氨酸被转化为异戊酸，作为支链脂肪酸(branched-chain fatty acid，BCFA)代谢物，Smith等和Apajalahti等证明这些代谢物没有严重的毒性作用。BCKD存在于肠道黏膜中；BCAT既存在于肠道黏膜中，又存在于肝脏中，但肝脏中的含量较低；BCAA主要存在于骨骼肌中，通过BCKD氧化调节BCAA。BCAT和BCKD在免疫细胞中有较高的浓度，BCAA的浓度在细胞周期的S期会提高。
  3 BCAA对家禽免疫力的作用
  Monirujjaman等发现，在家禽肝脏中，所有BCAA中主要由缬氨酸刺激颗粒状和非颗粒状淋巴细胞的淋巴发生，并增加自然杀伤(natural killer，NK)细胞的数量。Ma等和Nie等证明，充足的BCAA也是黏膜分泌型IgA的刺激物，可减少黏膜固有层中致病微生物的增殖，BCAA作为白细胞、白细胞介素-12(interleukin-12，IL-12)等促炎细胞因子和树突状细胞的能量来源，在促进先天性和适应性免疫反应上发挥着重要作用。Sartori等证明，在间充质细胞培养基中添加BCAA，可以促进细胞的增殖，降低磷酸化k基因结合(phosphorylated factor-k-gene binding，p-FkB)与k基因结合核因子(nuclear factor-k-gene binding，NFkB) 基因表达量的比值，提高磷酸化信号转导及转录激活因子3(phosphorylated signal transducer and activator of transcription 3，p-STAT3)与信号转导因子和转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT-3)基因表达量的比值，减少IL-6和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor alpha，TNF-ɑ)，增加抗炎介质。Calder通过体外研究证明，BCAA被结合到用于合成RNA和DNA的蛋白质中，并被免疫细胞氧化以发挥细胞功能。这些研究证明，BCAA具有合成代谢和免疫调节的作用。此外，与蛋白质限制的日粮相比，在低蛋白日粮(粗蛋白含量为17％)中添加BCAA，可以降低仔猪血浆中尿素的含量和上皮淋巴细胞的数量，增加十二指肠绒毛高度和IgA的浓度。Cherroute等指出，在功能正常时一般不希望出现上皮淋巴细胞水平升高，因为这意味着黏膜正在发生炎症反应。在一项体外试验中，Liu等研究了补充亮氨酸对经脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)处理的胚龄为19 d的鸡胚肠道组织的效果，发现亮氨酸通过核因子-κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)的磷酸化下调了LPS诱导的炎症反应。在用低剂量LPS(25 μg/kg)刺激断奶仔猪时，额外添加0.3％的BCAA以及精氨酸和半胱氨酸，可以部分逆转由LPS刺激所加剧的炎症和激素变化的应激生物标志物。与对照组仔猪相比，BCAA+精氨酸+半胱氨酸处理组仔猪的血清皮质醇水平在第10天从3.5 μg/dL降低到1.7 μg/dL，结合珠蛋白水平从19.84 mg/dL 降低到13.59 mg/dL，胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)的浓度在第35天从144 μg/L提高到231 μg/L。Thornton等发现，当日粮缬氨酸含量从6.4 g/kg提高到8.65 g/kg时，3～ 6周龄肉鸡的免疫器官或抗体滴度没有发生任何变化，因此，缬氨酸边缘性缺乏不会影响肉鸡的免疫力，因为免疫对缬氨酸的需要量可能低于生长对缬氨酸的需要量。这些结果表明，缬氨酸是肉鸡生长发育和生理功能所必需的，但它与其他氨基酸(特别是其他BCAA)的比例对于获得最佳生长效果至关重要。总的来说，充足的氨基酸对动物机体细胞毒素分子、多肽、免疫球蛋白、细胞因子等的合成以及先天性免疫和适应性免疫的化学通讯和功能至关重要。充足的BCAA对免疫细胞以及免疫细胞分裂合成所需的核酸和蛋白质必不可少。
  4 BCAA对家禽肠道发育和营养物质转运的影响
  家禽通常需要较长的肠道绒毛来产生较大的表面积，以便更好地吸收营养。在日粮与肠道微生物存在互作以及肠道组织自身衰老的作用下，肠道绒毛上皮细胞会有规律地脱落，在某些疾病暴发期间，脱落可能更明显。Jeurissen等、Wang等和Singh等指出，脱落的细胞可通过隐窝细胞分裂得到补充，在肠道绒毛萎缩时，隐窝深度会增加，因此，绒毛与隐窝比值是反映肠道健康的良好指标。在肉鸡日粮中添加亮氨酸(占日粮的1.37％～2.2％)，可显著提高空肠和回肠的绒毛高度以及十二指肠、空肠和回肠的绒毛与隐窝比值，证实了亮氨酸在家禽肠道发育中的作用。Allameh和Toghyani报道，在肉鸡的低蛋白日粮中添加缬氨酸，当添加量达到阳性对照日粮中可消化缬氨酸水平(育雏期、育成期和育肥期日粮中的含量分别为0.9％、0.79％和0.71％)的90％时，空肠和回肠的绒毛高度分别增加29％和17％，空肠和回肠杯状细胞数量分别增加12％和9％。研究人员发现，日粮中添加的缬氨酸不仅不会影响肉鸡的免疫反应，还可以增加蛋白质沉积，改善肠道形态。在转氨基过程中，BCAA还可以为其他氨基酸的合成提供氨基，特别是谷氨酸和天冬氨酸，它们是家禽小肠黏膜细胞内蛋白质周转和营养物质运输的主要能量来源。如果亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的比例不恰当，添加亮氨酸可能不会促进肠道细胞的生长和增殖。
  BCAA的代谢为其他氨基酸(尤其是谷氨酰胺)提供碳骨架和氮，从而支持免疫活性。Yudkoff证明，大脑中BCAA供应的增加限制了谷氨酸的大量积累，并阻止这种神经递质达到毒性水平。此外，BCAA转氨基产生的丙氨酸和谷氨酰胺可以防止氨在肌肉中积累，并将其运输到肝脏和肾脏中，进行进一步的代谢和排泄。
  从本质上说，氨基酸是内源性肽的组成部分，且具有抗菌作用。肠道上皮细胞内膜可产生广谱抗菌肽，包括防御素和抗菌肽，以抵御微生物入侵的持续刺激。在猪肠道上皮细胞的体外研究和猪体内研究中，Ren等观察到BCAA(很有可能是异亮氨酸)可能通过激活沉默调节蛋白1(sirtuin 1 silent mating type information regulation 2 homolog -1，Sirt1)/细胞外信号调节激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)/核糖体S6激酶90(ribosomal S6 kinase 90，90RSK)信号通路刺激β-防御素。Duan等证明，按1∶0.25∶0.25～1∶0.75∶0.75的限制比例在猪日粮(粗蛋白含量为17％)中添加亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸，可提高氨基酸转运蛋白的表达，降低肌肉蛋白降解相关基因的表达，提高肌肉游离氨基酸浓度，降低血清尿素氮含量。Zhang等报道，在断奶仔猪的低蛋白日粮(试验组日粮的粗蛋白含量为17％)中添加BCAA，使亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的浓度达到与对照组日粮(粗蛋白含量为20.9％)同等水平，试验组仔猪Na+偶联的中性氨基酸转运体和阳离子氨基酸转运体表达量增加，黏膜组织在形态上得到改善。哺乳仔猪的肠道绒毛高度和绒毛与隐窝比值随着日粮中亮氨酸添加量的增加而升高，而且氨基酸转运体B(amino acid transporter B0+，ATB0+){溶质载体家族6(氨基酸转运蛋白)成员14[solute carrier family 6 (amino acid transporter), member 14，SLC6A14]}也上调，ATB0+可以在补充亮氨酸的仔猪空肠中和其他亮氨酸转运体一起运输20种蛋白源性氨基酸中的18种。这说明以恰当的比例添加亮氨酸，可以促进仔猪肠道对多种氨基酸的吸收。
  5 BCAA对家禽肠道菌群的影响
  目前关于BCAA对动物肠道菌群影响的了解还非常有限，需要进一步探讨。在体外培养研究中，Dai等将BCAA与其他氨基酸一起加入猪肠道食糜中，发现这些氨基酸可被细菌合成蛋白质，因此认为BCAA可以调节肠道菌群的多样性。van der Wielen等利用从31日龄肉鸡盲肠中分离的乳酸发酵菌(植物乳酸杆菌G17T株)进行体外研究，该菌与丙酸梭菌(Clostridium propionicum)和新丙酸梭菌(Clostridium neopropionicum)相似。在培养底物中添加L-缬氨酸、L-亮氨酸和L-异亮氨酸时，乳酸发酵菌的生长缓慢。Yin等在最近的一项研究中发现，饲喂低蛋白日粮(粗蛋白含量为14％)的仔猪肠道中γ变形菌门、乳酸菌门和气单胞菌门的细菌丰度降低，在日粮中添加BCAA可以恢复这些细菌的丰度。Spring等发现，在断奶仔猪的低蛋白日粮(粗蛋白含量为13％～14％)中添加三种BCAA以达到与对照日粮的相同水平，可以促进有益菌群在肠道中的定植。与对照组相比，在低蛋白日粮中添加BCAA增加了粪便中帕鲁迪菌(Paludibacteraceae)和互养菌(Synergistaceae)的数量，降低了链球菌科(Streptococcaceae)、未分类氧化杆菌科(Oxyphotobacteria_unclassified)、 假单胞菌科(Pseudomonadaceae)和希瓦菌科(Shewanellaceae)细菌的丰度。帕鲁迪菌科(Paludibacteraceae)细菌家族中的帕鲁迪菌(Paludibacter)可以发酵碳水化合物，产生醋酸盐和丁酸盐。Apajalahti和Vienola报道，乳酸菌(Lactobacillus spp.)和产气膜梭菌(Clostridium perfringens)在生长时需要亮氨酸和异亮氨酸，而大肠杆菌不需要，因此，氨基酸添加量的差异可能有利于家禽胃肠道中某些菌群与其他菌群的竞争。Jian等研究了日粮中补充缬氨酸对33周龄蛋鸡肠道菌群的影响，其中对照组基础日粮中缬氨酸总含量为0.59％、试验组日粮中缬氨酸总含量为0.79％，结果表明添加缬氨酸不会影响蛋鸡盲肠菌群的α多样性和β多样性，但会降低梭杆菌属(Fusobacterium)、卡多维亚菌属(Aeriscardovia)、厌氧螺旋菌属(Anaerobiospirillum)、气球菌属(Aerococcus)、杆状杆菌属(Corynebacterium)和弯曲杆菌属(Campylobacter)细菌的相对丰度，增加假丁酸菌属(Oribacterium)和弗里辛格球菌属(Frisingicoccus)细菌的相对丰度。这些结果表明，一般情况下日粮中添加BCAA会对家禽肠道菌群产生有益影响，促进家禽的生长。由于抗生素生长促进剂使用受限，通过调整家禽日粮中的BCAA添加量调节肠道菌群组成受到更多关注。
  6 BCAA对肉鸡骨骼发育的影响
  Farran和Thomas研究了缬氨酸缺乏型和BCAA缺乏型日粮对3周龄肉用公鸡的影响，发现缬氨酸缺乏组雏鸡的骨灰分和骨钙含量(0.63％)低于对照组和BCAA缺乏组雏鸡的。在该研究中，缬氨酸缺乏组肉鸡的钙排泄量是缬氨酸添加组肉鸡的3倍。研究人员还指出，维持雏鸡成骨细胞活性需要比例适当的BCAA，缬氨酸比例低可能会增加细胞活性，导致缬氨酸缺乏组雏鸡出现骨异常。但Amirdahri等发现不同的缬氨酸与赖氨酸比例会影响与肉用母鸡胫骨相关的参数。因此，不仅个别或全部BCAA的缺乏会对家禽的健康和生产性能产生负面影响，其最佳比例对家禽的生长代谢也至关重要。
  7 家禽BCAA研究展望
  一些新证据表明，在发病状态下，家禽肠道黏膜对营养物质的选择性、通透性可能会发生改变，对毒素和致病菌的渗透性更强，从而引发更多的并发症。Prado-Rebolledo等报道，在感染沙门菌期间，肉鸡的肠道通透性提高。在这种状态下，肉鸡对BCAA的需要量也可能会发生改变，不仅为了修复肠道的完整性，也为了促进免疫细胞的增殖和抗菌因子的分泌。Bortoluzzi等和Castro等指出，肠道感染会增加内源性氨基酸损失，补充氨基酸可以改善肠道完整性和通透性。家禽改变BCAA需要量的机制还需要进一步研究，特别是蛋鸡、肉鸡和火鸡的变化。关于在发病状态下家禽对BCAA的利用，Parker等证明BCAA是家禽在感染艾美耳球虫期间回肠表观消化率降低幅度最大的氨基酸之一。感染期间肠道绒毛吸收面积和刷状缘转运体的减少可能是造成BCAA消化率下降的主要原因。Teng等发现，在暴发球虫病时，家禽肠道黏膜的完整性受到影响，导致细胞旁通透性增强，营养物质的吸收发生变化，且影响氮的沉积。Rochell等报道了家禽感染艾美耳球虫后血浆中BCAA浓度不降反升，确定这些氨基酸在感染球虫期间是如何被家禽利用的，以及它们之间的比例改变能否产生有益的影响还需进一步的研究。正如前文所述，为了更好地理解高水平的亮氨酸或血浆中异亮氨酸和缬氨酸浓度的拮抗作用，仍需广泛的研究，在保证其他两种BCAA的含量不变的前提下，在疾病挑战和未挑战的状态下给家禽补充不同水平(从低到高)的另一种BCAA。Hilliar等指出，日粮中粗蛋白含量的减少可以降低肠道菌群产生的丁酸量，丁酸既是结肠细胞的能量来源，又可以刺激宿主防御系统。他们还发现，由产气荚膜梭菌和艾美耳球虫并发感染引起的亚临床坏死性肠炎，会导致家禽的粗蛋白消化率下降，而饲喂较高水平的氨基酸可加速恢复家禽健康。
  除了疾病挑战外，热应激会加快肌肉蛋白质的分解代谢，因此也会增加家禽对BCAA的需要量。补充BCAA可以增加长期处于热应激状态下的家禽的体重，并能够降低雏禽的直肠温度。对于生长在热带地区的家禽，当限饲或降低采食量可能会减少家禽摄入的可利用营养物质时，评估含有较高水平BCAA的高密度日粮是否能有效维持家禽的生长非常重要，甚至也需要根据日粮类型和家禽的健康状况评估家禽对可消化BCAA的需要量。家禽对补充的非结合型BCAA和结合型BCAA可能具有不同的利用率。Waldroup等报道，在维持或提高动物生产性能上，通过添加氨基酸来增强营养价值的低蛋白日粮并不会与通过饲料原料获得氨基酸和蛋白质的高蛋白日粮有相同的效果。饲料中的豆粕是家禽所需粗蛋白、必需氨基酸和BCAA的主要来源。不恰当的豆粕加工技术、纤维含量和粗蛋白含量可能会影响家禽对BCAA的利用率。目前，文献尚未明确报道家禽在球虫病、沙门菌病和坏死性肠炎等疾病的暴发期对BCAA的需要量。家禽对BCAA和其他营养物质的需要量会发生改变也存在争议。根据目前对肠道黏膜屏障功能恶化、肠道通透性增加以及免疫系统对抗感染导致机体对氨基酸需求增加的理解，建议在疾病暴发期进一步评估家禽对BCAA的需要量。近年来，蛋鸡饲养方式逐渐从传统的笼养向非笼养转变。饲养环境的改变可能会使蛋鸡面临包括球虫病在内的多种疾病挑战的压力。此外，由于饲料中抗生素生长促进剂的添加受到限制，家禽会对BCAA的需要量发生变化。临床或亚临床感染的蛋鸡对不同BCAA之间的最佳比例和需要量也需要进一步研究，因为疾病会影响鸡蛋形成所需氨基酸的转运。
  8 总结
  BCAA是动物机体蛋白质合成的关键调控因子之一。不同BCAA之间的最佳配比对于引发营养传感器向肌细胞传递增殖和分化信号，从而导致肌肉生长和发育至关重要。虽然越来越多的研究证明BCAA在维持家禽免疫应答方面有重要作用，但抗生素生长促进剂的限制使用，导致动物患病风险加大，目前饲料中BCAA的推荐添加量可能还不足以应对该风险。不同BCAA之间的配比与胸肌疾病的关系也有待进一步深入研究。虽然BCAA对家禽肠道完整性、营养转运和肠道菌群组成等方面的影响已开展了一些探索，但仍需要在此基础上对BCAA的添加进行进一步标准化。在配制家禽日粮时，应谨慎选择饲料原料，以确保不同BCAA之间具有合适的配比，例如，在不同BCAA的含量上，玉米和干酒糟及其可溶物往往含有更多的亮氨酸；血粉中异亮氨酸含量较低；玉米、豆粕和肉骨粉中不同BCAA之间配比更为平衡。此外，家禽对添加的非结合型氨基酸的利用率不如日粮中蛋白质结合型氨基酸，因此不同BCAA之间的配比应基于可消化氨基酸水平进行设定。总之，还需要进一步的研究来评估家禽饲料中不同BCAA之间的配比的影响，进而优化BCAA含量不同的主要饲料原料的配比。