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刘强教授:反刍动物钴胺素营养研究进展


现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2023/5/6 8:17:24 关注:826 评论: 我要投稿

新希望六和——生物环保饲料

  导读:钴胺素(VB12)是瘤胃微生物和反刍动物的必需营养因子,作为甲基丙二酰辅酶A变位酶和蛋氨酸合成酶的辅助因子,参与葡萄糖、蛋白质和能量等代谢过程,在反刍动物瘤胃丙酸产生、肝脏糖异生、叶酸和蛋氨酸代谢中起重要作用,其主要存在于动物性饲料原料中。反刍动物瘤胃细菌和甲烷菌能利用无机钴合成钴胺素及其类似物,但合成的量不能满足高产奶牛的需要,需要在奶牛日粮中添加钴胺素。本期我刊特邀山西农业大学刘强教授以“反刍动物钴胺素营养研究进展”为题,介绍了钴胺素的来源、吸收和代谢的途径以及在牛生产中的应用,为研究钴胺素在反刍动物中的应用提供参考。全文已在《饲料工业》2023年第8期刊出。
  钴胺素(Cobalamin,维生素B12)是瘤胃微生物和反刍动物的必需营养因子,作为甲基丙二酰辅酶A变位酶和蛋氨酸合成酶的辅助因子,参与葡萄糖、蛋白质和能量等代谢过程[1-2]。在肝脏中,甲基丙二酰辅酶A变位酶催化来源于丙酸的甲基丙二酰辅酶A转化为琥珀酰辅酶A,后者进入三羧酸循环,经糖异生代谢转化为葡萄糖[1-2]。一碳单位代谢中,S-腺苷蛋氨酸作为甲基供体,为DNA甲基化、胍基乙酸转化为肌酸和磷脂酰胆碱合成等过程提供甲基,最终转化为同型半胱氨酸。在蛋氨酸合成酶的催化作用下,同型半胱氨酸接受5-甲基四氢叶酸的甲基重新合成蛋氨酸,5-甲基四氢叶酸转化为四氢叶酸[1-2]。四氢叶酸是叶酸的活性形式,以5-甲基四氢叶酸、5,10-亚甲基四氢叶酸和10-甲基四氢叶酸的形式完成一碳基团的传递[1]。如钴胺素缺乏,则蛋氨酸合成减少,四氢叶酸不能合成,一碳代谢循环受阻[1-2]。反刍动物瘤胃微生物能利用日粮中的无机钴合成钴胺素,但是最近的研究发现,日粮钴含量为0.2 mg/kg DM条件下,注射补充钴胺素,泌乳早期奶牛产奶性能和能量利用率改善[3-5]。因此,高产泌乳奶牛需要外源补充钴胺素。
  1
  钴胺素的来源
  钴胺素主要存在于动物性饲料原料中,植物性饲料中不含钴胺素。反刍动物瘤胃细菌和甲烷菌能利用无机钴合成钴胺素及其类似物。瘤胃微生物对日粮中钴的利用率约为3%,瘤胃合成的钴胺素在小肠的吸收率为1%~3%,采食的钴约80%随粪排出[6-7]。瘤胃中合成的钴胺素类似物大部分不具有生物活性,有的甚至对动物有负面影响,竞争性抑制钴胺素的吸收与代谢[6-8]。研究发现,随日粮钴含量的增加,瘤胃钴胺素合成的比例减少,类似物合成的比例增加[6-8]。牛全血中的钴胺素约50%属于钴胺素类似物[7]。6~8周龄反刍动物的瘤胃微生物就可以利用日粮钴合成钴胺素,生产中,反刍动物钴胺素缺乏的现象很少见,因此,传统营养学理论认为,瘤胃合成钴胺素的量能满足动物的需要,饲料配制时只需要考虑动物对钴的需要量即可[7]。依据肝脏和血浆中钴胺素水平达到最高值时日粮中钴的含量,奶牛总钴(基础日粮+添加)的需要量被确定为0.11 mg/kg DM[7]。植物性饲料原料中钴的存在形式与含量与作物品种、收获期、产量、季节和土壤等因素有关[7]。受测定过程中灵敏度的限制,实际生产中一般不检测饲料原料中钴的含量,基础日粮中钴的平均含量通常被认为是0.1 mg/kg DM[7,9]。因此,精准确定反刍动物对钴的需要量和日粮供给量比较困难。
  钴胺素的瘤胃表观合成量与日粮组成、瘤胃菌群组成、瘤胃钴浓度和动物干物质采食量等因素有关。研究发现,随粗饲料比例的增加,瘤胃固相和液相细菌中钴胺素含量提高[10]。瘤胃中钴胺素的表观合成量与日粮中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量呈正相关,和日粮非纤维性碳水化合物含量呈负相关[11],采食高纤维日粮的奶牛,比采食高淀粉日粮的奶牛高3倍[12]。另外,调控瘤胃菌群组成也能提高钴胺素合成量。据报道,反刍兽新月单胞菌、埃氏巨型球菌和溶纤维丁酸弧菌为瘤胃中合成钴胺素的优势菌[13]。试验发现,提高日粮钴添加水平,羊血浆钴胺素浓度增加;日粮中添加钴0.5、1.0 mg/kg DM,血浆钴胺素浓度显著高于添加钴0.25 mg/kg DM[14]。试验结果表明,提高日粮中钴水平,瘤胃钴胺素合成量增加。但是,泌乳早期奶牛采食含钴0.2 mg/kg DM的基础日粮,添加钴使日粮中钴水平为0.57、0.93 mg/kg DM,产奶性能、血液和乳中钴胺素含量无显著变化[15];注射补充钴胺素,奶牛能量校正奶产奶量和奶中钴胺素含量提高[16]。试验结果表明,日粮含钴0.2 mg/kg DM时,提高日粮钴水平,瘤胃微生物合成的钴胺素不能满足奶牛的需要。早期试验还发现,与日粮中添加钴相比,直接补充钴胺素对改善反刍动物钴胺素的状态更有效[17]。因此,日粮钴水平和瘤胃钴胺素合成量之间的关系可能与动物品种有关;高产奶牛需要外源补充钴胺素。
  动物生产性能和代谢率提高,日粮中蛋白质水平提高,对钴胺素的需要量增加[7]。依据现有研究结果,通过提高日粮钴水平满足高产反刍动物对钴胺素的需要,会受瘤胃微生物合成钴胺素能力的限制,同时瘤胃微生物对钴的利用率降低,粪中钴排泄量增加,造成环境污染隐患,饲料营养素利用率降低。因此,需要开展不同日粮钴水平条件下,瘤胃微生物钴胺素合成量及不同生理阶段和生产性能反刍动物对钴胺素的需要量的研究工作。
  2
  钴胺素的吸收和代谢
  反刍动物钴胺素的主要吸收部位是回肠。在皱胃,钴胺素和胃黏膜壁细胞分泌的糖蛋白内源因子(IF)结合,在小肠,IF-钴胺素复合物与回肠上皮细胞表达的受体蛋白结合后被吸收[8]。在肠上皮细胞内,IF被降解,钴胺素被释放进入血液。在血液中,钴胺素与钴胺传递蛋白结合,其中,只有约20%能被组织有效利用[8]。血液中的钴胺素约46%转运至肝脏,其余到达肌肉组织和乳腺组织中[8]。肝脏组织中钴胺素的储备量约占动物体总储备量的60%[8]。钴胺素的吸收率主要与动物的钴胺素状态有关。日粮中蛋白质、铁和维生素B6缺乏或单宁含量较高,动物甲状腺功能减退,钴胺素的吸收率均降低[8-9]。吸收后的钴胺素通过尿液、胆汁和粪便等途径排泄。通过胆汁排泄钴胺素,也使钴胺素通过肝肠循环被肠道重新吸收[9]。
  研究发现,人乳腺上皮细胞表达的跨膜受体CD320与钴胺传递蛋白和钴胺素复合物有高的亲和力[8],在乳腺细胞内,钴胺传递蛋白被降解,游离的钴胺素被转运到奶中[18]。目前已发现,牛的乳腺上皮细胞能表达参与钴胺素转运的两种蛋白质,但是具体转运机制还未见报道。奶牛乳腺组织对钴胺素的吸收与乳动脉血液中钴胺素的浓度有关,吸收率约为血液中钴胺素浓度的5.5%,乳腺组织中吸收的量比分泌到牛乳中的量高17%左右[19]。但是目前关于奶牛乳腺组织对钴胺素吸收与代谢机制的研究还未见报道。
  人依靠动物性食物获取钴胺素,其中牛奶是钴胺素的良好来源[20]。牛奶中的钴胺素与蛋白质结合存在,消化吸收率高于人工合成的钴胺素添加剂,而且稳定性好,巴氏灭菌、太阳照射和长期冷冻都不影响其活性[20]。美国农业部2012年提出,250 mL牛奶中应含钴胺素2.4 μg,才能满足13岁儿童对钴胺素日需要量的46%。目前,250 mL牛奶中钴胺素的平均含量仅1.02 μg,初乳中钴胺素的含量约为常乳的4~10倍[21-22]。牛奶中钴胺素的含量与动物品种、日粮组成和饲养管理等因素有关[23]。据报道,牛奶中钴胺素的含量与日粮酸性洗涤纤维含量呈正相关,与日粮蛋白质含量呈负相关[23]。泌乳奶牛每周肌肉注射钴胺素10 mg,奶中钴胺素含量与产量均提高[24]。肌肉注射补充的方式用于生产不可行,但是日粮中直接添加的钴胺素约62.9%在瘤胃中被微生物降解或破坏[25]。因此,为满足人体钴胺素营养需要,亟需研发瘤胃降解率低的包被钴胺素添加剂产品,同时探究提高牛奶钴胺素含量的营养调控措施。
  3
  钴胺素在牛生产中的应用
  钴胺素的研究和应用主要集中于奶牛。据报道,泌乳早期奶牛,尤其是初产牛,血液钴胺素浓度较低[3]。日粮含钴0.2 mg/kg DM条件下,奶牛分娩后8周,血液钴胺素浓度达最低值,为189 pg/mL,泌乳12周血液中钴胺素浓度开始升高,泌乳38周时为275 pg/mL[3]。研究结果表明,泌乳早期奶牛需要外源补充钴胺素。据报道,奶牛日粮钴含量0.1 mg/kg DM,产前每周肌肉注射钴胺素10 mg,泌乳早期干物质采食量、乳、乳蛋白质和乳脂肪产量提高;乳中钴胺素含量提高;血液游离脂肪酸和β-羟丁酸浓度降低[26]。泌乳早期奶牛肌肉注射钴胺素和叶酸,体重和体况评分损失减小;乳脂肪含量和乳蛋白质含量比值降低,且初产牛降低的幅度大于经产牛;乳蛋白质含量提高;泌乳早期乳脂肪产量,初产牛有降低的趋势,经产牛无显著变化;305 d乳脂肪产量,初产牛显著降低,经产牛无显著变化;305 d产奶量和乳蛋白质产量,初产牛和经产牛无显著变化[4,10]。奶牛钴胺素和叶酸同时补充,产后16周,产奶量有提高的趋势,而且产后4周提高的幅度较大;但是,补充钴胺素和叶酸的奶牛同时补充过瘤胃蛋氨酸,产奶性能变化不显著[27]。泌乳早期奶牛日粮中添加过瘤胃蛋氨酸,肌肉注射钴胺素和叶酸,乳、乳脂肪和乳糖产量提高,整体葡萄糖流量有提高的趋势,蛋氨酸用于合成蛋白质的利用率提高[28]。泌乳早期奶牛日粮中补充叶酸和过瘤胃蛋氨酸、肌肉注射钴胺素,能量校正乳、乳脂肪和乳糖产量提高,乳中钴胺素含量和产量增加,血液甲基丙二酸浓度降低、钴胺素浓度增加[16]。研究结果表明,日粮含钴0.2 mg/kg DM时,瘤胃微生物合成钴胺素的量不能满足奶牛的需要[26];补充钴胺素和叶酸,泌乳早期奶牛能量平衡状况改善[10];钴胺素和叶酸的补充效果与奶牛的生理状态有关[4,10];钴胺素和叶酸对产奶性能的改善可能与甲基供应的增加无关[27],与钴胺素和叶酸对糖异生代谢和一碳单位循环的调控有关[28]。
  糖异生代谢中,钴胺素是甲基丙二酰辅酶A变位酶的组成成分,而甲基丙二酰辅酶A变位酶是瘤胃丙酸产生和肝脏丙酸异生成葡萄糖的关键酶[1-2]。奶牛葡萄糖的供应约80%~85%依靠糖异生代谢,瘤胃中碳水化合物发酵产生的丙酸是反刍动物糖异生的主要前体物质,约80%在肝脏中被转化为葡萄糖[9]。一碳代谢中,钴胺素作为蛋氨酸合成酶的辅助因子,参与蛋氨酸的合成和四氢叶酸的形成[1-2]。蛋氨酸是动物蛋白质合成代谢所必需的氨基酸,也是最主要的甲基供体,在腺苷酸转移酶的催化下,蛋氨酸转化为S-腺苷蛋氨酸,为DNA、RNA的甲基化、肌酸和胆碱的合成提供甲基[1]。四氢叶酸接受来自丝氨酸、甜菜碱或胆碱的一碳基团转化为5,10-亚甲基四氢叶酸和5-甲基四氢叶酸,完成代谢中一碳基团的传递[1-2]。奶牛分娩后泌乳,对能量、葡萄糖、蛋氨酸和甲基的需要增加,但在泌乳早期,奶牛采食量低,需要分解体脂肪供能[9]。已有研究发现,泌乳早期奶牛日粮补充钴胺素2.6 g/d,血液总含硫氨基酸含量和肝脏磷脂含量增加,产后112 d产奶量有增加的趋势;钴胺素和叶酸共同补充,血液葡萄糖含量提高,肝脏组织脂肪含量降低[5]。泌乳早期奶牛肌肉注射钴胺素,肝组织的再生能力提高,肝脏脂质和体脂肪的分解减少[29]。泌乳早期奶牛,同时补充钴胺素和叶酸,肝脏组织5,10-亚甲基四氢叶酸还原酶和甲基丙二酰辅酶A变位酶mRNA表达上调[30]。奶牛产前每周肌肉注射钴胺素10 mg,乳和肝脏组织中钴胺素含量提高;同时补充钴胺素和叶酸,肝脏组织中甲基丙二酰辅酶A和S-腺苷同型半胱氨酸水解酶基因表达上调[24]。上述试验结果进一步表明,钴胺素对糖异生代谢和蛋氨酸循环的调控,可能是泌乳早期奶牛生产性能提高和能量利用率改善的主要原因。目前,外源补充钴胺素对奶牛代谢调控及机制的研究还未见报道。
  另外,钴胺素是反刍动物瘤胃微生物的必需营养因子。钴胺素作为甲基丙二酰辅酶A变位酶的辅助因子,在瘤胃丙酸产生过程中催化琥珀酰辅酶A转化为甲基丙二酰辅酶A[31-32]。但是,瘤胃细菌利用谷氨酸和钴合成钴胺素的过程复杂,需要ATP和约30多种基因参与,而且真菌、原虫和一些种类的细菌不能合成钴胺素,瘤胃微生物之间靠交互饲喂的方式满足钴胺素营养需要[9,31]。外源补充钴胺素或许能减少细菌合成钴胺素时的能量消耗,改善微生物生长的能量供应。早期的体外试验报道,添加钴胺素促进了黄色瘤胃球菌的生长和纤维物质的降解[33]。最近的研究发现,奶牛瘤胃菌群组成与钴胺素浓度密切相关,钴胺素浓度高,普雷沃氏菌丰度高;钴胺素浓度低,拟杆菌和丁酸弧菌丰度高[34]。体外发酵液添加钴胺素,刺激了瘤胃普雷沃氏菌的生长[35];瘤胃总挥发性脂肪酸浓度增加,蛋白质12、24 h瘤胃降解率提高,氨态氮浓度降低[36]。依据现有的结果可以推测,外源补充钴胺素能促进瘤胃微生物生长、改善瘤胃发酵和养分降解,但是目前关于钴胺素对奶牛瘤胃发酵和微生物生长的研究还未见报道。
  4
  钴胺素和脂质代谢
  人体和动物模型试验表明,钴胺素能调控肝脏脂质代谢,促进肝脏极低密度脂蛋白(VLDL)的合成和分泌,改变血液脂质组成[37-38]。体外HepG2细胞试验发现,钴胺素缺乏,细胞内脂滴聚集、三酰甘油和总脂肪酸含量增加,脂肪酸、三酰甘油和胆固醇合成代谢关键基因表达上调,脂肪酸氧化和线粒体功能完整性降低[38]。人脂肪细胞模型试验发现,钴胺素缺乏,S-腺苷蛋氨酸和S-腺苷同型半胱氨酸比值降低;固醇调节元件结合蛋白(SREBF)和低密度脂蛋白受体(LDLR)甲基化水平降低、mRNA表达上调;胆固醇合成代谢被诱导[37]。SREBF和LDLR是调控胆固醇合成代谢的关键基因。对鼠类的研究发现,日粮钴胺素缺乏,血液中二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸和总ω-3脂肪酸含量降低[39];日粮中添加钴胺素、叶酸和维生素B6,血液中二十二碳六烯酸含量提高,同型半胱氨酸含量降低[40]。研究证明,钴胺素能直接调控肝脏磷脂酰乙醇胺-N-甲基转移酶(PEMT)的活性和依赖PEMT的多不饱和脂肪酸的输出[40]。脂质以极低密度脂蛋白(VLDL)的形式从肝脏中输出,磷脂酰胆碱是VLDL颗粒表面含量最丰富的脂质,富含多不饱和脂肪酸,尤其是二十二碳六烯酸,对维持VLDL疏水脂核的稳定性起重要作用[41]。在PEMT催化作用下,磷脂酰乙醇胺接受S-腺苷蛋氨酸的甲基转化为磷脂酰胆碱,在这一过程中,S-腺苷蛋氨酸转化为S-腺苷同型半胱氨酸,进一步生成同型半胱氨酸[1-2]。同型半胱氨酸在以钴胺素作为辅助因子的蛋氨酸合成酶作用下,接受5-甲基四氢叶酸的甲基,重新转化为蛋氨酸[1-2]。因此,PEMT的活性受S-腺苷蛋氨酸和S-腺苷同型半胱氨酸比例的影响,同型半胱氨酸浓度降低,PEMT活性提高[40]。基于现有研究,可以得出结论,钴胺素通过参与一碳代谢中DNA、RNA、蛋白质和磷脂的甲基化,实现对肝脏脂质代谢的调控。针对目前生产中存在的高产奶牛脂肪肝、酮病等营养代谢病发病率高的现状,研究钴胺素对牛肝脏脂质代谢的调控及机制具有重要意义。
  5
  小结
  综上,钴胺素在反刍动物瘤胃丙酸产生、肝脏糖异生、叶酸和蛋氨酸代谢中起重要作用。泌乳早期奶牛补充钴胺素,产奶性能和能量平衡改善。因此,随着动物生产性能的提高,反刍动物日粮中需要添加钴胺素。目前,关于反刍动物钴胺素营养研究的报道很少。今后需要考虑开展日粮钴水平和瘤胃钴胺素合成量之间的关系,奶牛钴胺素需要量,钴胺素对瘤胃丙酸产生和菌群调控,钴胺素对肝脏糖异生代谢、脂质代谢和一碳代谢调控等方面的研究。

  作者简介
  Author
  刘强,博士,山西农业大学教授,博士生导师。主要研究方向为反刍动物营养与饲料科学。山西省现代牛产业技术体系首席专家、山西省肉牛产业技术创新战略联盟理事长、山西省农业标准化技术委员会委员、山西省饲料评审委员会委员、山西省学术技术带头人、特色肉牛生产山西省科技创新团队带头人,山西农业大学学术委员会委员。兼任中国林牧渔业经济学会肉牛专业委员会常务理事、中国畜牧兽医学会动物营养学分会理事、中国奶牛协会理事、教育部动物生产类专业教学指导委员会委员。先后主持国家“十一五”科技支撑计划项目子课题、国家自然科学基金、中央引导地方科技发展专项资金、山西省自然科学基金、山西省科技攻关计划、山西省财政支持农业科技成果转化、农业农村部重大协同推广计划、山西省重点研发计划、山西现代农业牛产业技术体系建设等项目。获国家“八五”攻关重大科研成果奖1项,山西科技进步奖一等奖1项,山西科技进步奖二等奖2项,山西自然科学三等奖2项。申请国家发明专利8项。发表论文200多篇,其中SCI收录论文80余篇。编写教材、专著和著作18部。

文章来源:饲料工业     文章编辑:一米优讯     
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