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首页 > 科学研究 > 科研进展氨基酸营养和家禽的免疫功能研究进展

林厦菁[1]  蒋守群*

(1.广东省农业科学院动物科学研究所 畜禽育种国家重点实验室 农业部华南动物营养与饲料重点实验室 广东省动物育种与营养公共实验室 广东省畜禽育种与营养研究重点实验室,广州 510640)

    摘要:氨基酸除参与合成蛋白质外,还具有调控细胞内蛋白质的周转、胚胎及新生动物的生长发育、机体免疫和肠道屏障功能等特殊作用,同时也参与合成机体许多重要生物活性物质,如:多胺、核酸、NO等。近年来,氨基酸在免疫功能方面的调控作用受到越来越多的关注,例如精氨酸能显著促进免疫器官的发育、淋巴细胞增殖,修复伤口、抵抗病菌感染从而提高动物免疫力,健康生长。本文就精氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、谷氨酰胺等主要的功能性氨基酸对家禽免疫功能的影响作一综述,为其在家禽生产应用提供依据。

   关键词:家禽、精氨酸、谷氨酰胺、蛋氨酸、苏氨酸、免疫机能

    营养不良和感染是动物存活、健康生长和繁殖后代的主要威胁。动物生产还面临着蛋白质摄入缺乏问题,而蛋白质营养不良增加了动物对疾病的易感性和高发病率。近年来的研究显示,某些氨基酸在调节代谢和生理过程中具有独特的功能和作用,从而影响着动物的健康和生产,这些研究的发现改变人们对氨基酸在动物营养的理解,不再只是把氨基酸作为合成蛋白质的前体去简单的研究蛋白质和氨基酸的需要量。研究不同氨基酸在机体物质代谢和免疫反应过程中的作用将有利于提高动物的抗病能力和生产能力。本文主要从几种氨基酸与家禽免疫器官的发育、体液、细胞免疫和其他免疫相关代谢的关系来阐明其在免疫调控中的作用。

1  蛋氨酸对家禽免疫功能的影响

    蛋氨酸是禽类第一限制必需氨基酸,它是构成蛋白质的基本单位之一,参与机体内许多重要生理调控过程,并能在家禽体内转换为胱氨酸和半胱氨酸,为机体提供含硫氨基酸[1]。有研究者通过小鼠模型研究淋巴细胞与骨骼肌细胞对于蛋氨酸的利用,发现淋巴细胞不能利用高半胱氨酸和胆碱这些前体物质合成蛋氨酸,而骨骼肌细胞存在这一机制,因而淋巴细胞在转甲基反应后不能重新合成蛋氨酸,导致免疫系统对蛋氨酸的需要量较其他组织高[2]。Swain等[3]报道,肉鸡饲粮中添加3.0 g/kg、6.5 g/kg蛋氨酸,可以分别提高机体体液、细胞免疫应答(P<0.05)。而蛋氨酸不足时,会影响肉鸡机体中T细胞对于免疫应答调控、淋巴器官的生长及抗体的产生[4]。WU等[5]进一步研究发现,肉鸡日粮缺乏蛋氨酸后,造成胸腺损伤,胸腺细胞显著减少(P<0.05),抑制胸腺中成熟T细胞的形成。通过病理学超微结构观察试验发现,T细胞减少是由于胸腺细胞的凋亡显著增加同时伴随着胸腺细胞内的线粒体肿大。CD4+/CD8+的比值是评估机体免疫系统状态的标志指标,而蛋氨酸缺乏时,会显著降低CD4+/CD8+比值(P<0.05),同时由T细胞分泌的IL-2也显著减少(P<0.05)。Tsiagbe[6]研究发现,当蛋氨酸的添加量达到0.6%时,血清中绵羊红细胞抗体效价显著增加(P<0.05)。Hind等[7]还报道,在热应激条件下肉鸡饲粮额外添加0.2%、0.4%的蛋氨酸可以显著提高绵羊红细胞抗体效价(P<0.05),并显著提高了血清中IgG水平(P<0.05)。

    Rubin等和Shini等[8–9]认为蛋氨酸对于免疫系统的作用是通过调控细胞内谷胱甘肽和半胱氨酸水平的变化,从而影响了免疫细胞增殖,增强机体免疫力。谷胱甘肽和半胱氨酸是体内主要的抗氧化剂,能抵抗氧化剂对巯基的破坏,保护细胞膜中含巯基的蛋白质和酶不被氧化,对机体的免疫功能起着重要的保护作用[10]。蛋氨酸影响免疫功能另一个原因,可能与其分子中的甲基是一碳单位有关,蛋氨酸提供的甲基可参与体内多种物质合成。如肾上腺素、胆碱、肌酸。如图1[11]。综合以上研究可见,蛋氨酸在肉鸡免疫功能方面发挥着重要作用。在生产上,蛋氨酸营养不能仅关注生长性能指标,而需要考虑其免疫机能调控作用来确定饲粮蛋氨酸精准添加水平。

图1 一碳单位主要来源及转化代谢途径

Fig.1 The main source of one carbon unit and its transformation-metabolic pathway

    图注(figure note):FH4(四氢叶酸)、N5-甲基四氢叶酸( N5-CH3FH4) 、N5, N10-甲叉四氢叶酸( N5, N10-CH2-FH4) 、N5, N10-甲川四氢叶酸( N5, N10= CH-FH4) 、N5-甲酰四氢叶酸( N5-CHOFH4) 、N10-甲酰四氢叶酸( N10-CHOFH4) 、N5-羟甲基四氢叶酸( N5-CH2OHFH4) 、N5-亚氨甲基四氢叶酸( N5-CH= NHFH4) 、ATP(腺嘌呤核苷三磷酸)、ADP(二磷酸腺苷)、NAD+(辅酶Ⅰ)、NADH(还原型辅酶Ⅰ)、NADP+(辅酶Ⅱ)、NADPH(还原型辅酶Ⅱ)、Pi(磷酸基团)。

 

2  精氨酸对家禽的免疫功能的影响

    精氨酸是二元碱性氨基酸,哺乳动物正常情况下机体可以自身合成精氨酸,但是对于禽类是精氨酸是必需氨基酸,因为家禽缺乏氨甲酰磷酸酶等鸟氨酸途径的关键酶,自身不能够产生精氨酸[12]。精氨酸是巨噬细胞生成一氧化氮的唯一底物,它可以通过一氧化氮合成这条途径对机体进行免疫调控。一氧化氮途径是指精氨酸在NOS作用下生成瓜氨酸和一氧化氮,一氧化氮对免疫系统的调节作用主要有3个方面:1)促进NK的细胞活性,增加外周血液中的单核细胞;2)调节T细胞和巨噬细胞的活性;3)抑制抗体的应答反应与肥大细胞反应能力[13]。Kwak等[14]研究发现,给2周龄肉鸡分别饲喂含有高、低精氨酸饲粮两周,低精氨酸组较高精氨酸组的巨噬细胞对于迟发型过敏反应和巨噬细胞产生一氧化氮能力显著减少(P<0.05)。Lee等[15]已证明,给4周龄鸡感染鸡传染性支气管炎,发现在饲粮中添加高水平精氨酸可以增加异嗜白细胞数量、异嗜白细胞与淋巴细胞的比值、T细胞协助细胞的百分比。Munir等[16]报道,2%精氨酸组肉仔鸡与无添加精氨酸组比较发现可以显著激活淋巴细胞增殖、提高皮肤嗜碱细胞过敏性反应(P<0.05)。在给肉仔鸡接种心包积水综合症病毒之后,2%精氨酸组表现出更高的存活率,并且体重还显著高于无添加组(P<0.05)。Konashi等[17]报道,日粮中缺乏精氨酸会降低肉仔鸡免疫水平,同时也出现了免疫器官减轻现象。而添加2%精氨酸可以显著增加淋巴器官重(P<0.05)。在精氨酸对仔鸡淋巴器官发育影响的试验发现,缺乏精氨酸日粮饲喂的仔鸡胸腺、脾脏和法氏囊的重量较无缺乏组轻,同时体增重也显著降低(P<0.05)[18]。方勇军等[19]在研究精氨酸对0~21日龄樱桃谷肉鸭免疫器官指数影响试验发现,饲粮缺乏精氨酸显著降低肉鸭胸腺、脾脏和法氏囊重量;添加精氨酸使樱桃谷肉鸭的胸腺小叶皮质增厚,胸腺小体增多,脾动脉周围淋巴鞘增厚,脾小结体积变大,法氏囊皱襞发达,并确定饲粮中精氨酸含量为1.12%时免疫器官发育最佳。以上研究表明,精氨酸可以有效地增强细胞免疫反应,缓解和消除疾病造成的免疫器官的萎缩和增加T淋巴细胞等免疫细胞的总数,增强过敏反应,提示精氨酸主要是通过调控T淋巴细胞的活动来影响机体的细胞免疫功能。

    Richard等[20]认为,精氨酸的甲基化对T淋巴细胞激活具有重要的调控作用。PRMT-1是主要甲基转移酶,在T辅助细胞中高表达,诱导多种胞浆蛋白的精氨酸甲基化。一旦转甲基酶的全部抑制,就会导致CD4 T细胞的信号传导缺陷和免疫抑制的发生。精氨酸对于机体炎症的调控作用主要是通过形成鸟氨酸,促进细胞再生、伤口的修复,同时生成多胺,调控巨噬细胞的功能。研究发现,添加精氨酸可以提高鸡在感染细菌性腹膜炎、传染性法氏囊病后的存活率,改善机体的杀菌能力,减少败血症后的细菌迁移率[21-23]。David等[24]发现,给肉鸡在基础日粮中额外添加的0.3%的精氨酸,可以有效的缓解注射疫苗后的应激并且不影响肉鸡的生产性能。说明精氨酸对于家禽体液免疫有影响作用,其可能机制是通过增强功能性蛋白质的合成,如IgG、IgE而实现的。有关精氨酸和动物免疫功能之间的关系已进行了较为广泛的研究,均说明精氨酸对改善机体免疫功能起着关键作用,但是精氨酸调控家禽免疫机能的研究报道甚少,尚需进行深入系统研究。

3  苏氨酸对家禽的免疫功能的影响

    苏氨酸是鸡饲料中的第三限制性氨基酸。苏氨酸可以直接被催化为其他的氨基酸,途径主要有3条:通过醛缩酶代谢为甘氨酸和乙醛;通过苏氨酸脱水酶代谢为丙酸和α-氨基丁酸;通过苏氨酸脱氢酶代谢为氨基丙酸、甘氨酸、乙酰CoA[25]。苏氨酸是禽类免疫球蛋白分子中主要的限制性氨基酸,其含量决定了免疫球蛋白及T、B淋巴细胞的产生。Heshmat等[26]研究不同剂量苏氨酸对罗氏鸡的细胞免疫和体液免疫的影响,结果表明饲喂高于NRC标准0.07%的苏氨酸可以提高鸡IgG、IgM和IgA的滴度,而饲喂高于NRC标准0.14%、0.31%的苏氨酸组则是相反的作用;皮肤嗜碱细胞的过敏反应试验结果显示,饲喂高于NRC标准0.07%的苏氨酸组有提高过敏性的趋势,另两组较NRC标准无显著影响。席鹏彬等[27]在研究饲粮苏氨酸水平对黄羽肉鸡免疫功能影响的试验中发现,添加超过NRC标准的苏氨酸均能不同程度的提高外周血T淋巴细胞转化率、CD4+/CD8+比例(P<0.05)。Elham等[28]研究苏氨酸和赖氨酸的添加量对科布肉鸡传染性法氏囊病的免疫反应的影响,结果显示,添加NRC标准3倍的苏氨酸和赖氨酸组较NRC标准组显著提高新城疫抗体滴度(P<0.05)。以上研究说明苏氨酸的添加量要在一个适宜的范围才可以最大限度的发挥免疫作用,并且机体对苏氨酸添加量的需求和动物品种有关。Mehdi等[29]研究发现,给肉鸡添加0.81%的苏氨酸(超过NRC标准)可以获得最佳的生长性能及免疫功能。说明适当的添加日粮中苏氨酸的含量不但能够增加机体的免疫能力还能够提高家禽的生产力。苏氨酸除了对肉鸡的免疫调控有影响,对产蛋母鸡也同样有作用。Azzam等[30]在研究夏季高温高湿地区苏氨酸对母鸡免疫功能的影响,试验结果发现,在40周龄的巴布科克母鸡的日粮中添加超过NRC标准0.1~0.3%的苏氨酸4周,可以呈线性显著的增加血液中IgG和总Ig的水平(P<0.05),研究者建议在亚热带夏季时,应该提高苏氨酸的添加来提高母鸡的体液免疫反应的能力从而提高生产力。

    苏氨酸是维持肠道粘膜完整和屏障功能的重要营养因素,对于保护肠胃健康具有重要作用,其主要用于肠道粘膜蛋白的合成,当日粮中苏氨酸含量不足时,会降低消化酶的产生和增加黏膜细胞旁的通透性[31]。WANG等[32]在研究苏氨酸对于维持断奶仔猪小肠粘膜屏障的试验发现,添加0.89%的苏氨酸可以维持肠道的正常生理功能同时还能防止新生仔猪肠道疾病的产生。而苏氨酸的缺乏会引起绵羊红细胞抗体效价的降低,同时也会抑制法氏囊的生长,肠道粘蛋白的分泌(P<0.05)[33-34]。苏氨酸对肉鸡胚胎的免疫功能也有影响,Kadam等[35]报道,给卵黄囊注射10、20、30 mg的苏氨酸可以显著性的提高出生后肉仔鸡对绵羊红细胞的体液免疫应答(P<0.05)。

    以上结果均说明,苏氨酸是家禽免疫中必不可少的功能性氨基酸,它对于各个阶段的家禽免疫功能均有着重要的影响作用,但是苏氨酸对于家禽免疫功能调控的机制机理尚未清楚,仍需进一步深入研究。

4  谷氨酰胺对家禽的免疫功能的影响

    谷氨酰胺是一种中性氨基酸,它可以作为动物体免疫功能强弱的一个有效指标[36]。谷氨酰胺同样也是维持肠道免疫系统正常功能的重要能量和原料[37],是淋巴细胞和巨噬细胞的重要代谢能量来源,是核酸生物合成的前体和主要能源,它可以增加巨噬细胞和淋巴细胞的分化,促使免疫细胞因子、IL-1等的产生[38]。Bartell等[39]报道,给1日龄科布公鸡饲喂添加0%、1%的谷氨酰胺的日粮21天之后,发现1%组可以显著增加肠道的相对重量和肠绒毛的高度,同时也提高了胆汁、肠道及血清中IgA与IgG的浓度(P<0.05)。Soltan等[40]在对谷氨酰胺对肉仔鸡小肠形态发育、免疫功能影响的研究中,发现在日粮中添加1%的谷氨酰胺可以刺激胃肠道的发育和增强机体的免疫应答(P<0.05),添加0.5%谷氨酰胺对仔鸡无显著影响(P>0.05),而添加1.5%、2.0%谷氨酰胺对仔鸡反而产生了负面影响(P<0.05)。给1日龄艾维茵肉仔鸡饲喂含有不同剂量的谷氨酰胺日粮,结果发现谷氨酰胺可以显著提高14日龄显著提高肉仔鸡外周血淋巴细胞的转化率及T淋巴细胞数量(P<0.05),并增强肉仔鸡对新城疫疫苗的免疫应答和血清IgG水平(P<0.05)。其中14日龄添加0.4%的谷氨酰胺效果最好,28日龄添加0.1%的谷氨酰胺效果最好[41]。张敏[42]等在对谷氨酰胺对1-3周龄艾维茵肉仔鸡免疫功能影响的试验中发现,谷氨酰胺可以显著提高1周龄肉仔鸡C3和IgG水平(P<0.05)和血清中IgA、IgM和胸腺、法氏囊中IL-2、IL-6的水平(P<0.05)。

   胸腺、法氏囊、脾脏均是家禽重要的免疫器官,其大小可作为判断禽类免疫状态的指标[43]。Sakamoto等[44]证实,在饲粮中添加1%谷氨酰胺,可以增加肉鸡脾脏和胸腺的重量(P<0.05)。有研究发现给粤黄鸡饲喂1 000 ug/L甘酰胺谷氨酰胺溶液显著提高鸡群的脾脏指数(P<0.05)[45]。李升和等[46]研究谷氨酰胺对肉仔鸡中枢淋巴器官胚后发育的影响结果发现,添加0.8%谷氨酰胺能够显著增加肉仔鸡法氏囊和胸腺的重量(P<0.05),日粮中添加谷氨酰胺还可以延缓法氏囊的退化,促进T、B淋巴细胞的增殖与分化(P<0.05),进而提高机体的免疫功能。吴蓉蓉[47]等也证实了,给1日龄的AA肉鸡饲喂不同剂量的谷氨酰胺,发现谷氨酰胺可以加快胸腺和脾脏的发育,在延缓法氏囊退化有积极的作用效果,其中以0.2%的添加剂量最好。

   谷氨酰胺也能够缓解氧化、高温应激对肉鸡造成的伤害。杨小军等[48]通过建立体外脂多糖和双氧水应激模型,来研究谷氨酰胺对淋巴细胞增殖活性和抗氧化的调控作用,结果显示,添加 100 ug/ml谷氨酰胺组肉仔鸡肠道淋巴细胞中免疫球蛋白A含量显著高于无添加及其他剂量组(P<0.05)。添加50和100 ug/ml时,显著提高了肉仔鸡肠道淋巴细胞中过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的活性(P<0.05),当添加200 ug/ml时,过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的活性呈下降趋势(P<0.05)。这一结果与Soltan报道的结果相符,过量的谷氨酰胺对于机体产生毒害作用。黄冠庆[49]等研究发现,在高温条件下,给42日龄岭南黄羽肉鸡饲喂添加不同剂量的谷氨酰胺日粮,结果显示,0.2%的谷氨酰胺可以显著降低56日龄岭南黄羽肉鸡的血清尿素氮含量(P<0.05),0.5%的谷氨酰胺可以提高血清总蛋白的含量(P<0.05)。上述研究报道说明了谷氨酰胺能够有效提高机体的免疫能力,为了证实谷氨酰胺对实际生产中的作用,李天强等[50]在对谷氨酰胺替代饲用抗生素对黄羽肉鸡生产性能和屠宰性能影响的研究发现,在1日龄的黄羽肉鸡饲粮中添加0.2%的谷氨酰胺饲喂81天,发现与添加抗生素组的饲粮转化率胴体品质均无显著差异(P>0.05)。李虎等[51]研究也同样证实,在基础日粮添加谷氨酰胺替代抗生素,可以提高45日龄黄羽肉鸡的细胞免疫水平,改善小肠粘膜免疫机能。日粮中添加抗生素替代品的研制是目前畜禽营养和饲料研究的热点,以上研究表明谷氨酰胺有替代日粮中抗生素的可能,为环保型饲料的生产提供了依据。

5  其他氨基酸对家禽的免疫功能的影响

    此外,还有许多其他功能性氨基酸对家禽的免疫功能也有着影响作用。赖氨酸在玉米豆粕型饲料中是鸡的第二限制性氨基酸,周联高等[52]研究发现,给1和22日龄的AA肉鸡分别饲喂高赖氨酸水稻21天,试验前期(1~21日龄)40%高赖氨酸水稻替代组的胸腺指数比对照组显著提高,也能够显著提高法氏囊的发育(P<0.05),而后期(22~43日龄)无作用(P>0.05)。表明高赖氨酸转基因水稻替代玉米可刺激机体免疫系统细胞生长,促进免疫器官的发育。

   色氨酸在动物机体中除了参与蛋白合成外,还参与机体免疫功能的调控。色氨酸分解代谢产物在动物免疫过程中也具有重要影响作用,例如5-羟色胺可以直接作用免疫细胞,通过T、B细胞上的受体调节免疫功能[53-54];褪黑色素可以促进抗体的产生,提高抗体对抗原的敏感性等[55]。魏宗友等[56]研究饲粮色氨酸水平对21~63日龄扬州鹅免疫功能及抗氧化指标的影响,结果显示高色氨酸组(0.3%)较于低色氨酸组(0.14%)脾脏指标、血清中的IgG含量、超氧化物歧化酶活性和总抗氧能力显著增加(P<0.05)。Emadi等[57]研究发现,给注射肉仔鸡传染性法氏囊病毒,添加色氨酸组可以改善淋巴小结萎缩、巨噬细胞和浆细胞浸润,淋巴细胞异常等状况(P<0.05)。Dong等[58]研究显示,在高温高湿的条件下,给40周龄产蛋鸡的饲粮中添加2.1 g/kg的色氨酸,可以显著提高血清中白蛋白含量、IgM浓度以及超氧化物歧化酶的活性。

    支链氨基酸包括缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸,它们可以通过影响免疫球蛋白的形成或活性来参与免疫反应。Edmonds等[59]研究发现,添加缬氨酸可以使干扰了新城疫病毒的雏鸡血凝集素的滴度升高。缺乏缬氨酸时又会抑制雏鸡对新城疫病毒的抗体反应。

6  小结

    综上所述,许多种氨基酸对于机体免疫反应过程中关键代谢途径的调节是必需的,并且通过蛋白质合成和细胞信号机制在抵抗应激和疾病的免疫方面发挥中极其重要的作用。虽然目前对功能性氨基酸在免疫反应中的作用已经取得较大进展,但是,对于功能性氨基酸在具体应用条件、最佳剂量和作用机制还是存在着不足,对于其与其他营养素之间的免疫关系尚需进一步研究探讨。在生产实践中,研究者需要根据家禽免疫系统的特征,深入系统研究各品种各阶段家禽功能性氨基酸的需要量,从而有效提高动物的免疫力和抗应激能力,发挥家禽的最佳生产力,最终让功能性氨基酸成为改善动物免疫力,预防疾病的平价、高效环保物质。

7  致谢

感谢美国康奈尔大学Bruce W. Currie教授对本文英文摘要撰写提供的帮助。

 

参考文献:(略)