肉食性魚類也能改吃素？麥院士通過對飼料蛋白高效利用調控機制研究發現了這種可能

■ 《當代水產》楊帆 陳莉莉 文/圖 [ 微信公眾號：tsfish ]

肉食性魚類也能改吃素？麥院士通過對飼料蛋白高效利用調控機制研究發現了這種可能

■ 《當代水產》楊帆 陳莉莉 文/圖 [ 微信公眾號：tsfish ]

我們共同探討水產動物營養焦點和熱點問題，為推動水產養殖動物發展做出努力。隨著全球水產養殖不斷發展，水產養殖從增量型轉行為質量型、安全型。然而，集約型水產養殖的問題日益突出，比如說環境污染、超高密度養殖、蛋白源缺乏及使用不當等也不可避免地影響到了水產動物的健康、消化吸收的健康。使它更容易感染疾病，導致水產養殖病害頻發，我們作為水產行業研究人員和企業，應該擔負起為推動水產行業健康發展不斷研究的使命和責任。

今天，我看到行業里的許多老朋友新朋友聚在一起交流學習，我感到非常開心，說明我們水產行業的發展越來越快，越來越健康。

今天，利用這個機會跟大家交流一下我們國家的93課題“魚類蛋白質高效利用的調控機制”的一些研究結果。我們知道在過去養殖活動中，用價值低的魚直接去喂價值較高的魚，由于營養研究的發展，我們把這些價值低的魚做成魚粉，然后做成顆粒飼料去投喂，這反映了食物鏈的規律，大魚吃小魚，小魚吃小蝦。這就決定了水產動物營養高度依賴于海洋資源，依賴于魚粉、魚油的特性。

現在到底有多少海洋漁業資源用于水產養殖？目前為止，全世界的海洋漁業捕撈總量大概是9,000萬t，其中20%用于制作魚粉，6.2%是來自水產品加工的副產品制作魚粉，每年制作魚粉需要消耗量是2,400萬t，占全球漁業捕撈總量的26.2%，其中還有6%主要是包括中國、日本尤其是亞洲國家直接用鮮雜魚喂養的量大概有500萬t。所以，每年9,000萬t里有1/3用于制作魚粉或者直接養魚的。在每年600萬t魚粉中，其中68%用于制作水產飼料，在中國的比例會低一些，因為中國基本上是以鯉科魚類為主，雜食性魚類為主，所以中國用于水產養殖的魚粉大概占55%。

水產養殖在快速的發展，從數據上顯示，我們用2,900萬t的魚卻養出了7,000萬t的水產品，投入產出比非常可觀。而在中國這個數據更好，用的成本更低，投入產出比大概是1∶3到1∶4之間，即投入1t的小雜魚能產出3～4t的魚。中國在世界漁業捕撈量來看，1990～2020年間中國捕魚業產量基本在8,000萬～9,000萬t之間，不會超過9,000萬t。

由于厄爾尼諾現象影響，經常造成產量的波動，預期未來還會有所下降。在這8,000萬～9,000萬t的魚里，雖然每年用于制作魚粉的比例最高達到30%，但是隨著全球人口的增加，對食物的需求種類越來越多，用于做魚粉的魚比例是穩步下降的?，F在降到20%左右用于做魚粉。

隨著人口的不斷增加，用于做魚粉的魚的比例會越來越低，但是隨著水產養殖的不斷增加，對魚粉的需求會越來越多。數據顯示從1980～2013年，全球水產養殖產量的變化，尤其是90年代以后，發展速度越來越快，如果根據水產養殖的特性，發展趨勢嚴重依賴魚粉，對魚粉的需求將會越來越高，那么與之前提過的魚用于做魚粉的比例越來越低的現狀形成一種特殊矛盾。水產養殖要發展，世界人口要增加，要用更多的魚粉。而漁業資源供給我們的魚粉會越來越少，這對矛盾非常特殊，解決的唯一正確策略就是在水產飼料里面取代魚粉，取代魚油這些海洋性資源。

這個方向必然會這樣走，但是這樣走必然會帶來一系列問題。因為我們養的魚長期以來都是攝食魚粉的，突然要用豆粕、棉粕、菜粕、DDGS來取代魚粉。魚在進化過程中從沒有食用過這些，必然存在一系列問題，比如適口性差，代謝混亂，消化吸收率低，營養不平衡，缺乏營養健康因子，原來魚粉當中缺乏的活性物質等，會嚴重影響到魚類生長和消化道的健康。

所以，飼料真正能夠取代魚粉必須有系統的解決辦法，簡單來說，必須解決攝食、消化道健康、如何提高蛋白質吸收和合成代謝問題以及蛋白質合成代謝相關的能量代謝等一系列問題。通過這些途徑來解決替代蛋白源的問題，適口性、消化道健康、增加蛋白質的吸收和合成代謝。首先，我們必須了解其調控機制，如何能提高，它在代謝過程中的一些信號調控的規律才能找出方法，這些是我們課題中的任務，下面我來介紹一下我們研究取得的一些成果。

中國養殖種類很多，按食性分，可以分為肉食性魚類、雜食性魚類和草食性魚類。我們要用非魚粉蛋白源來替代魚粉，是如何影響魚類攝食的？我們必須回答一個問題，即不同食性的魚類是由什么決定對食物的選擇？

中國草魚養殖產量在世界最大，每年超過500萬t，尤其在珠三角地區養殖產量和消費量都居首位。草魚在生長過程中的食性是變化的，身長3cm之前是肉食性的，以浮游動物為食；長到6cm的時候，它既吃浮游動物又吃浮游植物，甚至一些大型植物（浮萍等）；長到9cm之后，完全吃高等植物，吃草。可見，在一條魚的生長史中食性是變化的，從肉食性逐步過渡到草食性。

而食性為什么會發生變化？變化的原因是什么？由什么調控著它的食性發生變化的？

舉個例子，中國國寶熊貓在分類學上是食肉目動物、熊科，在熊貓的兄弟姐妹中沒有一個吃素的，唯獨熊貓變得完全吃素，對肉不感興趣。在大自然環境當中，熊貓是吃竹子的，不吃肉，一個食肉目的動物不吃肉，是上帝開的玩笑？熊科動物熊貓屬于食肉動物，卻完全吃素是哪里出了差錯？

我們對食物的選擇很容易想到味覺受體。通過研究發現，熊貓味覺中的其中一種感知鮮味受體T1R1（即動物感覺食物味道是否鮮美的受體）發生了突變，使得熊貓感覺不到肉的美味。這是在著名的《Nature》（LiRetal.Nature，2010）上面發布的一篇相關文章，讓我們聯想到，魚類也很有可能是由于它的味覺受體的基因不同導致食性的不同。

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我們用3種不同食性的魚類做實驗，分別是草食性的草魚、雜食性的斑馬魚和肉食性的鱖魚，比較它們味覺受體基因的不同之處。實驗證明，素食動物的甜味基因受體T1R3進行對比，從數量和長度上高度保守，即不同動物之間差異不大。但是，拿它們的鮮味基因T1R1進行對比，發現肉食性鱖魚相對于草魚和斑馬魚缺失了6個內含子，而且內含子序列在雜食性和草食性魚里跟鱖魚比也比較短。由此得出，3種不同食性的魚類味覺基因受體序列有顯著差異。

而草魚一生的食性是變化的，按照實驗結果推理，它的味覺基因受體的表達應該也是變化的。研究證明，草魚的鮮味基因在身長3cm之前是高度表達，而在身長9cm之后其表達量急劇下降。它的甜味基因T1R3雖然有下降，但下降幅度很小。所以草魚的食性發生變化是由于基因表達的變化。

我們進一步研究發現，草魚的另一個甜味基因T1R2在基因組里與斑馬魚對比是加倍的，出現片段的重復，即在草魚里跟甜味相關的基因表達會更加強。

從這一研究結果我們有了一個思路，如何提高魚類對非魚粉飼料的采食量？——即改良飼料的適口性的一些飼料。

我們要在飼料里添加一些能夠刺激鮮味受體的物質，在水產飼料里面運用很廣泛，即誘食劑。誘食劑的本質就是添加一些能引起食欲、對鮮味感知受體的接受物質。另一方面，要知道產生降低攝食量、適口性的物質，我們現在都知道，基本上來自于植物的中間代謝產物，即營養拮抗因子。一般我們會采取對原料進行加工，通過生物發酵的方法來減少這些導致攝食量下降的物質。

現在研究結果為我們提供了一種創新型思路，營養學家把原因找出來了，就交給育種專家，能不能讓肉食性魚類把鮮味基因受體敲掉，讓石斑魚、鱖魚以后都改成吃草，對肉不感興趣，像熊貓一樣。從科學來講，是完全有可能的，這個任務要交給育種專家，培育出原本食肉將來改為吃草的新品種。

現在虹鱒選育方面已經發現有些品系可以遺傳對植物原料的接收和不依賴魚粉的品系，現在選育得非常成功。但卻是從傳統思路選育，我們提出是否可以通過基因工程的敲除辦法來抑制相關基因受體的表達，就可以達到目的。

下一個問題，消化道健康。如果不用魚粉必將導致一系列問題，例如魚腸炎、拉稀，然后導致免疫力、抗病力下降，生長受阻。我們在給魚類投喂不同原料以后，腸消化道組織發生明顯變化，比如用魚粉飼料喂養的魚消化道上皮、絨毛非常健康，而用植物蛋白飼料喂養就會產生大量的空泡，粘膜固有層發生組織學變化。

大豆是如何影響消化道健康的？這個問題非常復雜，植物蛋白里存在了數量眾多營養拮抗因子，在一個營養拮抗因子里存在許多亞單位，到底如何作用是一個非常復雜的問題，需要長時間、大量的人力物力投入。

研究表明，大豆里球蛋白亞單位7S和11S，通過氧化作用，即通過對消化道上皮的脂肪、蛋白質進行嚴重地氧化，導致消化道健康受影響。比如說，我們研究魚類里的7S或11S會導致一系列跟氧化有關的這些因子的變化。我們說，主要是通過脂質過氧化和蛋白質氧化來破壞魚腸結構的完整性，導致腸炎和消化吸收能力下降，降低生長性能。

我們在大塘里養殖很難觀測到魚體的消化道破壞之后產生腸炎的問題，而工廠化養殖就會比較容易看，比如北方的大菱鲆養殖，水淺而清。如果飼料好，魚糞便很成型。通過排污系統，糞便都能被帶走，水很干凈。發生腸炎之后，整個一池魚都拉稀，水沒法處理，變得渾濁，并且對過濾系統造成過大負荷無法恢復。腸炎是在給魚投喂非傳統原料來代替魚粉之后經常會遇到的問題。

草魚本來是吃草的魚，它吃草沒有問題，但是假如我們現在在珠江三角洲都用人工飼料去養草魚。我們用一些非傳統原料，不是草類原料，比如說在草魚料里面加豆粕，也會產生腸炎。但是我們發現，草魚這些草食性魚類對付這些營養拮抗因子還是有一手的。也就是說，它的消化道對由營養拮抗物質導致的腸炎，它的自愈能力很強。

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實驗證明，在含有豆粕的飼料里面，草魚基本通過兩個星期內能夠適應豆粕這種原料，能夠產生自愈的過程。我們跟蹤它的抗炎因子、促炎因子和子包因子之間的表達，可以把這14d分成潛伏期、發病期和顯著期3個過程。一開始抗炎因子和促炎因子處于勢均力敵的階段，之后抗炎因子慢慢占據優勢逐步恢復?？梢?，很多魚類自身可能存在一種機制，可以對原料適應和發炎自愈的過程。但是，養殖魚的種類太多，食性非常復雜，對非魚粉蛋白源的添加量和營養拮抗因子的水平以及炎癥自愈的可能性，都有很多問題需要進一步研究。

另一方面，動物的消化道里還有另一群大量微生物，即細菌內生態，而生態環境的穩定會影響消化道里微生物的穩定，當我們以不同的原料做飼料的時候是否會影響魚類消化道里的微生物組成？消化道里的微生物組成既可能存在負面的病原微生物，更有可能是長期進化形成的與之共生的有益微生物。這種微生物組成的變化對消化道健康的影響是否存在？

我們拿大菱鲆、虹鱒做實驗，用豆粕取代魚粉，研究它的消化道里微生物組成情況。試驗證明，在這兩條魚里，如果用豆粕取代魚粉，將會增加一些病原菌的比例，尤其是那些引起腸炎的病原菌的比例。所以，用豆粕取代魚粉的時候，會增加產生腸炎的可能性。但是我們同時也可以看到，有一些益生菌的數量也會增加。這種現象在海水魚和淡水魚中都存在。

益生菌對宿主的代謝、營養物質的吸收、代謝有正面影響。更重要的是，它可能對動物腸道免疫也有正面影響。最有可能這種有益的微生物來自魚消化道本身，說明它在魚類消化道內定植生長。我們從草魚消化道里分離了一系列菌株，發現其中一種我們叫作GC-21，它有很高的與腸道粘膜的結合能力、定植能力，它還能夠誘導草魚產生抗炎因子的作用。我們發現這個GC-21不同的細胞期都有比較良好的表現，這個微生物株很容易在草魚的消化道里定植，從另一個角度來看，它對抗炎因子也能夠產生比較豐富的量。說明它可能是將來我們作為益生素的良好候選微生物，也可以作為疫苗活體及其他治療物質的載體。

第四個問題看，魚粉里含有生物活性物質，如果用植物蛋白替代魚粉之后，這些活性物質就不存在了。以前在魚粉充足的時候，這些物質也許你沒有感覺到它有多重要，因為從營養學來看它并不是必需的物質，但是當用植物原料時，它們就變得必不可少，比如?；撬?、羥脯胺酸，這些氨基酸不是必需氨基酸。原來用魚粉作為原料時，魚體又能自行合成，還是滿足需要的，但是當沒有魚粉的時候，植物蛋白里的含量很低或者根本沒有，魚自身合成的量無法滿足需要。所以人們發現，以植物蛋白為主的飼料里，如果不添加?；撬峋蜁鸶闻K發綠，魚生長就會不好。

我們研究在魚體里什么跟?；撬岬暮铣捎嘘P？不同種類的魚合成能力是否有差異？研究發現，淡水魚虹鱒和海水魚牙鲆都是肉食性魚類，但是淡水魚虹鱒的合成能力比海水魚牙鲆強，但是二者的合成能力都不能滿足自身需要。我們找出了牛磺酸合成的關鍵點，也首次在細胞酶的結構里發現之所以合成能力不強的原因，就是基因表達出了問題，例如羥脯胺酸與膠原蛋白、結締組織的合成有關系，如果結締組織好，從魚的體質來看，它的食用價值即咀嚼性、組織結構也許更受人們的歡迎。如果在植物性原料的飼料里添加羥脯胺酸，不但可以改善魚的生長，還可以改善它組織里的羥脯胺酸含量，更重要的是改善了肌肉的結構，讓其與質量相關的各項指標都有改善。

還有一個更大的問題，大家都知道用植物蛋白為原料喂養的魚不如用魚粉喂養的魚長得好，說明蛋白合成的效率下降。那蛋白質合成過程是怎么回事？是什么在影響？我們可以把蛋白質合成比喻成建房子，氨基酸就是建筑材料，建筑材料充足了，效率才會高。從營養學來看，氨基酸充足了、平衡了，合成的量就大。工地上會有包工頭知道鋼筋水泥是否齊全，是否開工。而在蛋白質合成中誰在觀察、誰在感知這些氨基酸的量是否平衡呢？這就是“營養感知”的問題。

營養感知如何對蛋白質合成產生影響？通過消化，蛋白質會進入氨基酸庫，而氨基酸庫感知相應部分內分泌系統以及相關的一些活性物質，就會產生信號的傳導，會調節相關基因的表達，來指導氨基酸的合成。就如工頭下命令開不開工，合不合成，整個過程有哪些將領在調節是一個道理。

對魚類的營養它是怎么運作的呢？我們有兩個極端做法，一是營養平衡，喂魚，二是不喂它，于是產生了固有氨基酸的量和比例發生變化。人們發現如果用魚粉做飼料會產生氨基酸過高的風險，但是用植物蛋白做飼料的話氨基酸濃度會比魚粉低得多。我們用陸生動物的思維，你不夠我就添加晶體氨基酸進去看行不行，但我們發現就算是添加了晶體氨基酸，它的氨基酸峰值也達不到魚粉的水平，這是關鍵點。

如果蛋白質合成需要一個氨基酸峰值，則有些原料達得到這個域值，有些原料達不到。為什么添加氨基酸還達不到呢？因為吸收不同步，晶體氨基酸很快就都吸收了，而別的蛋白質需要消化才能吸收，存在時差，兩個峰值的濃度無法疊加，所以達不到這個域值。雖然飼喂的氨基酸濃度高的時候會推動合成代謝，但不喂時，氨基酸濃度不夠的時候卻會促進分解代謝。所以，試用以后氨基酸水平可以理解成波浪，如果波浪沒達到峰值的話就無法啟動蛋白質的合成代謝。這樣表述的話也許會形象一些。

如果這樣推理，那么我們尋找分子生物學的證據是否也是這樣的，尋找之后發現確實是這樣的。魚粉蛋白源的氨基酸的平均峰值、非魚粉蛋白質氨基酸峰值，當它峰值足夠的時候，跟初信號通路系統是密切相關的，并且跟它相關的初信號不同關鍵環節因子的基因表達都能體現出顯著提高；當氨基酸濃度不夠的時候，會導致氨基酸應激通路的表達，跟它相關的因子表達都會提高，就會導致分解代謝。而初始信號是通路信號的表達，它的提高會導致蛋白質合成代謝。所以我們提供了分子生物學的證據。

剛才我們經常提到一些營養拮抗因子，我們也找到了營養拮抗因子、氨基酸平衡。我們都知道必需氨基酸在水產動物必須有10種，10種之間不但要有而且要保持平衡，我們也找到平衡與否和蛋白質合成、初信號系統或者應激通路系統有關系，平衡與否有關系。營養拮抗物質的存在作用也存在，比如敏氨酚、磷激素是如何作用的，那么敏氨酚主要作用于應激通路系統，而磷激素不是作用蛋白質合成通路，它是作用于內分泌調節系統。所以不同營養拮抗物質，它的作用機理是不一樣的。

如果代謝系統對營養物質的感知能力會導致合成能力的不同，那我們是否可以干預感知能力，讓它對營養物質更敏感？就是讓包工頭感知到我們的原料可以開工了。過去人類健美時運用一種物質可以促進肌肉合成顯得更健美，這種物質就是HMB——三肌酸鹽，輔加三肌酸鹽的健美效果會更好。如果運用到魚類有沒有這種效果呢？我們發現，如果把HMB添加到飼料里能夠讓魚類生長顯著增加，從3.23提高到3.42，肌肉硬度從368提高到461，咀嚼性從127提高到166，彈性從0.8提高到1.13，即HMB可以增加蛋白質的合成，在哺乳類動物里讓舊細胞增大，但是在魚類里根源不同，是促進舊細胞分裂。

除了營養以外，在生物代謝過程中一個很重要的途徑就是內分泌調控。那魚類里的哪些內分泌調控因子跟生長有關系？研究發現，在12個研究的內分泌因子里找出3w跟個體生長有關的有SOCS、MSTN、POMC。我們研究，這和魚有關系嗎？在哺乳類動物里面，在小鼠里如果敲除了SOCS2，它就會健康地生長，比正常的老鼠個頭要大。在魚里面有這種情況嗎？我們非常有意思地發現，在魚里面敲除的不是SOCS2，而是SOCS1，這條魚的純合子不大但是它的雜合子會比正常的要大，比純合子都大，這條魚也會長大。但敲除的因子與哺乳類動物有所不同，產生的原因是消耗了腹部的脂肪，有更多的脂肪被消耗作為能量，更多的蛋白質作為蛋白質合成。實驗證明，敲除SOCS之后是有利于組織脂肪的運轉跟利用，并刺激IGF-1的激活、糖的異生和脂肪氧化分解功能，促進了蛋白質的合成。

另一個是關于維生素D的研究，過去我們都知道，維生素D跟鈣、磷吸收有關，跟生物礦化有關。我們發現，如果敲掉了維生素D纖聚化的因子，會導致對維生素依賴的魚佝僂癥，即魚的骨骼發育不完整、不正常，有些人會以為是影響鈣、磷的吸收了，其實不是。魚類在敲除維生素D之后血鈣、血磷并未發生變化，而是導致了典型的生長激素的抵抗綜合癥，敲掉了以后，生長激素合成是大幅度增加的，卻減少了肝臟的ST5的蛋白質的磷酸化，導致了脂肪代謝異常，讓這個基因缺失的腹部脂肪大幅度增長。

我們還發現一個問題，維生素D缺乏的時候，原本以為敲掉它就會導致脂肪分解，而維生素D缺乏卻是增強了SOCS的表達，開關更強了，抑制了脂肪的分解代謝，讓脂肪積累在腹部和肝臟當中無法分解耗能使用，所以蛋白質要作為能量來使用。飼料廠也許會為了降低成本而減少飼料當中的魚粉、魚油、維生素和礦物質等含量，而維生素D主要是來自魚粉、魚油等動物性原料，植物性原料是基本沒有的。當飼料中沒有蛋白、沒有魚油的時候，又不添加維生素，就會加重這一過程，導致魚出現脂肪肝、大肚子、魚體又短又胖等問題，都是由于飼料配方不合理。除了魚粉、魚油還應該額外地添加維生素D3。

水產動物與陸生動物不同，水產動物對糖的利用能力比陸生動物差得多，比如魚類里主要作為能耗的ATP是來自于蛋白質，卻很少來自糖和脂肪，而高等動物是以脂肪和糖為主的。如果要提高魚類蛋白分解的利用率，就需要提高蛋白質合成，減少來自蛋白質的能量，增加來自脂肪和糖的能量。

首先，我們需要理清魚類脂肪代謝的關鍵控制點在哪里，才能知道如何提高脂肪的利用能力。在陸生高等動物里脂肪代謝的途徑是比較清楚的，而魚類代謝功能途徑的關鍵控制點我們還不是很清楚，所以我們需要明確魚類代謝的關鍵點。如果我們用高脂飼料喂魚，會產生什么問題？飼料里的脂肪進入魚體之后并沒有用于供能，而主要沉積于脂肪組織，此過程主要由PPARγ介導的脂肪細胞不斷增殖脂肪細胞來完成，并伴隨著肝臟和肌肉中PPARα表達量的下降。高脂進來，一個表達增加，一個表達下降，增加的是脂肪細胞的增值，下降的是影響了脂肪的分解代謝。所以，我們就明確了PPAR家族是潛在脂肪功能代謝的調配料。我們因此找到了這種關系，PPARα是促進魚的脂肪分解，PPARγ是促進魚體脂肪沉淀。我們明確了這種關系以后，就找出相應的分子生物學機理和組織學的證據。所以問題就是，我們如何來調控PPARγ、PPARα的表達就可以達到控制脂肪代謝功能的目的。

我們在研究脂肪代謝的時候最困惑的問題就是，要測量魚的脂肪必須把魚殺了，搗碎，然后抽汲，如果要研究脂肪的變化就比較困難。我們有個想法，如何能測量活著的魚的脂肪含量及變化？我們知道人類在做健康檢查的時候需要用到核磁共振來判斷是否有脂肪肝以及脂肪含量的多少，我們就想利用核磁共振成像技術對活體魚類進行脂肪組織檢測和可視化研究，對不同魚類的脂肪分布以及立體空間的占有都可以進行定量計算，魚體做完麻醉，測量以后還能繼續存活。我們還可以把魚類脂肪分布的3個圖像進行研究，例如草魚和羅非魚的脂肪分布都是在腹部腸系膜，大菱鲆的脂肪分布在鰭條的基部而不在腹部，所以大菱鲆的鰭條特別好吃，全是脂肪。但是我們做營養學研究，拿一條魚做核磁共振成本很高，所以希望做儀器研究的人員能制作一臺魚的核磁共振機，也能達到這個目的。最后謝謝支持我們研究工作的單位！

麥康森教授：愛爾蘭國立大學博士，中國工程院院士，國家杰出青年基金獲得者，曾任中國海洋大學水產學院院長，中國海洋大學副校長，教育部長江學者獎勵計劃特聘教授，國際鮑魚學會理事和國際魚類營養協會委員會委員。