陳曉丹, 冼健安, 茍妮娜, 王安利

(華南師范大學 生命科學學院, 廣東省水產(chǎn)健康安全養(yǎng)殖重點實驗室, 廣東省高等學校生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室, 廣東 廣州 510631)

錳對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物生長、免疫與抗應激的影響

Effects of Manganese on growth, immunity and anti-stress of aquatic animals

陳曉丹, 冼健安, 茍妮娜, 王安利

(華南師范大學 生命科學學院, 廣東省水產(chǎn)健康安全養(yǎng)殖重點實驗室, 廣東省高等學校生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室, 廣東 廣州 510631)

隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)集約化和規(guī)?；陌l(fā)展,高密度養(yǎng)殖中投喂頻率增加, 投飼量增大, 消毒劑和藥物濫用等帶來了養(yǎng)殖環(huán)境的不斷惡化, 致使養(yǎng)殖水產(chǎn)養(yǎng)殖動物應激因素增多, 病害滋生, 嚴重阻礙水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[1,2]。因而尋求節(jié)約減排、安全高效、抗逆抗病抗應激的無公害健康養(yǎng)殖模式[3]已成為研究熱點。

錳(manganese, Mn)是多種酶的必需組分和激活劑, 對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物維持生命活動和生長發(fā)育有重要作用[4]。近年來一些研究證實, 錳還在提高免疫力、抗應激能力方面有特殊的作用。本文結合國內(nèi)外研究成果, 對錳在水產(chǎn)養(yǎng)殖動物生長、免疫和抗應激能力的作用及相關機制進行闡述, 以期為促進錳生物學功能的深入研究, 將其納入無公害健康養(yǎng)殖模式提供參考。

1 錳對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物生長的影響

1.1 錳對物質代謝的影響

錳是精氨酸酶、脯氨酸肽酶、丙酮酸羧化酶、核糖核酸聚合酶等的組成成分, 也是體內(nèi)多種酶的激活劑, 可激活特定酶(如糖基轉移酶等)或非特定酶(如激酶、水解酶、脫羧酶等)[5～7]。錳通過這些酶參與蛋白質、糖類、脂肪、核酸的代謝及維生素B、C、E的合成, 如 1分子丙酮酸羧化酶在 4個 Mn2+參與組成下, 可催化丙酮酸生成草酰乙酸, 打通丙酮酸異生為葡萄糖的道路[8]; 又如法尼酰轉移酶以錳作為激活劑, 催化 牛兒焦磷酸與異戊烯焦磷酸合成法尼焦磷酸, 進而合成膽固醇[8,9]。

錳對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的消化酶活性具有一定作用。在5×10-3mol/L濃度下, Mn2+可明顯激活大菱鲆(Scophthalmus maximus)的腸蛋白酶[10]、三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)的蛋白酶、淀粉酶和纖維素酶, 并明顯抑制三疣梭子蟹的羧肽酶 A、B, 而對日本對蝦(Marsupenaeus japonicus)和三疣梭子蟹的胰蛋白酶活性則無顯著性影響[10～12]; 在 1×10-3mol/L濃度下, Mn2+可明顯激活三疣梭子蟹的淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶, 并明顯抑制其羧肽酶A、B和斑節(jié)對蝦(Penaeus monodon)的胰凝乳蛋白酶[12,13]; 在5×10-4mol/L濃度下, Mn2+可明顯激活三疣梭子蟹的淀粉酶、纖維素酶和羧肽酶 A,同時明顯抑制羧肽酶 B的活性[12]。關于中國對蝦(Penaeus chinensis)的實驗也發(fā)現(xiàn), 羧肽酶A的活性隨飼料錳增加而上升, 在錳添加量為80 mg/kg時達最高值, 在高于80 mg/kg時則下降[14]。可見消化酶對錳含量具有一個適宜的濃度范圍; 對于不同生物種類體內(nèi)的同一種消化酶或同一生物體內(nèi)的不同消化酶, Mn2+的作用效果并不完全一致, 且不同濃度Mn2+表現(xiàn)效果不同。

消化酶的活性與營養(yǎng)物質消化利用率、機體的生長發(fā)育相關, 但目前錳對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物生長的研究多停留在飼料系數(shù)、增重率、體長增長率、肥胖度等宏觀層面, 由于水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的特殊性及殘餌難以準確測定, 因而很難得出可靠的飼料系數(shù)。若將宏觀指標和微觀指標如一些消化酶的活性有機結合,可更全面、準確地反映水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的生理狀況。

1.2 錳對骨骼形成的影響

錳是骨正常形成所必需的元素。它可激活多糖聚合酶和半乳糖轉移酶, 催化二磷酸尿苷-N-乙酰-半乳糖胺與二磷酸尿核苷-葡萄糖醛酸結合成多糖,對骨骼基質的硫酸軟骨素的形成起重要作用。硫酸軟骨素是骨有機基質黏多糖的組成成分, 其合成受阻將嚴重影響軟骨的成骨作用, 甚至導致骨骼畸形[5,6,8]。虹鱒(Salmo gaidnerii)和鯉魚(Cyrinus carpio)在飼料中缺錳或錳不足(4 mg/kg)時尾部畸形, 魚體變短, 而在錳含量添加至 12～13 mg/L時虹鱒的畸形受遏止[15,16]。這說明錳對魚類骨骼的正常發(fā)育有重要作用。

此外, 錳在魚類骨骼中具較高含量[6,17]。這是由于在一定程度上, 脊椎骨相當于機體的錳元素庫,可在飼料錳不足時部分釋放錳供機體維持正常的生命活動[18]。鯉魚、斑點叉尾(Ictalurus punctatus)、牙鲆(Paralichthys olivaceus)和黃顙魚(Pelteobagrus fulvidraco)脊椎骨的錳含量在飼料缺錳時較低, 而隨飼料錳的增加而不斷上升, 斑點叉尾的甚至呈線性上升[6,18,19]。因此, 可將水產(chǎn)養(yǎng)殖動物骨骼中的錳含量作為評價飼料中錳是否充分的敏感指標。

1.3 錳對生長的影響

研究發(fā)現(xiàn), 日本對蝦仔蝦在海水錳為40 μg/L時生長最好[20]; 虹鱒和鯉魚在飼料中缺錳或錳不足(4 mg/kg)時生長緩慢; 錳含量添加至 12～13 mg/L時虹鱒的生長加速[15,16]。水產(chǎn)養(yǎng)殖動物錳的需求量因種類不同而異(表 1), 研究結果的差異與實驗方法和實驗條件, 特別是與飼料組成、蝦體大小、水體物理和化學條件等因素的差異有關。提高錳生長需求量研究的準確性還有賴于生長指標、實驗技術、作用機理等的不斷完善。

表1 水產(chǎn)養(yǎng)殖動物飼料錳的適宜添加量Tab. 1 Optimal Mn supplement in the diet of aquatic animals

2 錳對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物免疫的影響

2.1 錳對細胞免疫的影響

魚類的細胞免疫主要通過淋巴細胞(主要是T細胞)和吞噬細胞(單核細胞、巨噬細胞、粒細胞)兩大類免疫細胞進行[30]。對于淋巴細胞, 錳一方面通過對堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, AKP)活性的作用影響其自身代謝、吞噬和吞飲, 另一方面通過以下三種途徑影響其增殖： 1)錳可激活鳥苷酸環(huán)化酶產(chǎn)生CGMP, 選擇性促進T細胞增殖反應并協(xié)同增強其免疫功能; 2)Mn2+可與ATP的3個磷酸基結合生成Mn-ATP, Mn-ATP是腺苷酸環(huán)化酶(adenosine cyclophosphate cAMP)的底物, 而高濃度cAMP可抑制T淋巴細胞活化增殖; 3)適量Mn2+(1～10 μmol/L)時可滿足淋巴細胞增殖反應的需求, 但濃度過高(100 μmol/L)時, Mn2+與 Ca2+競爭鈣調(diào)蛋白(CaM)的結合位點, 使淋巴細胞內(nèi)CaM-Ca2+含量下降, 干擾CaM的正常調(diào)節(jié), 從而抑制T細胞的活化增殖[31,32]。對于吞噬細胞,錳鹽抑制趨化性, 影響嗜中性白細胞對氨基酸的吸收; 增加錳可提高非特異性免疫中酶的活性和巨嗜細胞的殺傷力; 缺錳則會造成白細胞機能障礙和機體特定免疫力下降。此外, 錳與刀豆素 A有絲分裂原有相互作用, 低濃度錳可提高淋巴細胞對刀豆蛋白的反應性, 但作用機制尚不清楚[5,33]。

甲殼動物的細胞免疫主要是血細胞的免疫作用[34], 血細胞吞噬外來病原微生物的過程中,NADPH酶被激活, 糖酵解反應增強, 導致大量活性氧(如 O2-、H2O2等)產(chǎn)生[35～37]。盡管活性氧殺菌效果很強, 但其過量積累會損害細胞。甲殼動物主要利用錳-超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase,Mn-SOD)、過氧化氫酶(catalase, CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)將活性氧轉化為對機體無害的 H2O與O2[9,35～37]。錳對這三種酶具一定的激活作用[40,41]?？梢? 錳在一定程度上有利于甲殼動物維持正常的細胞免疫。

2.2 錳對體液免疫的影響

2.2.1 特異性免疫因子

抗體是脊椎動物淋巴細胞產(chǎn)生的能與相應抗原結合的, 具免疫功能的一類球蛋白。目前研究表明魚類中軟骨魚僅IgM和IgMG兩種抗體, 而真骨魚可能僅IgM一種抗體[30]。關于錳對魚類抗體的影響研究較少, 但已有資料表明錳與抗體的合成有密切關系。錳可提高某些動物體內(nèi)抗體的效價, 缺乏或過量都會抑制抗體產(chǎn)生[5,17], 但其作用機制尚未闡明。

2.2.2 非特異性免疫因子

2.2.2.1 超氧化物歧化酶

SOD 與金屬元素(銅、鋅、鐵、錳)結合可催化O2-生成H2O2, 是機體內(nèi)關鍵性的抗氧化酶, 可作為水產(chǎn)養(yǎng)殖動物機體的免疫性指標[38,42,43]。在SOD的多種形式中, 以 Mn-SOD的狀態(tài)最穩(wěn)定, 半衰期最長, 該酶主要位于魚類線粒體和甲殼動物的細胞質中, 線粒體與細胞質中的 Mn-SOD由不同基因編碼[44], 目前這兩種基因已被克隆、定位和表達[42,43]。

Mn-SOD以錳為活性中心, 缺錳會導致其結構穩(wěn)定性降低[41,45]。用錳不足的飼料喂養(yǎng)虹鱒, 其心肌、肝臟中的CuZn-SOD和Mn-SOD活力下降[23]; 據(jù)不同生長階段添加適量的飼料錳可使凡納濱對蝦肌肉中 Mn-SOD的活性顯著上升[46]; 在多個濃度飼料錳的刺激下, 日本沼蝦(Macrobrachium nipponense)肌肉中SOD呈劑量效應的激活, 且在錳為150 μg/g時其活性達到最高[41]; 適量的飼料錳(260 mg/kg)在一定時間內(nèi)對中華米蝦(Caridina denticulata sinensis)體內(nèi) SOD的激活作用顯著, 但錳超過一定濃度,SOD活性就會降低, 隨著養(yǎng)殖時間的延長, 實驗組蝦體SOD的活性反而低于對照組, 說明飼料中添加錳表現(xiàn)出明顯的劑量效應和時間效應[32]。此外, 適量的錳還可提高異育銀鯽(Carassius auratus gibeelio)血清、黏液和肝胰臟中SOD的活性, 尤其是Mn對黏液T-SOD活性的影響甚至大于Cu、Zn、Fe[7]; 黃顙魚的實驗結果也與之相近[6]。其作用機制可能是少量錳進入體內(nèi), 使機體的脂質過氧化作用增強, 其代謝產(chǎn)物丙二醛(MDA)增加, 機體內(nèi)的自穩(wěn)機制會使體內(nèi)抗氧化能力出現(xiàn)代償性增強, 使 T-SOD活性代償性增高[32]。

2.2.2.2 谷胱甘肽過氧化物酶

GPX是清除羥自由基的重要抗氧化酶, 它通過催化 H2O2分解為 H2O和 O2來防止 OH-產(chǎn)生, 并將脂氫過氧化物(OROH)還原成相應 ORH, 從而減輕細胞膜多不飽和脂肪酸的過氧化作用, 以及 OROH分解產(chǎn)物所引起的細胞損傷[9,41,47]。在多個濃度飼料錳的刺激下, 日本沼蝦肌肉中GPX和SOD趨勢相似,呈劑量效應的激活, 且均在錳濃度為 150 μg/g時活性最高[41]; 凡納濱對蝦實驗也發(fā)現(xiàn)各生長階段 SOD和GPX被顯著激活的最適錳濃度也一致[46]。這說明GPX與SOD有協(xié)同作用, SOD活性的顯著升高可能伴隨GPX的升高來清除過量生成的H2O2[48]。

2.2.2.3 過氧化氫酶

CAT是初級抗氧化酶系統(tǒng)的主要成分, 與GPX一樣能清除 H2O2。組織中的過氧化物主要由 GPX來催化, 而在H2O2濃度高的情況下, 則由CAT催化[35,49]。CAT與SOD也有協(xié)同作用, SOD活性的顯著升高可能會伴隨CAT的升高來清除高濃度H2O2。在多個濃度飼料錳刺激下, 日本沼蝦肌肉中 CAT的活性也伴隨肌肉中SOD被顯著激活而提高并呈明顯劑量效應的激活, 且二者在錳濃度為 150μg/g時活性均最高[41]。

2.2.2.4 堿性磷酸酶

AKP是一種非特異性磷酸水解酶, 能催化磷酸單脂的水解及磷酸基團的轉移反應, 對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物吸收水中鈣質、形成磷酸鈣、分泌及形成甲殼素具有重要作用[50]。據(jù)報道, 海水中添加不同濃度錳均能提高AKP酶的活性; 根據(jù)不同生長階段添加適量的飼料錳對凡納濱對蝦的AKP活力均有顯著的激活作用[30]; 中國對蝦仔蝦和日本對蝦仔蝦的AKP活性分別在海水中錳濃度為20 μg/L和40 μg/L時達到最高, 錳濃度太高則抑制其活性[53,54]。

2.2.2.5 溶菌酶

溶菌酶(lysozyme, LSZ)通過酶解病原體細胞壁的黏多糖將其殺死, 是抵抗細菌病毒感染的非特異性免疫調(diào)節(jié)因子, 其水平和活性直接關系到水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的免疫力和健康[52,53]。據(jù)不同生長階段添加適量的飼料錳可顯著激活凡納濱對蝦的 LSZ活力[46]; 50mg/kg的錳能使黃顙魚血清中LSZ的活力最高[6]; 錳為60mg/kg時異育銀鯽黏液、血清中的LSZ活力最高, 且前者明顯高于后者。這可能是由于黏液作為魚體的第一道免疫屏障, 活力較高的黏液 LSZ對水體環(huán)境細菌具較強的殺滅和抵抗作用[17]。

3 錳對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物抗應激的影響

水產(chǎn)養(yǎng)殖動物長期處于應激狀態(tài)會使其免疫系統(tǒng)受抑制, 易受病原體侵染, 所以如何增強水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的抗應激能力來抵抗日益惡化的養(yǎng)殖環(huán)境對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展起重要作用[53,54]?？寡趸概c水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的抗應激能力密切相關。對蝦感染白斑綜合征病毒后, 體內(nèi)CAT等多種抗氧化酶活性發(fā)生變化[55,56]; 給對蝦飼喂免疫增強劑后, 其體內(nèi)SOD的抗氧化活性上升, 且感染細菌病毒后的存活率升高[38,57]。這提示CAT、SOD可能參與對蝦抵御病原的免疫反應, 可能是通過及時清除活性氧來保障免疫細胞內(nèi)氧化還原反應的動態(tài)平衡、信號的正常傳導及免疫相關基因的正常轉錄表達, 從而提高對蝦對病原的抵抗能力[58]。

錳在應激條件下對抗氧化酶有一定作用。以不同錳添加量的飼料投喂日本沼蝦 30d后低氧脅迫組肌肉中 SOD、GPX、CAT的活性均相對較高, 且均隨錳濃度的增加而呈先升后降的變化趨勢, 在錳為150 μg/g時達到最高值[46]; 在不同濃度多聚磷酸鈉脅迫下, 飼料有錳(150 μg/g)組的中華米蝦的SOD、活性也始終比無錳組的要高。這表明適量的飼料錳可在一定程度上激活抗氧化酶, 增強機體對環(huán)境脅迫的抵抗能力[59]。

4 問題與展望

綜上所述, 錳是多種酶的必需組分和激活劑,需求量不多, 但對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的生長、免疫和抗應激有重要的影響。目前, 關于錳的系統(tǒng)研究較有限,部分生長免疫作用機理尚不十分清楚, 對抗應激影響的研究還處于起步階段, 許多問題還有待進一步研究, 如錳對甲殼動物的殼是否具有影響、作用機制、錳與補體的關系、生長免疫的綜合需求量以及在各種應激因素作用下錳的需求量等。隨著分子生物學和生物化學技術的發(fā)展, 有關錳與基因表達與調(diào)控機理的研究應引起營養(yǎng)學工作者的廣泛關注。

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S963.1

A

1000-3096(2010)10-0108-06

2010-03-02;

2010-06-01

國家自然科學基金資助項目(30671628); 廣東省教育部產(chǎn)學研結合資助項目(2006D90204005); 國家科技支撐計劃項目(2007BAD29B06); 廣東省科技計劃項目(2007B020708013);廣東省重大科技專項(20090204); 廣州市科技支撐計劃項目(2009Z1-E681)

陳曉丹(1986-), 女, 廣東汕頭人, 碩士研究生, 從事水生動物營養(yǎng)免疫學與環(huán)境營養(yǎng)學研究, E-mail： youxincxd@126.com; 王安利,

, E-mail： wanganl@scnu.edu.cn

(本文編輯： 康亦兼)