王連生 張圓圓 李晉南 楊 喆,2

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江省水生動(dòng)物病害與免疫重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150070；2.湖州師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院水生動(dòng)物繁育與營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省水生生物資源養(yǎng)護(hù)與開(kāi)發(fā)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖州 313000)

色氨酸(tryptophan)又稱β-吲哚基丙氨酸，化學(xué)式為C11H12N2O2，是水產(chǎn)動(dòng)物的必需氨基酸。色氨酸是飼料蛋白質(zhì)的重要組成成分，是高脂肉粉、骨粉的第一限制性氨基酸，是玉米蛋白粉、血粉、禽下腳料及蠶豆的第二限制性氨基酸，是羽扇豆、羽毛粉的第三限制性氨基酸[1]。色氨酸缺乏導(dǎo)致虹鱒(Oreochromisniloticus)生長(zhǎng)性能降低、脊柱側(cè)凸、前凸及白內(nèi)障，肝臟、腎臟中鈣、鎂、鈉及鉀的含量升高[2]。在色氨酸缺乏飼料中補(bǔ)充晶體色氨酸，可以提高虹鱒、非洲鯰魚(yú)(Clariasgariepinus)、雜交條紋鱸(Moronechrysop×M.saxatilis)、露斯塔野鯪(Labeorohita)及凡納濱對(duì)蝦(Litopenaeusvannamei)的生長(zhǎng)性能[3-7]。色氨酸是5-羥色胺的前體物質(zhì)，5-羥色胺是一種重要神經(jīng)遞質(zhì)，可以調(diào)節(jié)水產(chǎn)動(dòng)物的攝食及攻擊行為[8-11]。本文就色氨酸代謝途徑、水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)色氨酸的需要量、色氨酸對(duì)攝食、應(yīng)激、免疫的影響進(jìn)行綜述，以期為色氨酸在水產(chǎn)動(dòng)物中開(kāi)展深入研究提供參考。

1 色氨酸的代謝途徑

飼料中的色氨酸被消化、吸收后，除用于蛋白質(zhì)合成外，還有以下3條主要代謝途徑(圖1)。色氨酸在色氨酸羧化酶和芳香族氨基酸脫羧酶催化作用下合成5-羥色胺，進(jìn)一步通過(guò)芳香烷基胺-N-乙酰基轉(zhuǎn)移酶和羥基吲哚-氧-甲基轉(zhuǎn)移酶催化合成褪黑素，此途徑主要受機(jī)體生理狀態(tài)和外部環(huán)境調(diào)節(jié)[12]。色氨酸主要通過(guò)犬尿氨酸-煙酸途徑在肝臟中進(jìn)行分解代謝生成N-甲酰犬尿氨酸，并受吲哚胺2，3-雙加氧酶(IDO)和色氨酸2，3-雙加氧酶(TDO)的調(diào)控，其中IDO是色氨酸代謝的限速酶[13]。N-甲酰犬尿氨酸在犬尿氨酸甲酰胺酶作用下生成L-犬尿氨酸，進(jìn)一步生成3-羥基犬尿氨酸和3-羥基鄰氨基苯甲酸，最后生成完全氧化的乙酰輔酶A，或者進(jìn)一步生成喹啉酸和煙酸[14]。

2 水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)色氨酸的需要量

色氨酸是水產(chǎn)動(dòng)物機(jī)體蛋白質(zhì)組成中含量最低的氨基酸，因此，水產(chǎn)動(dòng)物飼料中色氨酸的需要量也低于其他必需氨基酸。水產(chǎn)動(dòng)物的色氨酸需要量與養(yǎng)殖品種、飼料組成、試驗(yàn)動(dòng)物初始體重等多種因素有關(guān)，此外，飼料中蛋白質(zhì)、氨基酸及能量消化率也會(huì)影響水產(chǎn)動(dòng)物的色氨酸需要量[16]。表1中展示了17種水產(chǎn)動(dòng)物的色氨酸需要量，不同養(yǎng)殖品種色氨酸需要量不同，研究結(jié)果的總體范圍為0.13%～0.48%。由表1可知，鯉魚(yú)(Cyprinuscarpio)色氨酸需要量為0.13%，而麥瑞加拉鯪(Cirrhinusmrigala)色氨酸需要量為0.48%；即使是同一品種，不同規(guī)格、不同統(tǒng)計(jì)模型、不同參考指標(biāo)，色氨酸的需要量也不同，例如，露斯塔野鯪、羅非魚(yú)(Oreochromisniloticus)的色氨酸需要量分別為0.21%～0.38%、0.25%～0.38%。色氨酸缺乏或過(guò)量均抑制水產(chǎn)動(dòng)物生長(zhǎng)，降低消化酶活性及免疫功能[17-18]。給少帶重牙鯛(Diplodussargus)投喂對(duì)照組飼料以及添加2.1%賴氨酸或0.4%色氨酸的飼料時(shí)，添加色氨酸組增重率顯著低于對(duì)照組、添加賴氨酸組，其可能是由飼料總色氨酸過(guò)量造成的[19]。適量的色氨酸可以提高水產(chǎn)動(dòng)物腸道長(zhǎng)度、重量、指數(shù)及褶皺高度，肝胰腺和腸道蛋白酶、脂肪酶及淀粉酶的活性，進(jìn)而提高蛋白質(zhì)、氨基酸、干物質(zhì)的表觀消化率[20-21]，同時(shí)提高其他必需氨基酸、非必需氨基酸的沉積率，進(jìn)而促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物生長(zhǎng)[22]。胰島素樣生長(zhǎng)因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)在水產(chǎn)動(dòng)物生長(zhǎng)、發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用，色氨酸參與IGF-Ⅰ的合成調(diào)控，適量色氨酸促進(jìn)IGF-Ⅰ的合成、分泌[23]。此外，成肌調(diào)節(jié)因子(MRFs)和肌生成抑制蛋白是水產(chǎn)動(dòng)物肌肉生長(zhǎng)的重要調(diào)節(jié)因子，這些調(diào)節(jié)因子受營(yíng)養(yǎng)素的調(diào)控，特別是色氨酸，其具有促進(jìn)肌肉生長(zhǎng)的作用[24]。羅非魚(yú)飼料中色氨酸含量為0.37%時(shí)，具有活化增殖肌衛(wèi)星細(xì)胞作用的肌分化因子和肌細(xì)胞生成素的基因表達(dá)量顯著升高，具有抑制肌肉生長(zhǎng)作用的肌生成抑制蛋白的基因表達(dá)量顯著減低[25-26]。上述研究結(jié)果表明，適量色氨酸通過(guò)改善腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)、提高消化酶活性、促進(jìn)IGF-Ⅰ的合成及肌肉生長(zhǎng)，提高水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)性能。

TpOH：色氨酸羥化酶 tryptophan hydroxylase；AAAD：芳香族氨基酸脫羧酶 aromatic amino acid decarboxylase；AANAT：芳香烷基胺-N-乙?；D(zhuǎn)移酶 arylalkylamine-N-acetyltransferase；HIOMT：羥基吲哚-氧-甲基轉(zhuǎn)移酶 hydroxyindole-O-methyltransferase；TDO：色氨酸2,3-雙加氧酶 tryptophan 2,3-dioxygenase；IDO：吲哚胺2,3-雙加氧酶 indoleamine 2,3-dioxygenase；AF：犬尿氨酸甲酰胺酶 kynurenine formamidase；KAT：犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶kynurenine aminotransferase；KMO：犬尿氨酸3-單加氧酶 kynurenine 3-monooxygenase；3-HAAO：3-羥基鄰氨基苯甲酸3,4-雙氧化酶 3-hydroxyanthranilic acid 3,4-dioxygenase；kynureninase：犬尿氨酸酶；non-enzymatic cyclization：非酶環(huán)化。

表1 水產(chǎn)動(dòng)物的色氨酸需要量(以飼料干物質(zhì)計(jì))Table 1 Tryptophan requirement of aquatic animals (by dry matter of diet)

3 色氨酸對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物攝食量的影響

適量色氨酸能促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物的攝食。在羅非魚(yú)高植物蛋白質(zhì)飼料中分別添加0.4 g/kg二甲基-β-丙酸噻亭、0.6 g/kg二甲基乙酸噻亭(DMP)、1.8 g/kg色氨酸、6 g/kg甜菜堿，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，色氨酸組和DMP組的攝食量顯著高于對(duì)照組，其主要原因是色氨酸促進(jìn)腦神經(jīng)肽Y的基因表達(dá)，DMP促進(jìn)胃饑餓素的基因表達(dá)[41]。飼料色氨酸含量為0.24%和0.27%組印度囊鰓鯰(Heteropneustesfossilis)的攝食量顯著高于飼料色氨酸含量為0.10%和0.15%組[31]。在牙鲆(Paralichthysolivaceus)飼料中分別添加0.12%、0.30%和0.50%色氨酸時(shí)，攝食量隨著色氨酸添加量的增加顯著升高[42]。當(dāng)色氨酸含量高于需要量時(shí)，隨著色氨酸含量的增加，攝食量顯著降低。建鯉(CyprinuscarpioJian)飼料中色氨酸含量為0.11%～0.38%時(shí)，隨著飼料色氨酸含量的增加，攝食量顯著提高；色氨酸含量為0.38%～0.69%時(shí)，隨著飼料色氨酸含量的增加，攝食量顯著降低[21]。適量的色氨酸提高水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)性能，可能與提高其攝食量有關(guān)[31,35]。草魚(yú)(Ctenopharyngodonidella)飼料中色氨酸含量為0.07%～0.31%時(shí)，攝食量和增重率隨著飼料色氨酸含量的升高而顯著提高，且增重率與攝食量呈顯著正相關(guān)[34]。然而，對(duì)羅非魚(yú)的研究結(jié)果顯示，飼料色氨酸含量對(duì)攝食量沒(méi)有顯著影響[3]。色氨酸對(duì)攝食量影響不一致的可能原因是試驗(yàn)飼料中色氨酸的含量、試驗(yàn)飼料原料及水產(chǎn)動(dòng)物品種等存在差異。

4 色氨酸對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物應(yīng)激反應(yīng)的影響

適量色氨酸能緩解亞硝酸鹽、高銅、拉網(wǎng)、細(xì)菌感染、擁擠等造成的應(yīng)激脅迫。在露斯塔野鯪飼料中添加0.75%或1.00%色氨酸顯著改善了亞硝酸鹽應(yīng)激導(dǎo)致的增重率、特定生長(zhǎng)率顯著降低，飼料系數(shù)顯著升高，肝臟、肌肉谷草轉(zhuǎn)氨酶和谷丙轉(zhuǎn)氨酶活性顯著降低的問(wèn)題，緩解了亞硝酸鹽的應(yīng)激反應(yīng)[43]；此外，色氨酸可以緩解溫度、鹽度對(duì)露斯塔野鯪的應(yīng)激反應(yīng)[44]。在擬鯉(Rutilusrutiluscaspicus)飼料中添加0.25%色氨酸顯著降低了高銅應(yīng)激死亡率[45]。在加利福尼亞灣石首魚(yú)(Totoabamacdonaldi)飼料中添加需要量1倍或2倍的色氨酸時(shí)，拉網(wǎng)應(yīng)激后端腦5-羥基吲哚乙酸和5-羥色胺含量顯著升高；然而，添加需要量3倍或4倍的色氨酸時(shí)兩者含量顯著降低[46]。在鋸緣青蟹(Scyllaserrata)飼料中添加0.75%或1.00%色氨酸后顯著降低了其攻擊強(qiáng)度和攻擊頻率，添加0.50%、0.75%或1.00%色氨酸后顯著提高了血淋巴中5-羥色胺的含量和青蟹成活率，但增重率、特定生長(zhǎng)率均顯著降低[47]。

此外，為提高水產(chǎn)動(dòng)物單位面積產(chǎn)量，高密度養(yǎng)殖是最常用的養(yǎng)殖模式，但高密度養(yǎng)殖通常會(huì)帶來(lái)?yè)頂D脅迫應(yīng)激，導(dǎo)致皮質(zhì)醇釋放增加，長(zhǎng)期脅迫影響水產(chǎn)動(dòng)物健康[48-49]。高密度養(yǎng)殖組海參(ApostichopusjaponicusSelenka)的特定生長(zhǎng)率顯著低于低密度養(yǎng)殖組，飼料中添加1%或3%色氨酸通過(guò)改變機(jī)體能量分配，提高用于生長(zhǎng)的能量，降低機(jī)體皮質(zhì)醇、葡萄糖及乳酸的含量，顯著提高海參的特定生長(zhǎng)率[50]。在麥瑞加拉鯪飼料中添加2.72%的色氨酸能夠緩解高密度養(yǎng)殖對(duì)皮質(zhì)醇含量及生長(zhǎng)的負(fù)面影響[51]。在虹鱒飼料中添加0.5%的色氨酸顯著提高了低密度養(yǎng)殖條件下的生長(zhǎng)性能、肌肉粗脂肪含量，顯著降低了血清皮質(zhì)醇、葡萄糖的含量；添加0.5%或1.0%的色氨酸顯著降低了高密度養(yǎng)殖條件下虹鱒的飼料系數(shù)[52]。上述研究結(jié)果表明，色氨酸可以緩解高密度養(yǎng)殖帶來(lái)的擁擠脅迫，提高水產(chǎn)動(dòng)物的生長(zhǎng)性能。

色氨酸緩解應(yīng)激脅迫的可能機(jī)制是：1)色氨酸可以促進(jìn)機(jī)體5-羥色胺的生物合成，合成的5-羥色胺直接抑制皮質(zhì)醇的合成和攻擊行為，進(jìn)而緩解應(yīng)激反應(yīng)[8,15,53]。歐洲鱸魚(yú)(Dicentrarchuslabrax)經(jīng)美人魚(yú)發(fā)光桿菌攻毒48和72 h后，色氨酸添加組血清中皮質(zhì)醇含量顯著低于色氨酸缺乏組，從而緩解了攻毒應(yīng)激反應(yīng)[54]。2)應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生的皮質(zhì)醇激活糖酵解和糖異生，產(chǎn)生大量葡萄糖用于抗應(yīng)激，飼料中添加色氨酸可以緩解應(yīng)激反應(yīng)，降低血清中葡萄糖的含量[55-56]。羅非魚(yú)飼料中色氨酸含量為0.37%和0.48%時(shí)，血清中皮質(zhì)醇和葡萄糖的含量均顯著低于色氨酸含量為0.26%時(shí)[26]。團(tuán)頭魴(Megalobramaamblycephala)飼料中色氨酸添加量對(duì)血清葡萄糖含量的影響未達(dá)到顯著水平，但隨著色氨酸添加量的增加，血清葡萄糖含量先降低后升高，色氨酸調(diào)控糖代謝的主要途徑是降低糖酵解葡萄糖激酶的基因表達(dá)量和提高糖異生磷酸烯醇丙酮酸羧激酶、葡萄糖-6-磷酸酶的基因表達(dá)量[17]。

5 色氨酸對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物抗病力、抗氧化和免疫功能的影響

色氨酸代謝產(chǎn)物具有廣泛的生理作用，除上述緩解應(yīng)激外，色氨酸還有提高抗病力、抗氧化和免疫功能等作用。歐洲鱸魚(yú)攝食色氨酸缺乏飼料、色氨酸含量正常飼料、正常飼料添加0.13%和0.17%色氨酸飼料，經(jīng)美人魚(yú)發(fā)光桿菌攻毒8 d后，色氨酸缺乏組死亡率最高，其次是正常飼料添加0.17%色氨酸組，正常組和正常飼料添加0.13%色氨酸組死亡率最低，表明色氨酸缺乏或過(guò)量均降低歐洲鱸魚(yú)的抗病力[54]。虹鱒在低密度和高密度養(yǎng)殖條件下，通過(guò)在飼料中添加0.5%色氨酸可顯著提高血清溶菌酶及過(guò)氧化氫酶(CAT)活性，顯著降低血清丙二醛(MDA)含量，提高機(jī)體的抗氧化性能；高密度養(yǎng)殖條件下，添加0.5%色氨酸顯著提高腸道免疫因子腫瘤壞死因子-α(TNF-α)與抗炎因子白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)、白細(xì)胞介素-8(IL-8)的基因表達(dá)量，提高抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、CAT、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPx)的基因表達(dá)量及活性；添加1.0%色氨酸提高TNF-α的基因表達(dá)量及SOD活性，降低促炎因子白細(xì)胞介素-6(IL-6)和SOD的基因表達(dá)量[57-58]。在歐洲鱸魚(yú)飼料中添加0.5%色氨酸投喂15 d后，血細(xì)胞比容、血紅蛋白含量、紅細(xì)胞及白細(xì)胞數(shù)量與對(duì)照組相比均沒(méi)有顯著變化；經(jīng)美人魚(yú)發(fā)光桿菌攻毒后，0.5%色氨酸組紅細(xì)胞平均血紅蛋白濃度、中性粒細(xì)胞數(shù)量顯著提高[59]。上述研究結(jié)果表明，色氨酸通過(guò)提高抗氧化酶活性及基因表達(dá)，抑制促炎因子、提高抗炎因子的基因表達(dá)，從而提高機(jī)體抗病力。

色氨酸調(diào)控水產(chǎn)動(dòng)抗病力、抗氧化和免疫功能的可能機(jī)制為：1)色氨酸作為神經(jīng)內(nèi)分泌物5-羥色胺和褪黑素的前體物，在水產(chǎn)動(dòng)物應(yīng)激條件下添加能夠增加二者的合成量，進(jìn)而提高下游抗氧化酶的活性，起到抗氧化作用[60]。在中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)飼料中添加色氨酸可顯著提高肝胰腺的SOD活性，這與褪黑素注射1 d后肝胰腺的總抗氧化(T-AOC)、SOD活性顯著提高的效果相似[61]。2)色氨酸分解代謝IDO可誘導(dǎo)γ-干擾素、釋放細(xì)胞因子、激活免疫細(xì)胞、提高機(jī)體抗氧化和抗菌活性，進(jìn)而提高機(jī)體的免疫功能[12]。3)色氨酸通過(guò)核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)/Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白1(Keap1)信號(hào)通路提高抗氧化酶活性及其基因表達(dá)量，通過(guò)磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)-雷帕霉素靶蛋白(TOR)、核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)信號(hào)通路降低促炎因子的基因表達(dá)量，提高抗炎因子的基因表達(dá)量[62]。適量的色氨酸可提高草魚(yú)抗炎因子白細(xì)胞介素-10(IL-10)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)、核轉(zhuǎn)錄因子-κB抑制因子α(IκBα)的基因表達(dá)量，降低促炎因子TNF-α、IL-8及白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)的基因表達(dá)量，提高SOD、CAT、GPx、谷胱甘肽還原酶(GR)、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)的基因表達(dá)量[18]。4)色氨酸調(diào)控機(jī)體健康還與腸道免疫有關(guān)。在中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)飼料中添加0.47%或0.73%的色氨酸，可顯著提高嗜水氣單胞菌攻毒后的成活率，提高腸道菌群豐度和多樣性指數(shù)，提高變形菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、放線菌門(mén)優(yōu)勢(shì)菌群的豐度，改善腸道健康[63]。在草魚(yú)飼料中添加色氨酸顯著提高了銅脅迫后腸道溶菌酶、酸性磷酸酶活性及補(bǔ)體3(C3)的含量，提高了抗氧化酶SOD、GPx的活性及谷胱甘肽的含量，降低了MDA、蛋白質(zhì)羰基的含量；通過(guò)提高腸道TGF-β、IL-10、閉合蛋白、閉鎖小帶、SOD及GPx的基因表達(dá)量，降低IL-8、TNF-α、Keap1等基因表達(dá)量，改善腸道健康，提高機(jī)體抗病力[34]。

6 小結(jié)與展望

目前，關(guān)于水產(chǎn)動(dòng)物的色氨酸需要量及色氨酸營(yíng)養(yǎng)生理功能已有大量研究，現(xiàn)有研究得出的水產(chǎn)動(dòng)物色氨酸需要量為0.13%～0.48%(色氨酸占飼料干物質(zhì)的百分比)，適量的色氨酸可以提高水產(chǎn)動(dòng)物的攝食量，緩解水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)高養(yǎng)殖密度、高銅、亞硝酸鹽等的應(yīng)激反應(yīng)，通過(guò)提高免疫、抗氧化功能，進(jìn)而提高抗病力。但是，關(guān)于色氨酸在水產(chǎn)動(dòng)物體內(nèi)的代謝途徑、色氨酸對(duì)機(jī)體糖、脂肪等代謝的影響機(jī)制、大規(guī)格水產(chǎn)動(dòng)物對(duì)色氨酸的需要量等方面仍需開(kāi)展更為全面的研究。