2. 国家水禽产业技术体系营养与饲料功能研究室, 青岛 266109
2. National Waterfowl Industrial Technology System Nutrition and Feed Function Laboratory, Qingdao 266109, China
锌是动物器官生长发育及机体酶、蛋白质合成的重要元素。锌缺乏也是常见的微量元素缺乏症之一。锌的缺乏会直接影响机体发育,对体型、毛发等产生影响[1];研究发现,锌的缺失会对多种血清酶的活性产生影响,从而对机体功能产生影响[2];另外,缺锌也会影响雌鼠卵子的生长和卵泡的发育,从而降低受孕率[3]。有机锌能够促进动物的生长发育、营养利用率[4]。枯草芽孢杆菌为动物肠道有益菌,本身具有繁殖快、抗逆性强、促进吸收和提高免疫力等特点[5],为此,研究具有双重功能的枯草芽孢杆菌锌具有重要意义。White[6]和钱立群等[7]研究发现,动物饲粮中锌的缺失,会影响动物唾液蛋白形成、味觉素的分泌,严重缺失会导致动物采食量降低,进而影响生长发育。郭美荣[8]和陈丽敏等[9]研究表明,缺锌阻碍大鼠内脏和性器官卵巢的发育。Dardenne[10]和周立波等[11]研究表明,适量的锌有助于提高血清谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性和丙二醛(MDA)含量,从而提高机体免疫力;张伟庆等[12]研究表明,适量的枯草芽孢杆菌有助于提高血清免疫球蛋白(Ig)G、IgA、IgM含量;边羽芊等[13]研究表明,将酵母锌和酵母铜混合添加到饲粮中,不仅仅能够体现有益菌体在动物肠道的作用,还能起到补锌、铁的功效,显著提高饲料利用率。枯草芽孢杆菌作为一种有益菌种已被证实,但关于它富集微量元素锌的研究还很少,尤其是对先天性缺锌大鼠器官发育、免疫抗氧化力和生殖方面研究还处于空白。因此,本试验通过建立缺锌大鼠生长模型,探索枯草芽孢杆菌锌对缺锌大鼠器官发育、免疫抗氧化力和生殖的干预效果,为新型微生态制剂的开发和锌减量化使用提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料枯草芽孢杆菌锌由国家水禽产业技术体系营养与饲料功能研究室提供,枯草芽孢杆菌活菌数为3×109 CFU/g,锌含量为2 511.55 mg/kg,有机锌含量约为95%。食品级硫酸锌购自湖北金铭洲化学有限公司,分析纯,七水合硫酸锌(ZnSO4·7H2O)含量不少于99.5%。
1.2 基础饲粮基础饲粮以玉米淀粉、大豆分离蛋白、蔗糖等组成,参照AIN-93标准[14]进行配制。经实际检测, 基础饲粮锌含量为13 mg/kg,为缺锌饲粮;正常饲粮是在缺锌饲粮基础上添加硫酸锌,使锌含量达到38 mg/kg。基础饲粮组成及营养水平见表 1。
选用健康SD大鼠,分为2个试验阶段:第1阶段建立先天性缺锌幼龄大鼠模型;第2阶段开展缺锌大鼠后天干预试验。
1.3.1 建立先天性缺锌幼龄大鼠模型选取同期怀孕雌性SD大鼠72只,分为缺锌组和对照组,每组6个重复,每个重复6只。从怀孕第10天开始试验,缺锌组大鼠孕期饲喂基础饲粮(缺锌饲粮),对照组饲喂在基础饲粮中补加硫酸锌的正常饲粮,试验持续到哺乳期(小鼠24日龄)结束。试验结束时,从缺锌组和对照组每个重复中随机抽取2只幼鼠,每组总计12只,禁食12 h,检测生长指标,取血清和相关器官,检测相关指标验证缺锌试验模型是否建立成功。
1.3.2 缺锌大鼠后天干预试验从模型试验缺锌组的后代小鼠中随机选取90只,分成5个试验组,分别为硫酸锌组(Ⅱ组,在缺锌饲粮中补加硫酸锌,锌含量达到正常饲粮水平)、缺锌组(Ⅲ组,饲喂缺锌饲粮)、在缺锌饲粮中添加低(Ⅳ组)、中(Ⅴ组)、高(Ⅵ组)剂量枯草芽孢杆菌锌组;另外,从模型试验对照组中的后代小鼠中随机选取18只作为对照组(Ⅰ组),饲喂正常饲粮,每组设3个重复,每个重复6只。试验设计见表 2,其中,Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ组灌胃所用的枯草芽孢杆菌锌需要用去离子水稀释,灌胃量按大鼠每10 g体重灌胃0.2 mL/d。试验期5周。试验结束时,从每个重复中随机抽取2只幼鼠,每组总计6只,屠宰后进行相关指标测定。
试验期间,大鼠自由摄食、饮水(去离子水),室内温度为(22±2) ℃,相对湿度为(55±5)%,室内通风良好。每天观察大鼠的精神状态和活动情况,记录每组的摄食量和饮水量;每周称量1次各组的体重。
1.5 测试指标及方法 1.5.1 验证缺锌试验模型相关指标的测定测量幼鼠体重、体长。根据南京建成生物工程研究所试剂盒说明书测定血清碱性磷酸酶(AKP)活性和金属硫蛋白(MT)含量。另外,将幼鼠肝脏置于冷生理盐水中洗净后, 用滤纸吸干其表面液体,进行称重后干燥至恒重,采用湿法消化法进行处理,用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定锌含量。
1.5.2 生长性能的测定以重复为单位,准确计算每天给料量和残余剩料,计算每天每笼的采食量,统计出平均日采食量(ADFI);在生长试验开始第1天,每周最后1天08:00以重复为单位进行空腹称重,称重前10 h停料,不停水,计算平均日增重(ADG);根据ADFI和ADG,计算料重比(F/G)
1.5.3 免疫性能的测定大鼠饲养5周后,禁食12 h,取眼球血,3 000 r/min离心15 min,取血清-80 ℃保存。将保存的血清于4 ℃冰箱溶化后,单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、IgM含量以及溶菌酶活性采用酶联免疫吸附测定(ELISA)方法,严格按照说明书进行测定,试剂盒均购自南京建成生物工程研究所。
1.5.4 抗氧化性能的测定血清中丙二醛(MDA)含量及铜锌超氧化物歧化酶(Cu-Zn SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活性按照试剂盒说明书进行测定,试剂盒均购自南京建成生物工程研究所。
1.5.5 器官指数的测定待大鼠采血后,解剖,取心脏、肝脏、卵巢用生理盐水清洗后,用滤纸吸干其表面液体,测定湿重,并计算器官指数:
血清雌二醇(E2)、促卵泡生成素(FSH)、促黄体生成素(LH)含量采用ELISA方法按照试剂盒说明书进行测定,试剂盒均购自南京建成生物工程研究所。
1.5.7 卵巢组织学检测将卵巢用4%中性甲醛浸泡并存放于4 ℃冰箱,48 h后取出卵巢样,经过水洗、脱水、透明、浸蜡、包埋、切片、展片、捞片、烤片、脱蜡、染色、脱水,透明和封固后,进行显微镜观察。
1.6 统计与分析试验数据的统计分析采用SPSS 17.0软件。模型试验缺锌组和对照组组间差异采用Student-T检验分析。干预试验采用单因素方差分析(one-way ANOVA),并用LSD法多重比较各组间差异。试验数据以“平均值”表示,平均标准误差以“SEM”表示。P < 0.05和P < 0.01分别为差异显著和极显著水平。
2 结果与分析 2.1 幼龄大鼠缺锌模型的建立由表 3可知,经过缺锌饲粮干预怀孕母鼠后,缺锌组的幼龄小鼠体重、体长极显著低于对照组(P < 0.01),其肝脏中锌含量及血清中MT含量、AKP、Cu-Zn SOD活性极显著低于对照组(P < 0.01)。结果表明,幼龄大鼠缺锌模型建立成功。
由表 4可知,与Ⅰ组相比,Ⅱ组各生长性能指标均没有显著变化(P>0.05), 而Ⅲ组体重极显著降低(P < 0.01),ADFI显著降低(P < 0.05)。
与Ⅱ组相比,Ⅲ组ADFI和体重极显著降低(P < 0.01),ADG和料重比也降低但无统计学差异(P>0.05);饲粮中补加低、中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌后,Ⅴ组ADFI、ADG和体重显著高于Ⅱ组(P < 0.05),Ⅵ组ADFI和Ⅱ组接近(P>0.05),但ADG和体重显著高于Ⅱ组(P < 0.05)。各组间F/G无显著差异(P>0.05)。这表明中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌对缺锌大鼠的作用效果优于硫酸锌。
与Ⅲ组相比,饲粮中补加枯草芽孢杆菌锌后,各组F/G降低但无统计学差异(P>0.05);Ⅴ组体重和ADFI极显著高于Ⅲ组(P < 0.01),ADG显著增加(P < 0.05);Ⅵ组体重和ADFI极显著增加(P < 0.01),ADG显著增加(P < 0.05)。这表明一定剂量的枯草芽孢杆菌锌能够提高缺锌大鼠的采食量,促进生长,且高剂量组作用效果低于中剂量组。
2.2.2 器官指数由表 5可知,与Ⅰ组相比,Ⅱ组心脏指数、肝脏指数没有显著变化(P>0.05);Ⅲ组肝脏指数显著降低(P < 0.05),卵巢指数极显著降低(P < 0.01)。这表明大鼠肝脏、卵巢发育主要由所采食饲粮的锌含量所决定,与先天是否缺锌无显著关系。
与Ⅱ组相比,Ⅲ组肝脏指数显著降低(P < 0.05),其他指数相近(P>0.05);饲粮中补加低、中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌后,Ⅳ组卵巢指数显著增加(P < 0.05),Ⅴ组心脏指数、卵巢指数极显著高于Ⅱ组(P < 0.01),Ⅵ组心脏指数显著高于Ⅱ组(P < 0.05)。这表明中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌对缺锌大鼠的作用效果优于硫化锌。
与Ⅲ组相比,Ⅳ组肝脏指数和卵巢指数极显著增加(P < 0.01),Ⅴ组各器官指数均极显著增加(P < 0.01),Ⅵ组显著增加(P < 0.05)。这表明一定剂量的枯草芽孢杆菌锌有助于缺锌大鼠相关器官的发育,且高剂量组作用效果低于中剂量组。
2.3 枯草芽孢杆菌锌对先天性缺锌大鼠免疫性能的影响由表 6可知,与Ⅰ组相比,Ⅱ组血清溶菌酶活性显著降低(P < 0.05),其他指标无统计学差异(P>0.05);Ⅲ组血清MCP-1含量及溶菌酶活性极显著降低(P < 0.01),IgM含量显著降低(P < 0.05)。这表明大鼠免疫力下降主要与先天机体锌含量有关。
与Ⅱ组相比,Ⅲ组血清IgM含量及溶菌酶活性显著降低(P < 0.05),MCP-1含量极显著降低(P < 0.01);饲粮中补加低、中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌后,Ⅳ组血清MCP-1含量及溶菌酶活性显著增加(P < 0.05),Ⅴ组血清MCP-1含量及溶菌酶活性极显著增加(P < 0.01),IgM含量显著增加(P < 0.05),Ⅵ组血清MCP-1含量显著降低(P < 0.05),溶菌酶活性极显著增加(P < 0.01)。这表明饲粮中添加一定剂量的枯草芽孢杆菌锌作用效果优于硫酸锌。
与Ⅲ组比较,Ⅳ组血清IgM含量显著增加(P < 0.05),MCP-1含量和溶菌酶活性极显著增加(P < 0.01);Ⅴ组各血清免疫指标均极显著增加(P < 0.01);Ⅵ组各血清免疫指标均显著增加(P < 0.05)。这表明中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌有助于提高缺锌大鼠的免疫性能,但高剂量组作用效果低于中剂量组。
2.4 枯草芽孢杆菌锌对先天性缺锌大鼠抗氧化能力的影响由表 7可知,与Ⅰ组相比,Ⅱ组各血清抗氧化指标无显著变化(P>0.05);Ⅲ组血清Cu-Zn SOD、GSH-Px活性显著降低(P < 0.05),MDA含量显著增加(P < 0.05)。这表明缺锌会减弱大鼠抗氧化能力,主要与后天饲粮中锌含量有关。
与Ⅱ组相比,Ⅲ组血清MAD含量和GSH-Px活性差异显著(P < 0.05);饲粮中补加低、中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌后,Ⅳ组血清MAD含量和GSH-Px活性差异显著(P < 0.05),Ⅴ组血清MAD含量和GSH-Px活性差异极显著(P < 0.01),Ⅴ组血清Cu-Zn SOD活性显著增加(P < 0.05),血清GSH-Px活性极显著增加(P < 0.01),Ⅵ组血清GSH-Px活性显著增加(P < 0.05)。这表明中剂量的枯草芽孢杆菌锌作用效果优于硫酸锌。
与Ⅲ组比较,Ⅳ组血清MDA含量和GSH-Px活性有极显著差异(P < 0.01),Ⅴ组各血清抗氧化指标均有极显著差异(P < 0.01),Ⅵ组血清Cu-Zn SOD、GSH-Px活性极显著增加(P < 0.01),MDA含量显著降低(P < 0.05)。这表明中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌有助于提高缺锌大鼠的抗氧化性能,且中剂量效果更佳。
2.5 枯草芽孢杆菌锌对先天性缺锌大鼠性激素分泌的影响由表 8可知,与Ⅰ组相比,Ⅱ组血清E2含量极显著降低(P < 0.01),FSH、LH含量差异不显著(P>0.05),Ⅲ组血清E2、LH含量极显著降低(P < 0.01),FSH含量显著降低(P < 0.05)。这表明缺锌对性激素分泌的影响,主要与饲粮中锌含量有关,与是否先天缺锌无关。
与Ⅱ组相比,Ⅲ组血清E2、FSH含量显著降低(P < 0.05),LH含量极显著降低(P < 0.01);饲粮中补加低、中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌后,Ⅳ组血清E2和LH含量显著增加(P < 0.05),Ⅴ组血清FSH和LH含量显著增加(P < 0.05),E2含量极显著增加(P < 0.01),Ⅵ组血清E2含量显著增加(P < 0.05)。这表明低、中剂量的枯草芽孢杆菌锌能够有助于缺锌大鼠的性激素分泌,且作用效果优于硫酸锌。
与Ⅲ组比较,Ⅳ组血清E2和LH含量极显著增加(P < 0.01),FSH含量显著增加(P < 0.05);Ⅴ组血清性激素含量均差异极显著(P < 0.01),Ⅵ组血清E2含量极显著增加(P < 0.01),FSH含量显著增加(P < 0.05)。这表明枯草芽孢杆菌锌在一定程度上能够促进缺锌大鼠的性激素分泌,且中剂量作用效果最佳。
2.6 枯草芽孢杆菌锌对先天性缺锌大鼠卵巢组织的影响对大鼠卵巢组织切片进行苏木精-伊红(HE)染色,同等倍镜下观察对比卵巢发育情况。结果如图 1和图 2所示,添加中、低剂量的枯草芽孢杆菌锌卵巢上卵泡发育良好且卵泡膜层较厚,卵巢上黄体、初级卵泡和次级卵泡等数量较多,而缺锌组和枯草芽孢杆菌锌高剂量组相比正常组间质细胞较多,各级卵泡数较少。另外,硫酸组与正常组无明显差异。这表明大鼠先天性缺锌会阻碍卵巢中各级卵泡的发育,影响生殖发育,而在后天饲粮中添加低、中剂量枯草芽孢杆菌锌有助于缺锌大鼠卵巢的发育。
锌是生长发育的必需微量元素之一,El Hendy等[15]和Sun等[16]研究表明,缺锌会导致大鼠食物摄入量降低,导致生长延缓。郭美荣等[8]通过建立不同的饲养饲粮的低锌SD大鼠模型,发现锌可以明显影响大鼠的器官发育。Swinkels等[17]研究表明,动物饲粮中添加有机锌比无机锌能够提供更多可以被动物吸收利用的锌,并且只有被吸收的锌才可以被生物所利用。邝声耀等[18]研究表明,适量的锌有助于提高动物的生长性能。本试验研究发现添加一定剂量的的枯草芽孢杆菌锌有助于增加缺锌大鼠的采食量,促进心脏、肝脏以及卵巢器官的发育,从而促进生长发育。另外,研究发现高剂量组作用效果低于中剂量组,其机理可能是高剂量枯草芽孢杆菌锌使机体微量营养素之间的吸收转运和利用的动态平衡失调,影响了其他营养素的吸收利用,抗体形成受到影响,从而削弱肠黏膜的抵抗能力,阻碍了大鼠生长发育[19-20]。本试验研究还发现中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌对缺锌大鼠的作用效果优于硫酸锌,表明有机锌更有利于缺锌大鼠的吸收利用[21-22],这与前人研究相符,但具体机理还有待进一步研究。
3.2 枯草芽孢杆菌锌对先天性缺锌大鼠免疫性能的影响锌可以增加免疫球蛋白、单核细胞趋化蛋白含量和溶菌酶活性,提高它们的合成能力,增加机体的免疫功能。Verma等[23]报道,补锌可以显著提高缺锌动物血清中的免疫球蛋白含量。Ahn等[24]认为,血清IgG含量受锌形式的影响很明显,蛋氨酸锌的血清IgG含量高于氧化锌。Wang等[25]发现,饲粮中添加氨基酸锌不但能够促进动物免疫器官发育,还能够增强细胞与组织的免疫抗氧化能力,且与硫酸锌相比较,氨基酸锌拥有较高的生物学利用率。本研究发现饲粮中添加中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌能够促进缺锌大鼠的血清IgM、MCP-1含量和溶菌酶活性,提高免疫性能,且作用效果优于硫酸锌,但高剂量组作用效果低于中剂量组,其机理可能是高锌的直接毒性作用,使ATP酶、核苷酸酶和碱性磷酸酶等含锌酶结构损伤,使肠道通透性增加,细胞代谢降低,机体免疫能力降低[26]。
3.3 枯草芽孢杆菌锌对先天性缺锌大鼠抗氧化能力的影响GSH-Px是机体重要的含锌酶,Cu-Zn SOD是锌依赖性酶,主要功能是防止机体过氧化,因此锌缺乏会影响GSH-Px和Cu-Zn SOD活性,从而降低抗氧化能力[27-28]。MDA是生物膜发生脂质过氧化的重要产物之一,其含量可间接反映细胞损伤程度。刘凤霞等[29]研究发现,随着饲粮中有机锌含量的增加,蛋鸡血清和肝脏中的Cu-Zn SOD活性提高,MDA含量下降。饲粮中添加不同形式的锌元素可提高动物血清Cu-Zn SOD活性,且添加有机锌的效果要优于无机锌。本试验研究发现,中、高剂量的枯草芽孢杆菌锌能够显著提高缺锌大鼠血清GSH-Px和Cu-Zn SOD活性,降低MDA含量,从而提高抗氧化能力,且中剂量作用效果更佳,优于硫酸锌组。出现这种结果的原因可能是中剂量枯草芽孢杆菌锌足以提高缺锌大鼠抗氧化能力,当添加更多剂量时,高锌的毒性作用阻碍了缺锌大鼠的营养利用以及转运,抗氧化能力降低,最终影响了生长发育[30]。
3.4 枯草芽孢杆菌锌对先天性缺锌大鼠生殖器官发育的影响性器官卵巢的发育和性激素的含量是衡量生殖功能的重要指标。FSH和LH均由垂体合成并分泌,主要作用是促进卵泡的生长发育,调节卵巢的分泌功能,能够反映卵巢的衰老。E2是体内主要由卵巢成熟滤泡分泌的一种天然雌激素,能促进和调节女性性器官及副性征的正常发育,E2的分泌可刺激子宫内膜的增生变厚,为受孕做准备。张莉等[28]研究发现,缺锌限制卵巢组织的发育,使卵泡形状不规则,衰减卵巢的正常功能;Egwurugwu等[31]和Gilabert等[32]发现锌影响性激素的分泌和性器官的发育,缺锌降低大鼠E2、FSH、LH的含量。梁建光[33]研究发现有机锌可以提高FSH、LH等性激素含量。本试验研究发现,低、中剂量的枯草芽孢杆菌锌能够促进缺锌大鼠的卵巢发育,使卵泡发育良好且卵泡膜层较厚,黄体、初级卵泡和次级卵泡等数量较多,血清E2、LH和FSH分泌增加,且作用效果优于硫酸锌。这表明一定剂量的枯草芽孢杆菌锌有助于缺锌大鼠卵巢的发育,且试验结果基本符合前人研究,但激素分泌含量上存在差异,可能与所选大鼠品种、饲粮配方、饲养方式以及饲养周期等有关。
4 结论枯草芽孢杆菌锌能够促进先天性缺锌大鼠的肝脏、卵巢等器官发育,提高机体的免疫性能和抗氧化能力,从而促进缺锌大鼠生理机能的修复,且其干预效果优于同等锌含量的硫酸锌,可以降低饲粮中锌的添加量。
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