近年来,中国的肉鸽养殖规模逐年稳步增长,约占到全球份额的80%,鸽子已成为仅次于鸡、鸭、鹅之后的第四大家禽产品[1]。但是,由于美国、加拿大、英国和法国的乳鸽养殖量也在快速增长,中国乳鸽在全球份额的占比开始下降[2-3]。鸽子为晚成鸟类,刚孵化的乳鸽无法独立进食,种鸽会从嗉囊中逆呕鸽乳以口对口的方式喂养乳鸽,且雄鸽和雌鸽都产鸽乳[4-5]。对于大多数家禽来说,嗉囊起着临时储存食物的作用,但对于鸽子来说,嗉囊也是生产鸽乳的器官[6]。乳鸽7日龄内主要依靠鸽乳来获得营养,之后嗉囊中包含鸽乳与未消化完全的饲粮(图1),种鸽饲喂乳鸽直至28日龄左右出栏[7]。乳鸽在28日龄出栏时体重可达500 g左右,如此快速的生长速度可能与鸽乳中丰富的抗体和蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质等营养物质有关[8]。
1 鸽乳的营养成分
鸽乳是种鸽嗉囊分泌的白色或淡黄色伴有腐臭味的糊状物,因此又称嗉囊乳。鸽乳在乳鸽生长中起着不可或缺的作用,其主要由蛋白质和脂肪组成,同时含有一些矿物质、氨基酸及脂肪酸[14⇓-16]。研究表明,鸽乳中含有脱落的嗉囊上皮细胞,这可能在乳鸽生长中发挥特殊作用[17]。此外,有研究发现鸽乳中含有丰富的免疫球蛋白A(immunoglobulin A,IgA)、免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)等母体抗体及酸性磷酸酶(acid phosphatase,ACP)、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP),且种鸽的不同饲喂阶段和种鸽的饲粮组成会影响鸽乳成分[18-19]。这些信息可以为进一步研究人工鸽乳提供更准确的参考,以确保乳鸽获得足够的营养。
1.1 蛋白质和氨基酸
鸽乳中的游离氨基酸含量约占总氮含量的17.0%,研究表明,鸽乳中氨基酸部分来源于血浆中的游离氨基酸,它们被嗉囊细胞的摄取可能决于各种转运蛋白的效率。嗉囊细胞内氨基酸代谢活跃,为鸽乳中的非必需氨基酸(nonessential amino acid,NEAA)提供了重要来源[16]。此外,尽管雄性和雌性种鸽所产鸽乳中的氨基酸组成没有表现出差异,但参与氨基酸运输及合成的基因随着性别的不同而有显著差异,这表明在研究鸽乳形成机制时,应考虑氨基酸的代谢[16]。哺乳期第1周的鸽乳中必需氨基酸(essential amino acid,EAA)与NEAA的比例约为59∶41,因此有利于乳鸽对氮的利用,从而促使其生长发育[22]。在R3时鸽乳中含量最高的2种氨基酸是谷氨酸(14.96%)和天冬氨酸(9.7%),但在R3后含量下降,而同一时期蛋氨酸的含量为1.07%,并在哺乳第4~6天(R4-6)降至0.77%,大分子蛋白质也有同样的趋势[24]。缬氨酸、丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和赖氨酸等氨基酸的含量在哺乳第6天(R6)显著降低[22]。综上所述,哺乳期鸽乳中的蛋白质含量随哺乳日龄增加而逐渐降低。养分含量在R3内最高,此时的氨基酸比例最适合乳鸽消化利用。因此,在人工鸽乳生产中,应确保足够水平的CP、适宜的氨基酸种类及比例和关键生物活性因子。
1.2 脂肪
种鸽在孵化期间嗉囊组织中脂肪油滴的含量逐渐增加,通过油红O染色试剂盒检测种鸽嗉囊组织中脂滴的密度变化,发现开始孵化时嗉囊组织中仅有很少的红色脂滴,而在孵化第17天(I17)和哺乳第1天(R1)时急剧增加,在哺乳第7天(R7)后减少,乳鸽出栏时,脂滴几乎消失[25]。经检测发现,在R3最高,为37.65%,在R7逐渐下降至7.43%[26]。也有研究结果显示,在R3时鸽乳中脂肪含量高达38.16%,在R4-6降至32.97%[24]。哺乳第10天(R10)后,种鸽鸽乳中脂质含量逐渐降低到配方饲粮中的粗脂肪含量水平,且雄鸽嗉囊组织中脂肪酸转移酶、脂肪酸结合蛋白5和酰基辅酶A结合蛋白基因表达量在I17时最高,而雌鸽嗉囊组织中脂肪酸转移酶基因表达量在I14时最高,脂肪酸结合蛋白5和酰基辅酶A结合蛋白基因表达量在孵化第14天(I14)和R7时达到峰值[27]。张晓昀等[22]研究表明,鸽乳中含有14种脂肪酸,不饱和脂肪酸和油酸含量分别占总脂肪含量的73%和43%;随着乳鸽年龄的增长,鸽乳中棕榈酸和亚油酸的含量略有增加,而棕榈油酸、硬脂酸和油酸的含量下降。此外,有研究发现,在种鸽的饲粮中添加6%大豆油可以改善乳鸽的肠道形态,提高代谢率[28]。因此,在人工鸽乳的制备过程中添加适量的大豆油可能对乳鸽的生长产生积极影响。
1.3 矿物元素
鸽乳中富含多种必需矿物元素,这些矿物元素有助于乳鸽多种重要功能的发挥,其中包括高水平的钙(0.81%~1.55%)、磷(0.85%~1.04%)和钠(0.54%~0.79%),且在哺乳期含量相对稳定,这对乳鸽细胞的正常功能和骨骼发育至关重要[29]。同时,鸽乳中还含有铁、铜、锌、硒等微量矿物元素,但其含量会随着乳鸽日龄的增大急剧下降[1]。不同研究中泌乳期鸽乳的钙含量差异较大,Sales等[30]研究表明,在R3时鸽乳中钙、钾、镁和钠含量分别为0.81%、0.62%、0.08%和0.54%;而曾秋凤等[24]研究显示,此期间鸽乳中钙、磷和钠含量分别为1.34%、1.04%和0.79%。不同研究所得结果的差异可能与鸽子品种、饲料配方或其他因素有关,需要进一步研究证实。
1.4 微生物群
微生物群与其宿主具有复杂的共生关系,在宿主生理的许多方面发挥着重要作用,包括营养、代谢和肠道稳态。微生物群的早期定植可能对宿主产生长期影响,例如提供促进宿主生长发育、增强免疫功能的必需代谢产物[31-32]。哺乳动物的新生儿可以通过胎盘、羊水、阴道和母乳获得母体微生物群,鸽乳与哺乳动物乳相似,含有丰富的微生物群,可调节后代的菌群丰度及代谢,并促进其免疫系统发育[33⇓-35]。研究发现,嗉囊的微生物群多样性比小肠和直肠更为复杂,小肠和直肠主要菌群为乳杆菌属,而鸽乳中的优势菌属不仅包括乳杆菌属和双歧杆菌属,肠球菌属和韦氏菌属也有较高丰度[7,36]。早期断乳会导致乳鸽的生长速度较差,且断乳增加了乳鸽回肠放线菌门、拟杆菌门、蓝藻门和变形菌门的相对丰度,而厚壁菌门的相对丰度降低[37]。乳鸽R7内回肠微生物群的定植至关重要,大肠杆菌和乳酸杆菌定植有利于肉鸽的免疫功能[38]。近年来,一些研究试图开发功能性添加剂来改善乳鸽的生长性能,例如在种鸽饲粮中添加1%亚油酸增加了肠道丁酸弧菌等菌群的相对丰度[39];用2 mg蛋氨酸锌灌胃乳鸽增加了芽孢杆菌、乳酸杆菌、肠球菌和双歧杆菌的相对丰度,并改善了生长性能和免疫功能[40]。以上研究结果显示,乳鸽消化道中含有丰富的益生菌,表明在人工鸽乳中添加益生菌可能调节乳鸽的菌群结构及丰度,从而促进乳鸽的生长发育。
2 鸽乳合成中的组织学、激素及信号通路调控
2.1 嗉囊在泌乳过程中的组织学变化
种鸽嗉囊的生理特征和激素水平的变化与鸽乳的合成直接相关[41]。嗉囊是位于鸟类食管中部和下部的一种膨胀结构。研究发现,非泌乳期嗉囊与泌乳期嗉囊的外观完全不同,在非泌乳期,鸽子嗉囊为一层薄薄的上皮,为角质化、分层、鳞状细胞结构(图2-A);相反,种鸽在泌乳期时,嗉囊壁增厚,大小是非泌乳期嗉囊的2倍多,重量和厚度分别是非泌乳期的4.2倍和3.5倍(图2-B);这些变化在R3时达到最高水平,也是嗉囊乳汁分泌量最大的阶段,打开泌乳期的嗉囊可观察到鸽乳为一层紧密堆积的离散米状颗粒,这些颗粒与组织的黏膜表面紧密相连(图2-C),而非泌乳期的嗉囊是未分化的,周围血管较少[6]。泌乳期种鸽的嗉囊由黏膜肌层、黏膜下层和固有层组成,黏膜肌层是一层厚厚的平滑肌纤维,黏膜下层含有疏松的血管和神经结缔组织,肌膜由带外膜的平滑肌纤维组成,而固有层有疏松的结缔组织,在食管近端约2/3的区域有许多大的导管腺[41]。腺体是黏液腺和浆液腺的混合物,具有囊状外观;腺细胞的特征是具有丰富的细胞质,嗜碱性较弱,颜色柔和,泡沫状[19]。
2.2 激素在鸽乳合成中的调控
激素与禽类的繁殖性能密切相关。研究表明,催乳素是促进脊椎动物生殖期孵化行为的主要激素,在鸽子的繁殖周期中同样发挥至关重要的作用,在求偶和早期孵化期间血浆中催乳素浓度较低,但在孵化第7~15天(I7-15)期间嗉囊快速增殖,催乳素浓度显著增加,并且在R4内一直保持上升,但随着嗉囊逐渐退化而下降[42]。也有研究显示,当嗉囊增殖、合成分泌鸽乳时催乳素浓度较高,而在孵化开始时催乳素的分泌并没有像母鸭、母鸡等其他禽类那样增加[43]。种鸽血清催乳素的这些变化可能与孵化过程中蛋或巢提供的触觉和视觉刺激、种鸽垂体中催乳素的表达量增加有关,也可能与钙结合蛋白膜联蛋白I有关[44]。有研究发现,鸽子的催乳素浓度在R1时达到峰值(雄性2.29 ng/mL,雌性1.54 ng/mL),嗉囊组织中催乳素受体mRNA丰度在I17时达到峰值[45]。催乳素至少通过2种机制发挥促进嗉囊增殖及泌乳作用,一是对嗉囊的直接影响,使嗉囊黏膜上皮对结缔组织生长因子的促有丝分裂作用敏感;二是增加该因子的产生,之后催乳素与该因子协同作用促进嗉囊黏膜细胞的增殖[46],同时,当催乳素与受体结合时,诱导了嗉囊脂质的合成,促进了嗉囊发育和鸽乳生产[47]。在哺乳动物中有关催乳素调控功能的研究较多,而对鸽子催乳素功能和机制的研究较少。
2.3 影响鸽乳合成的分子调控机制
尽管鸽乳合成与分泌的分子生物学机制研究还不清晰,但有研究表明,雷帕霉素靶蛋白复合物1(target of rapamycin complex 1,TORC1)信号通路与鸽乳分泌存在联系,TORC1是连接细胞代谢和生长的调节剂,TORC1磷酸化调节真核翻译起始因子4E(eukaryotic initiation factor 4E,eIF4E)结合蛋白1(eIF4E-binding protein,4EBP1)翻译,并决定核糖体蛋白S6(ribosomaiprotein S6,S6)的S6激酶1(S6 kinase 1,S6K1)依赖性磷酸化水平[49]。哺乳期种鸽的血清催乳素和胰岛素浓度显著高于非繁殖种鸽,S6K1、4EBP1和eIF4E蛋白的磷酸化水平在哺乳期均上调[41]。另一项研究表明,甲磺酸溴隐亭注射液显著抑制催乳素受体/Janus激酶2(Janus kinase 2,JAK2)/信号传导及转录激活蛋白5(signal transducer and activator of transcription 5,STAT5)途径,导致鸽乳中蛋白质和氨基酸含量降低,进而造成乳鸽生长受限[15]。以上研究表明,种鸽泌乳期间胰岛素通过激活雷帕霉素靶蛋白(target of rapamycin,TOR)信号通路,参与嗉囊乳蛋白的合成。
繁殖期母鸽大脑较非繁殖期时表现出催乳素诱导的STAT5高磷酸化水平,推测JAK2-STAT5信号通路也参与调节鸽的繁殖行为及鸽乳的合成[50-51]。研究表明,在种鸽泌乳期间,催乳素受体、JAK2和STAT5蛋白表达水平增加,而注射甲磺酸溴隐亭(一种催乳素特异性抑制剂)抑制了JAK2-STAT5信号通路,嗉囊相对重量、鸽乳中蛋白质含量和乳鸽体重降低,并且乳鸽的死亡率随着甲磺酸溴隐亭浓度的升高而增加[15];同时,该研究还发现,饲粮中添加0.3%的蛋氨酸可以提高种鸽血清催乳素浓度,上调催乳素受体、JAK2和STAT5的蛋白表达水平,并改善乳鸽的生长[15]。此外,饲粮中添加0.15%或0.45%亮氨酸可显著提高种鸽嗉囊组织中TOR、S6K1、S6、4EBP1和eIF4E的蛋白表达水平[20]。然而,亮氨酸是否直接与胰岛素或TORC1结合,还需要进一步研究。因此,不同的氨基酸可能通过不同的信号通路促进鸽乳的合成(亮氨酸激活TORC1信号通路,蛋氨酸激活JAK2-STAT5信号通路),而具体机制尚不清楚。
除了TORC1和JAK2-STAT5信号通路外,KEGG富集分析表明,AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)信号通路也参与了鸽子的生长,在孵化期雄鸽嗉囊组织中AMPK活性高于乳鸽饲养期[52]。此外,微小RNA(microRNA,miRNA)相关的内源竞争RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)调控网络在嗉囊组织生长和鸽乳合成中发挥重要作用,研究显示,miR-20b-5p、miR-146b-5p、miR-21-5p、miR-148a-3p、miR-10a-5p、miR26a-5p和miR-26b-5p是哺乳期嗉囊中的关键miRNA[53-54]。
综上所述,催乳素和胰岛素等激素在鸽子孵化和哺乳初期发挥关键作用。鸽乳在功能上与哺乳动物乳相似,但合成及分泌组织不同,其调控机制可能不同。因此,调控鸽乳合成及分泌的分子机制需要进一步研究。
3 种鸽饲粮对鸽乳合成的影响
与其他家禽类似,鸽子的饲粮中也需要额外补充赖氨酸、蛋氨酸、精氨酸和亮氨酸等必需氨基酸。然而,由于缺乏种鸽氨基酸需要量的研究,在配制种鸽饲粮时氨基酸需要量经常参考鸡的饲养标准[56]。饲粮中的氨基酸对泌乳动物的生产性能有显著影响,添加必需氨基酸可以发挥最大生产潜力。研究表明,在哺乳期动物饲粮中添加亮氨酸、赖氨酸或蛋氨酸可以促进乳蛋白合成并增加乳汁分泌量[15,57-58]。亮氨酸对种鸽乳中蛋白质的合成和分泌有促进作用。研究表明,饲粮中添加0.45%亮氨酸可以有效促进鸽乳分泌,减少种鸽在孵化期和哺乳期的体重损失,提高乳鸽的平均日增重和胸肌百分比[20]。蛋氨酸也是哺乳动物的限制性氨基酸,其含量直接影响乳蛋白的合成。研究发现,在基础饲粮中添加0.30%蛋氨酸或0.30%蛋氨酸二肽显著增加了鸽乳的CP含量,并降低了种鸽在哺乳期的体重损失[15];同时,饲粮中添加蛋氨酸还改善了乳鸽的屠宰性能及肉品质,且蛋氨酸二肽的效果优于蛋氨酸[59]。但应注意的是,添加高剂量的氨基酸会对上述指标产生负面影响[20]。在种鸽饲粮中添加0.45%亮氨酸或0.30%蛋氨酸可显著提高鸽乳中CP、αs1酪蛋白、αs2酪蛋白和β-酪蛋白含量,改善乳鸽的生长及屠宰性能[20,59]。因此,应保证种鸽饲粮中含有足够的蛋白质、各类氨基酸以满足营养需求,减少哺乳期的体重损失,确保鸽乳的合成及分泌,从而改善乳鸽的生长发育。
4 小结与展望
鸽乳中含量丰富的蛋白质、脂肪、矿物元素等营养物元素及微生物群,是乳鸽健康高效生长的关键,应保证种鸽饲粮中含有足够的能量、蛋白质及各类氨基酸,以确保鸽乳质量。然而,鸽乳的合成和分泌过程以及参与调控的分子机制仍处于探索阶段。目前的研究认为,鸽乳的合成与哺乳动物乳类似,受催乳素和胰岛素激活的信号通路的调节,如JAK2-STAT5和TORC1信号通路。然而,与哺乳动物不同的是分泌鸽乳的嗉囊没有腺体。因此,鸽乳具体的合成分泌机制还需进一步研究和验证。今后的研究应利用蛋白质组学和代谢组学等现代生物分析技术来筛选鸽乳中关键的生物活性因子,并全面分析鸽乳的组成及含量,从而生产出满足需求的人工鸽乳,促进肉鸽产业的发展。
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