牛、羊等反刍动物是重要的畜牧生产动物,在人类食品供应和农业发展中起着重要作用。N-氨甲酰谷氨酸(N-carbamylglutamate,NCG)是谷氨酸的衍生物,是一种新型饲料添加剂,被广泛应用于牛、羊的饲粮中,可提高其生产性能和免疫功能[1⇓⇓-4]。就饲料添加剂而言,已有研究表明NCG可以增加奶牛产奶量[5⇓-7],改善肉牛生长性能[8⇓-10],提高羊繁殖性能[11⇓-13],促进家禽生长发育和调节免疫功能[14⇓-16]。在药物治疗方面,一些学者还探究了NCG具有治愈人类高氨血症[丙酸血症(PA)和甲基丙二酸血症(MMA)][17-18]和改善常染色体隐性遗传疾病多重酰基辅酶A脱氢酶缺乏症的功效[19];另外,很多研究报道了NCG对牛的瘤胃菌群[20-21]、羊的肝脏功能[22⇓⇓-25]和作为抗氧化剂对动物应激反应的调节作用[25⇓-27]。本文旨在综述饲粮中添加NCG对牛、羊生长性能、免疫调节功能及繁殖性能等方面影响的研究进展,并探讨其在动物生产中的潜在作用,为应用NCG提高牛、羊的生产性能提供参考。
1 精氨酸(Arg)及其前体
Arg是一种多功能的半必需或条件性必需碱性氨基酸,是合成一氧化氮(NO)和多胺的前体物,在反刍动物的氮代谢、血液流动、养分利用、健康和生产(如产奶、繁殖和生长)中起着核心作用[28]。此外,Arg还在尿素生成和氨解毒方面发挥重要作用[29]。研究表明,Arg能够减轻母羊宫内生长受限胎儿(IUGR)[30-31]的代谢紊乱,并促进胎儿发育和哺乳动物新生儿的存活和生长[32⇓-34]。此外,L-精氨酸(L-Arg)已被证实具有保护肝脏免受脂质过氧化损伤的功能[35-36],并在调节炎症反应中起关键作用[37]。但由于Arg造价高,且在瘤胃中易降解,故并未在牛、羊生产中大量应用。因此,在参与尿素循环或增加Arg合成方面,其他化合物如瓜氨酸(Cit)和NCG也成为了当前研究的焦点。
2 NCG的作用机理和特点
N-乙酰基谷氨酸(N-acetyl glutamate,NAG)是一种内源性氨基酸衍生物,通过激活肝细胞和肠细胞线粒体中尿素循环途径的关键酶——磷酸氨基甲酰合成酶-1(carbamoyl phosphate synthetase-1,CPS-1),促进Arg的内源性合成[38]。然而,由于NAG容易水解,在瘤胃中易被降解,因此不适合大量用于Arg的内源性合成。NCG是结构类似且代谢稳定的NAG替代物[29,39-40],可替代NAG参与到动物体内尿素循环过程中(图1)。相比之下,NCG能更好地抵抗氨基乙酰化酶的水解作用。在瘤胃液中24 h内,Arg完全被降解,而NCG仅有17.8%被降解[41]。这使得NCG能够有效进入小肠,激活尿素循环途径,在小肠肠细胞和肝脏吸收后产生Arg、NO和多胺[42]。NCG作为廉价的Arg替代品[38],在动物妊娠期补充时,其效果优于瓜氨酸[34]。与Arg相比较,NCG具有半衰期长、降解率和添加量以及价格3方面都低,且不会与色氨酸、组氨酸等碱性氨基酸发生拮抗作用等优点[43⇓-45],同时还可以提高哺乳动物的生长速度、肌肉蛋白质合成、生殖效率和胎儿发育等其他优点,已经成为了畜牧业中一种具有应用前景的饲料添加剂[14,34,46]。NCG可以有效调节机体Arg代谢并改善其免疫、繁殖和生长性能。Mccoard等[42]综述了NCG在反刍动物生产中的应用和氮的利用效率,并强调了它在商业应用中的潜力。
3 NCG在牛、羊生产中的应用
3.1 NCG对牛、羊生长性能的影响
已有研究对NCG在牛、羊生长性能中的影响进行了细致的研究与总结。Sun等[31]在限饲妊娠母羊饲粮中添加2.5 g/(只·d)的NCG,添加时间为妊娠第35~110天,在妊娠第110天时处死妊娠母羊,取出胎儿测量其体重和器官重量,结果显示,NCG显著提高了限饲湖羊胎儿的脾脏、皱胃和小肠重量以及胎儿体重。此外,Zhang等[9]将40 mg/kg BW的NCG添加到体重为(490±29) kg的荷斯坦公牛的饲粮中,发现添加NCG可以提高平均日增重、干物质和粗蛋白质消化率,并降低料重比。这一结果与Ye等[47]、陈志龙等[4]的研究结果相符合。同时,饲粮中添加NCG还改善了荷斯坦公牛的屠宰性能,包括增加眼肌面积、剪切力和肉色亮度值,并降低了失水率,提高了熟肉率,从而改善肉品质。这一结果也与Zhang等[48]在肉鸡上的研究相吻合。另外有研究表明,在舍饲育成滩羊饲粮中添加0.2%的NCG,可显著提高舍饲滩羊的瘦肉率[49]。此外,Zhang等[2]在IUGR羔羊代乳剂中添加0.1%的NCG,可降低IUGR羔羊肠道细胞调亡数量,提高羔羊消化能力和健康程度,进而促进其生长。Li等[50]在体重为(478.0±13.7) kg的育肥荷斯坦公牛饲粮中添加15 g/d的NCG,饲喂期122 d,在饲喂结束时时,采集血液和瘤胃液,测定血清中胰岛素和胰岛素样生长因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)的浓度、瘤胃挥发性脂肪酸(VFA)的含量,收集直肠的粪便测定营养物质表观消化率,结果显示,添加15 g/d的NCG显著提高公牛血清中胰岛素和IGF-Ⅰ浓度、瘤胃VFA的含量,以及饲粮中粗蛋白质(CP)、酸性洗涤纤维(ADF)和中性洗涤纤维(NDF)的表观消化率。瘤胃VFA的含量的升高,可能是由于添加NCG通过改变公牛肠道微生物种群影响瘤胃发酵,提高饲粮中CP、ADF和NDF的表观消化率,从而提高了饲料效率和生长效率。还有研究表明,母羊饲粮中添加0.12%的NCG,可显著提高母羊后肠道有益菌株的丰度,通过调节母羊后肠道微生物群的组成来调节其后肠短链脂肪酸的含量[51]。综上所述,NCG的应用可以显著提高牛、羊的体重增长率和饲料转化率,并提高牛、羊的瘦肉率,改善肉品质。以上结果表明,NCG对牛、羊的生长性能具有积极影响,这使得其在牛、羊生产应用中具有广阔前景。NCG可能的作用机制是改善了牛、羊胃肠道功能,提高了营养物质消化率,提高了饲料转化率,同时,NCG能促进牛、羊体内生长激素的释放,共同对牛、羊的生长性能起到积极的促进作用。然而,对于NCG如何影响牛、羊瘤胃菌群结构,进一步影响瘤胃发酵,对肠道代谢微生物的影响机制,以及如何提高肠道有益菌株丰度等具体机制仍需进行深入研究和探索。
3.2 NCG对牛、羊繁殖性能的影响
NCG在牛、羊繁殖性能中的影响研究可以归纳为两大类。第1类研究主要集中在NCG对牛、羊繁殖性能表型影响。研究表明,NCG的补充可以显著提高牛、羊的繁殖性能[11,52-53],张俊丽等[11]在滩羊母羊饲粮中添加1.027 g/d的NCG可以显著提高繁殖率和产羔率,与蔡元等[52]在湖羊上的研究结果一致。汪建国等[53]在新疆褐牛种公牛饲粮中添加45 g/d的NCG,显著提高了新疆褐牛种公牛精液品质。还有研究在初产湖羊配种当天开始至妊娠38 d结束,饲粮中添加0.11%的NCG,结果显示,NCG的添加可增加妊娠母羊第38天胚胎和胎儿的存活数量,改善了母羊的繁殖性能[54]。以上研究结果表明,通过补充NCG可以积极地改善牛、羊的繁殖性能。第2类研究主要关注NCG的代谢途径和其对牛、羊繁殖性能的作用机制。Zhang等[55]在经产内蒙古白绒山羊配种当天开始至妊娠90 d时结束期间,给每只母羊每天摄入0.4 g的NCG,可有效增加内蒙古白绒山羊体内Arg家族氨基酸和生糖氨基酸浓度,并促进子宫内膜发育。同时也会改善胎儿棕色脂肪组织(BAT)存量并促进相关基因的表达,从而促进胎儿的早期发育。还有研究表明,NCG通过调节机体激素分泌来影响牛、羊繁殖性能[56]。此外,NCG对牛、羊繁殖性能的作用机制可能与细胞信号传导和基因表达调控有关[12,57-58]。除此之外,还有转录组学和代谢组学方面的研究发现,NCG对牦牛卵泡发育机制具有重要影响[59]。以上这些研究结果表明,NCG对牛、羊繁殖性能的作用机制可能是通过促进母畜的卵巢发育、卵泡发育和排卵,改善公畜的精液质量,提高受精率和妊娠率以及促进胚胎和胎盘的发育,提高出生仔畜的存活率和生长性能。此外,NCG还通过调节机体能量代谢、激素分泌以及基因表达水平等多种途径来影响牛、羊的繁殖性能,而这些效应可能与其他营养成分或者是其他生理过程相互作用。
虽然针对NCG在牛、羊繁殖性能中的影响已有大量的系统研究,但是目前还有很多方面尚需进一步探究。首先,在现阶段大部分试验都依赖于不同剂量下的NCG添加效果比较,而少有研究对其补充的时间和频次进行考察;其次,已有研究更多地采用实验室试验或模型模拟方法,而较少考虑实际生产条件下的因素;最后,当前大部分试验更偏向正向效应,而忽视其可能的负面影响。
3.3 NCG对牛、羊免疫功能的影响
3.3.1 NCG对牛、羊免疫功能的调节作用
3.3.2 NCG对牛、羊免疫功能的增强作用
3.3.3 NCG对牛、羊免疫应激的缓解作用
NCG对牛、羊免疫机能的影响机制可能是通过激活免疫相关信号通路,如NF-κB和TLR4通路,来调节多种免疫细胞的功能以及改善肠道菌群的结构和功能,增强肠道屏障的完整性;增加牛、羊体内免疫球蛋白的合成和释放,降低肝脏促炎细胞因子含量;调节牛、羊体内的抗氧化酶系统等共同影响牛、羊的免疫功能,尽管已有很多NCG对牛、羊免疫调节作用的报道,但与之相关的对其作用机理进行全面系统观点分析的研究仍然较少。因此,需要进一步深入探索其作用机制。
3.4 NCG对牛、羊泌乳性能的影响
已有研究对NCG在牛、羊泌乳性能中的影响进行了重要的探索。研究表明,在荷藏杂交奶牛饲粮中添加20 g/(头·d)的NCG,可显著提高其产奶量和乳固形物总量,降低瘤胃液中的氨态氮(NH3-N)浓度[62]。在荷斯坦奶牛泌乳中期饲粮中添加20 g/(头·d)的NCG,可显著提高奶牛试验第7天的产奶量[5]。杨梦蝶等[63]在泌乳中期荷斯坦奶牛饲粮中添加20 g/(头·d)的NCG,结果表明,添加NCG上调了与奶牛生产性能相关的基因表达,并影响尿素循环和氨基酸代谢通路,从而降低尿素氮排出并促进氮沉积以及蛋白质合成,进而提高了产奶量。这一结果与Wang等[64]在杂交山羊中的研究结果相似,即NCG可以改善牛、羊的泌乳性能,可能的原因是NCG可以促进合成乳汁所需的蛋白质和氨基酸的合成,从而影响泌乳性能。然而,在泌乳中期荷斯坦奶牛饲粮中分别添加10、20、40 g/(头·d)的NCG时,并未发现对泌乳中期奶牛的产奶量有任何影响,但却改善了乳品质,包括提高了牛奶中脂肪和蛋白质的含量。随着NCG添加量的增加,则线性增加了牛奶中的脂肪和蛋白质含量,这可能与NCG介导的更多内源性Arg合成有关[46],顾凤飞[65]的试验也得到类似结论,吴晓峰[6]、Liu等[66]学者亦证实NCG可以改善奶牛的乳品质。还有其他研究表明,在奶牛泌乳中期和泌乳高峰期饲粮中添加20 g/(头·d)的NCG都能提高奶牛的泌乳性能和氮利用率[7,63]。此外,还有研究表明,奶牛饲粮中添加40 g/(头·d)的NCG可提高原料乳中NCG和氨基酸的含量[67]。
综上所述,NCG的补充可提高牛、羊产奶量、改善乳品质,并增加氮利用效率,减少氨氮排放,对环境保护具有积极意义。NCG对牛、羊泌乳性能的影响机制可能是上调与奶牛生产性能相关的基因表达,通过影响尿素循环和激活磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)-蛋白激酶B(AKT)信号通路,降低尿素氮排出量,提高氮沉积量,促进蛋白质合成,进而提高合成乳汁所需要的蛋白质的含量以及提高牛、羊机体内Arg和NO浓度、改善氨基酸供应和利用、改善肝脏功能和提高饲料效率等共同影响牛、羊的泌乳性能。这些研究对NCG在牛、羊泌乳性能中的影响进行了重要的探索,但还有些领域值得研究,如饲养管理、饲粮营养配比以及NCG在乳制品生产中的潜在应用和效果评估等。通过探索这些问题,可以为NCG在牛、羊饲养管理和乳制品生产中的应用提供科学依据。
3.5 NCG对牛、羊抗氧化能力的影响
目前,普遍认为NCG对牛、羊抗氧化能力具有积极影响,有助于提高其生产性能和健康状况[9,25,61]。NCG的概念已从最初的单一营养物质补充,发展为多方面影响动物抗氧化能力的调节剂。其中,一些研究者认为NCG可以通过调节动物肠道菌群、抗氧化酶系统和能量代谢来影响其抗氧化能力[2,3,22,60]。而另一些研究者则认为NCG可以增强动物的抗氧化能力,减轻氧化应激对其造成的损害[9,25,61,68-69]。梳理已有研究,可以归纳为2种不同的观点。第1种观点认为NCG通过调节动物肠道菌群结构和代谢功能及肠道氨基酸组成,改善消化系统的健康状况[60,70]。例如,在荷斯坦公牛饲粮中添加15 g/(头·d)的NCG,可以改善公牛瘤胃及肠道微生物相对丰度,并促进有益菌群生长,降低有害菌群数量,从而提高营养吸收和消化效率[71]。此外,在夏洛莱羊和小尾寒羊杂交后代4月龄母羊饲粮中添加0.12%的NCG,可以通过影响肠道菌群代谢产物,调节微生物组成来进一步调节肠道机能与免疫功能,提升抗氧化能力与免疫力[51]。由以上结果可知,NCG可能通过影响肠道菌群与代谢产物,改善动物消化与免疫功能,并提高了其生产性能与抗氧化能力。第2种观点则认为NCG可以通过调节动物抗氧化酶系统和能量代谢,来增强其氧化稳定性和抗氧化能力[22,68-69,72]。有研究表明,NCG能够增强动物体内抗氧化酶活性,并减轻细胞在氧化应激下所遭受的损伤,从而提高动物的抗氧化稳定性[2-3]。此外,研究还发现,在IUGR羔羊代乳剂中添加0.1%的NCG可以通过调节羔羊的能量代谢途径来提高能量利用效率、改善线粒体功能并减少氧化产物生成,进而缓解了氧化应激对羔羊的影响[22]。同时,Zhang等[72]的研究结果显示,NCG可以增加IUGR羔羊血浆和空肠组织中NO浓度,改善小肠抗氧化能力以及调节机体氧化稳定性。此外,一些细胞和分子水平上的研究揭示了NCG对动物氧化过程具有调控作用[9,27]。总之,NCG既可以通过调节抗氧化酶系统,又可以通过调节能量代谢途径来综合影响动物的氧化稳定性和抗氧化能力。以上研究深入探讨了NCG对牛、羊氧化过程影响方面的研究成果,并为其应用与机制解释提供了有力支持。
NCG对牛、羊抗氧化能力的影响机制可能是通过调节牛、羊胃肠道菌群微生物的结构与代谢产物,如促进有益菌群生长,降低有害菌群数量以及通过NO信号通路增强牛、羊肠道功能,NO水平的升高提高了小肠的抗氧化能力,同时NCG可以提高肠道抗氧化因子谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和核因子E2相关因子2(Nrf2)的表达,共同调节牛、羊的抗氧化系统。然而,已有的研究更多关注NCG的补充剂量和不同动物生长阶段的应用,而较少关注NCG与其他营养物质的相互作用。同时,目前更多的报道集中在NCG对动物氧化的直接影响,而较少报道NCG 对动物生产性能和健康状况的综合影响。
4 基于不同的生产性能需求添加NCG的剂量选择策略
在提高奶牛产奶性能与氮利用率方面,目前的研究主要集中在15~40 g/d的NCG添加量范围内,且20 g/d 的NCG添加量取得了较为显著的效果。对于泌乳山羊而言,2 g/d的NCG添加量对产奶效果有明显改善;至于提高生长性能方面,在育肥牛研究中常使用20~80 mg/kg的NCG添加剂量,其中40 mg/kg的NCG添加量表现较好。然而,在哺乳羔羊和育肥羊中,则以100 mg/kg或0.1%为最佳选择;当考虑到提高母羊繁殖性能时,1 g/d或0.11%的NCG添加剂量效果较好。而对于公牛精液品质改善,则以45 g/d的NCG添加最为适宜。此外,在提升限饲母羊和IUGR羔羊的免疫机能与机体抗氧化水平方面,则以2.5 g/d和0.1%的NCG添加量效果最佳。目前的研究对于NCG添加剂量范围的确定仍存在较大差异,因此需要通过大量、系统、深入地研究进一步精确确定合适的NCG添加剂量。另外,对种公羊精液的影响、哺乳期母羊饲粮添加NCG对羔羊生长的影响以及对优秀母牛、母羊的超数排卵等方面的剂量研究还很欠缺。
5 小结与展望
NCG作为一种饲料添加剂,能够增加育肥牛、羊的日增重,改善肉牛、肉羊的屠宰性能,提高种公牛的精液品质,提高奶牛的产奶量、母羊的产羔率。然而,针对不同的动物品种、类别以及不同的生产性能需要如何准确地确定NCG添加剂量,尚还需要深入研究。牛、羊饲粮中长时间添加NCG,对动物的机体健康有何影响尚不清楚。鉴于此,还有很多方面仍需进一步开展相关研究。1)作用机制研究:进一步探索NCG对牛、羊体内氨基酸代谢途径的影响机制,并考察其对谷氨酰胺合成酶和尿素循环关键酶的调节作用。2)剂量效应研究:深入研究不同剂量NCG对牛、羊生产性能的影响,并确定最佳剂量范围,同时还可以探索不同生长阶段和品种对NCG剂量的反应差异情况,为实际应用提供更具体的指导。3)应用途径比较研究:比较口服、注射及添加于饲粮中等不同应用途径对牛、羊生产性能的影响,并评估吸收效果与经济效益,为决策提供科学依据。4)长期效果观察研究:进行长期观察研究,评估NCG在牛、羊生产中持续应用所带来的效果,包括其对机体健康、生殖性能及生产性能等方面影响。此外,还可以探索不同生产环境下的效果差异,以提高其实际应用的可靠性。5)安全性评估:进一步评估NCG在牛、羊身体内安全使用情况,包括潜在的药物相互作用与副作用等因素,将有助于确保NCG的安全应用,并提供相关的风险评估与管理措施,以最大限度地发挥其在牛、羊生产中的功能。通过进一步深入研究,我们可以更好地理解其作用机制、剂量效应和应用方式,从而为其在牛、羊养殖业中的实际应用提供科学依据,并为提高牛、羊生产性能和健康状况提供保障。
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