γ-氨基丁酸(GABA)是一种广泛分布在动植物体内的非蛋白质氨基酸,亦是中枢神经系统中重要的抑制性神经递质[1-2],在人体内具有重要的生理功能,包括降低血压[3]、改善睡眠质量[4]、抗焦虑[5]、减轻身体压力和身体疲劳[6]等。然而,GABA并不局限于人体健康领域的应用。研究发现,GABA能够改善动物的生长性能和健康状况[7⇓⇓⇓⇓-12]、提高动物抗应激能力[13]、抗氧化能力[14]、调节胰岛代谢和肝脏功能[15-16]等,从而提高机体对环境胁迫的适应力,降低疾病的发生。通过合理添加GABA或调控其水平能够提高动物的抗逆能力、免疫功能以及生长性能。GABA在提高动物产品的质量、产量以及改善养殖效益等方面发挥着重要作用,这为养殖行业的生产和可持续发展提供了新的手段和思路。本文就国内外研究现状总结了GABA的生物学功能及其在猪、禽、反刍动物、水产动物养殖中的应用研究进展,以期为GABA在动物生产中应用提供参考。
1 GABA的结构及其生物学功能
GABA的化学式为H2N(CH2)3COOH,相对分子质量103.2,熔点195~204 ℃,为白色结晶性粉末,易溶于水,微溶于乙醇、丙酮,不溶于苯、乙醚等有机物,无旋光性,在动植物体内和微生物中广泛存在。GABA能够通过与神经元上的GABA受体结合,产生抑制性突触后电位,进而减少神经元的兴奋性,这种抑制作用有助于维持神经系统的稳定性和平衡性。GABA在中枢神经系统中起着至关重要的作用,具有重要的生物学功能,包括促进食欲、改善肠道功能、调节胰岛代谢和肝脏功能、增强免疫功能、提高抗氧化能力、缓解环境应激等。
1.1 促进食欲
GABA在促进动物生长过程中并不能直接发挥促生长作用,而是以抑制性神经递质介导中枢反应,促进甲状腺激素(TSH)分泌调节和食欲神经肽Y(NPY)的释放来促进食欲[17-18]。NPY和胃促生长素(Ghrelin)是控制食欲的神经元,动物下丘脑中的NPY-GABA相互作用控制摄食。Wu等[19]在草鱼(Ctenopharyngodon idella)幼鱼饲料中添加GABA,结果显示GABA能够显著促进脑内NPY和Ghrelin的mRNA表达。Yuan等[20]研究发现,注射Ghrelin可增加草鱼幼鱼的采食量并促进NPY的mRNA表达,GABA可通过上调NPY和Ghrelin基因的表达增加的采食量和饲料利用率,进而提高生长性能。彭思博[21]研究发现,乌鳢(Channa argus)饲料中GABA适宜添加量为60~120 mg/kg,且添加GABA后其肠道消化酶活性、血清NPY水平、脑和肠道NPY基因表达水平显著升高,血清、脑和肠道瘦素(Leptin)基因表达水平显著下降;同时,通过急性脑部注射GABA检测脑部食欲相关基因,发现GABA可显著上调脑部NPY基因表达水平和下调Leptin基因表达水平,表明GABA可改善乌鳢的食欲。谢爽等[22]研究发现,在翘嘴鳜(Siniperca chuatsi)饲料中添加一定量的GABA能促进食欲,而注射GABA和GABA-A受体拮抗剂荷包牡丹碱后,GABA-A受体拮抗剂抑制GABA与其受体结合,从而抑制翘嘴鳜采食。黄东等[23]研究发现,在饲料添加GABA可刺激鳜下丘脑刺鼠基因相关蛋白(AgPR)/NPY神经元产生神经肽,增加食欲;给鳜注射125 μg/尾GABA后,鳜摄食量在2 h内显著增加,侧脑室内AgRP和NPY的mRNA表达水平上调,可卡因-苯丙胺调节转录肽(CART)、阿片促黑色素原(POMC)和瘦素受体(LEPR)的mRNA表达水平下调。因此,GABA可能通过Leptin信号通路机制来调节动物食欲,进而控制其摄食量。张聪[24]研究发现,中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)幼蟹饲料中添加GABA后,中枢神经内NPY表达水平显著上调,而LEPR、胆囊收缩素(CCK)和胆囊收缩素受体(CCKR)在脑神经节、胸神经节和肠道中的表达水平显著下调,GABA通过促进食欲肽释放和抑制厌食因子提高中华绒螯蟹的食欲,推测GABA可能参与了饱腹感回路,通过调节食欲促进信号和食欲抑制信号来影响食物摄入。综上所述,GABA在促进动物生长过程中通过调节中枢神经系统中的食欲调节网络来发挥作用。它通过影响NPY、Ghrelin等食欲相关神经肽的表达以及Leptin信号通路和饱腹感回路来调节食欲和摄食。这些研究对动物食欲调节机制提供了新的视角,并为通过营养调控改善动物生产性能提供了新的策略。
1.2 改善肠道功能
肠道是营养物质消化吸收的场所,同时它也是免疫器官[25]。李佳佳等[26]研究揭示,肠道菌群产生的GABA通过调控神经系统(脊神经、迷走神经)、循环系统[血脑屏障、血液代谢、下丘脑-垂体-肾上腺皮质(HPA)轴]、黏膜免疫[免疫细胞因子白细胞介素-17(IL-17)]、肠道菌群(乳酸菌、大肠杆菌)等作用于机体。给内脏疼痛的大鼠补充齿双歧杆菌(B. dentium)后肠道微生物产生的GABA与肠道痛觉感受器上的GABA-A受体结合及直接激活背部神经节(DRG)神经元上的GABA-B受体,有效抑制肠道感觉神经元兴奋性,降低DRG敏感性,从而减轻痛感。肠道菌群产生的GABA作为生长因子,可以促进某些细菌的生长,如脆弱拟杆菌产生的GABA能提供瘤胃球菌科革兰氏阳性细菌(如KLE1738)生长所需的能量和碳源;添加产GABA的植物乳酸杆菌到饮水,能优化肠道菌群,增强肠道的免疫防御能力[27]。脆弱拟杆菌等GABA产生菌能黏附在肠道上皮细胞上,为肠道提供保护,并通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mTORC1)-p70核糖体蛋白S6激酶1(S6K1)信号通路,增加IL-17的产生,增强免疫反应,抵御病原体。饲粮中适量添加GABA可增加空肠绒毛长度,促进肉鸡生长[28]。Zhong等[29]在黄羽肉鸡上的研究显示,饲粮中添加100 mg/kg GABA能够增加空肠绒毛长度、绒毛长度与隐窝深度比值,使回肠的绒毛排列更加紧密,促进肠绒毛发育,减轻肠道损伤。李秀丽等[30]在西门塔尔杂交牛上的研究发现,GABA在中枢神经介质作用下减少CCK分泌,同时抑制胃膨胀和饱和中枢,促进胃酸和消化酶的分泌,增强了营养吸收并提高了西门塔尔杂交牛的生长性能。Mei等[31]在断奶仔猪上的研究发现,饲粮中添加30 mg/kg GABA能有效抑制肠上皮细胞的凋亡,改善肠绒毛完整性,并降低仔猪腹泻率。Chen等[32]通过盲肠微生物组16S rRNA测序分析,发现饲粮中添加GABA可促进肉鸡肠道中拟杆菌门相对丰度的增加,降低了厚壁菌门/拟杆菌门的比例,从而改善了肠道菌群结构组成,进而改善肠道功能。因此,GABA能够在中枢神经介质作用下促进消化酶的分泌、抑制肠细胞凋亡、改善肠道形态和菌群结构。
1.3 调节胰岛和脂肪代谢
胰岛素主要作用于促进肝脏、肌肉和脂肪组织中的合成代谢,调节体内蛋白质、糖类和脂肪三大营养物质的储存和利用[33-34]。胰岛促进机体吸收和利用葡萄糖,加速葡萄糖转化为糖原,抑制糖异生,促进脂肪酸、蛋白质的生成,同时抑制脂肪酶的活性[35]。胰岛素缺乏时,血糖水平升高,如超过肾糖阈值,会引起糖尿病,还会造成脂肪代谢紊乱,加速脂肪酸在肝脏内氧化,生成大量酮体,处理不及时会引起机体酮血症与酸中毒。GABA通过与GABA-A受体和GABA-B受体2种受体结合调节胰岛代谢[36]。在外周器官中,胰腺中的GABA浓度最高,GABA与GABA-A受体结合,诱导细胞膜超极化作用,抑制胰高血糖素分泌[37]。GABA与GABA-B受体结合后,诱导细胞膜去极化作用,从而促进胰岛素的分泌[38-39]。Jin等[40]在小鼠的试验中发现,GABA通过激活蛋白激酶A(PKA)磷酸化和上调脂解酶的表达来增加白色脂肪组织(WAT)中的脂肪分解,诱导编码过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)、过氧化物酶体增殖受体γ辅激活因子-1α(PGC-1α)、PRDM16(pr domain-containing 16,棕色脂肪细胞分化过程的重要转录因子)和解偶联蛋白1(UCP1)的褐变蛋白的表达,最终诱导UCP1在线粒体内将燃料氧化与ATP合成解耦联,把底物氧化产生的能量转化为热能,以此促进棕色脂肪产热,帮助机体抵御寒冷,并改善肥胖以及相关代谢紊乱。在对小鼠胚胎成纤维细胞(3T3-L1脂肪细胞)中进行体外脂质代谢分子机制分析的研究中发现,GABA处理的3T3-L1脂肪细胞中,脂解蛋白和褐变蛋白的表达水平显示出GABA剂量依赖性的显著上调[41],GABA能够通过促进高能量饮食(HFD)喂养肥胖小鼠的WAT褐变促进能量消耗,GABA降低了参与脂肪生成的蛋白的表达水平,并促进抗肥胖作用的3T3-L1脂肪细胞的脂肪分解和产热,通过抑制或生成脂肪来调节脂质代谢。Chen等[32]在肉鸡饲粮中添加GABA后,体内的脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)、脂蛋白脂肪酶(LPL)、PPARα和肉毒碱棕榈酰基转移酶1A(CPT1A)的表达水平上升,降低了厚壁菌门/拟杆菌门的比例,而厚壁菌门/拟杆菌门的比例与血清肝脏甘油三酯(TG)含量呈负相关,与短链脂肪酸含量呈正相关。PPARα和CPT1A是控制脂肪酸β氧化的关键介质[42],ATGL和LPL表达水平降低可增加血清TG含量,减少肝脏脂肪过度沉积[43]。由此可见,在胰岛代谢中,GABA通过抑制胰高血糖素分泌和促进胰岛素分泌调节血糖水平并维持能量供应的稳定;在脂肪代谢调节中,GABA通过促进脂肪分解、调节脂肪酸β氧化,来储存和利用多余的能量。GABA在胰岛和脂肪代谢这2个过程中都发挥了重要作用,表明它在维持机体代谢平衡中扮演着不可或缺的角色。
1.4 增强免疫功能
动物的免疫系统是一种复杂的生物防御系统,用于保护机体免受感染、疾病和其他有害因素的侵袭,同时维护组织和器官的健康。细胞免疫由T淋巴细胞介导,体液免疫由B淋巴细胞介导[44]。哺乳动物的血清、组织液、淋巴液和外分泌液中的免疫球蛋白介导免疫反应,免疫球蛋白G(IgG)是动物机体发挥免疫功能的关键免疫球蛋白,占血液总免疫球蛋白的75%[45]。GABA可通过中枢神经递质介导胃肠道中的生长抑素(SST),促进免疫球蛋白和促胃液素的分泌,从而提高机体的免疫力[46]。杨兵等[47]研究发现,在断奶仔猪饲粮中添加60 mg/kg GABA增加了血清中免疫球蛋白A(IgA)和IgG含量,从而提高了断奶仔猪的免疫能力。Gilardi等[48]开展了小鼠接种卵清蛋白的试验,发现GABA通过激活B淋巴细胞促进抗炎巨噬细胞表型增加并抑制T淋巴细胞毒性,从而增强抗炎反应。陈茜等[49]通过细胞免疫荧光和双荧光素酶检测发现,GABA-B受体能降低脂多糖(LPS)诱导的肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素-6(IL-6)的释放,通过激活GABA-A受体抑制核因子-κB(NF-κB)的核转移,降低其活性和炎症因子产生,最终发挥抑制炎症的作用。Cheng等[50]在泌乳母牛饲粮中添加0~120 mg/kg GABA,结果发现,随着GABA添加量的增加,血清IgA和IgG含量以及CD4和CD8 T淋巴细胞比例呈线性增加,而白细胞介素-4(IL-4)、IL-6、白细胞介素-10(IL-10)和TNF-α含量显著下降,表明了GABA可以显著提高泌乳母牛的机体免疫力,减轻炎性反应。Chen等[51]在建鲤(Cyprinus carpio var. Jian)饲料中添加不同水平的GABA,结果发现,随着饲料GABA添加量的增加,头肾和脾脏中溶菌酶(LZM)和AKP活性以及一氧化氮(NO)含量呈上升趋势,GABA添加量为60~90 mg/kg时,LZM活性显著增加;GABA添加量为90~150 mg/kg时,AKP活性和NO含量显著增加,表明GABA可以刺激鱼体的免疫系统。因此,GABA可通过中枢神经递质介导胃肠道中的生长抑素,增加免疫球蛋白含量、抑制炎症因子产生,激活B淋巴细胞、抑制T淋巴细胞毒性,在增强机体非特异性免疫方面发挥重要作用,其多种作用机制已被揭示。今后需要加强GABA在免疫系统中作用的研究,以进一步揭示其在调节机体健康与疾病中的作用,并为相关疾病的治疗提供新的思路和方法。
1.5 提高抗氧化能力
活性氧(ROS)是生物体内正常代谢过程产生的极具活性的氧化分子,是有氧呼吸和新陈代谢中的关键角色[52]。在正常生理状况下,生物体内ROS的产生和清除过程处于动态平衡状态,以确保细胞和组织的健康功能。但在复杂的环境情况下(高密度饲养、运输转运、冷热交替等)极易发生氧化应激[53-54]。抗氧化酶可起到氧化还原平衡作用,包括谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和超氧化物歧化酶(SOD)。SOD是细胞体内的抗氧化的第1道防御线,通过与超氧阴离子结合转化为过氧化氢(H2O2)和氧分子(O2),减少氧化应激和氧自由基引起的损害[55]。丙二醛(MDA)是脂质过氧化的最终产物之一,且具有细胞毒性。在生物体内,ROS作用于脂质发生氧化反应,在体内引起蛋白质、核酸等大分子交联聚合,在体外影响线粒体呼吸链复合物及关键酶活性[56]。在饲粮中添加GABA可显著提高生长育肥猪血清SOD和GSH-Px活性,降低MDA含量,GABA还可通过NF-κB通路促进抗氧化酶分泌和减少ROS产生,从而提高抗氧化能力[9]。GABA显著减少H2O2诱导的ROS的形成,抑制H2O2诱导的NF-κB和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3(Caspase3)信号激活,同时在H2O2的胁迫下,GABA还可以调节Keleh样环氧氯丙烷相关蛋白1(Keap1)-核因子E2相关因子2(Nrf2)和Notch1信号通路,维持体内氧化还原平衡[57]。Bi等[58]在育肥猪饲粮中添加30 mg/kg GABA后显著提高了血清GSH-Px活性,降低了MDA含量,从而增加了其抗氧化能力。Yuan等[59]研究显示,在妊娠母猪饲粮中添加GABA,血清中总抗氧化能力(T-AOC)、总超氧化物歧化酶(T-SOD)和GSH-Px活性显著增高,MDA含量降低。Liu等[13]研究发现,在妊娠母猪饲粮中添加GABA能够通过增强体内抗氧化酶活性和上调Nrf2和GABA-A受体π亚基(GABRP)基因表达缓解氧化应激,从而减轻氧化损伤,增强其抗氧化能力。Wu等[60]在草鱼幼鱼饲料中添加100 mg/kg的GABA,肝胰腺的GSH-Px、SOD活性和T-AOC显著增加,MDA含量显著下降。Cheng等[50]在哺乳期奶牛饲粮中添加不同水平的GABA,结果显示,随着GABA添加量的提高,血清SOD、GSH-Px活性和T-AOC显著增加,MDA含量显著下降,表明GABA可以提高机体的抗氧化能力。杨昌沛等[61]以荣昌仔猪为试验对象,在饲粮中添加100 mg/kg GABA,发现GABA能使仔猪血清还原型谷胱甘肽(GSH)含量和T-AOC提高,MDA含量降低,对改善氧化应激作用明显。丁亚南等[62]在妊娠母猪饲粮中添加100 mg/kg GABA,在妊娠40 d时和分娩时血清SOD、过氧化氢酶(CAT)活性显著提高,分娩时H2O2含量显著下降,分娩前后血清IgG和IgM含量有所提高,表明GABA能提高组织抗氧化酶活性,维持机体氧化还原平衡。GABA能够通过NF-κB通路促进抗氧化酶分泌和减少H2O2诱导的ROS形成,还可以调节通过Keap1-Nrf2和Notch1信号通路维持体内氧化还原平衡。但GABA调节抗氧化相关信号通路的具体机制、GABA与其他抗氧化剂之间的相互作用关系等都需要进一步研究。
1.6 缓解环境应激
在应激状态下,机体内分泌系统失调紊乱,导致机体对营养物质的吸收能力、生产性能、免疫力等方面受到影响[63-64]。应激影响动物生产性能的2种途径:一是激活HPA轴和抑制性神经系统;二是降低血液中三碘甲腺原氨酸(T3)、四碘甲腺原氨酸(T4)和胰岛素的含量,从而影响营养物质合成代谢过程[65-66]。GABA通过调节动物HPA轴中的促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)神经元来发挥作用,从而缓解动物的应激反应[67]。Ncho等[68]在17.5胚龄时给胚蛋注射0.6 mL浓度为0.1 g/mL的GABA,在28~31日龄进行循环热应激试验,结果显示,GABA显著增加了31日龄肉鸡血浆中T-AOC、GSH-Px活性、热休克蛋白(HSP)90含量,降低了血浆中皮质酮含量,从而缓解了热应激。Chen等[69]在肉牛饲粮中添加瘤胃保护剂(RP-GABA)联合中草药用药,结果显示,血液中HSP27、HSP60、HSP70、HSP90的mRNA表达水平均显著提高,营养物质的消化率增加,从而有效缓解热应激。杨昌沛等[61]研究发现,氧化应激会诱导仔猪海马组织受伤,高浓度的GABA能够上调B淋巴细胞瘤-2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)表达,下调Bcl-2相关X蛋白(Bax)、Caspase-3表达,缓解海马组织的氧化应激。Fathi等[70]研究发现,100 mg/kg GABA显著降低了热应激肉鸡十二指肠、空肠和回肠黏膜中MDA以及血清中IL-10和IL-6的含量,增加了血清中谷丙转氨酶(ALT)、谷草转氨酶(AST)和碱性磷酸酶(AKP)的活性,表明GABA能有效缓解热应激对肉鸡的负面影响。Guo等[71]以晋江黄牛为试验对象,在饲粮中添加16 mg/kg GABA,血浆中总蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、葡萄糖(GLU)、T3、T4含量和SOD活性显著升高,尿素氮(UN)和MDA含量降低,在应激状态下甲状腺激活受到抑制,GABA通过提高血浆中T3和T4含量来平衡体温,增加基础代谢,减轻氧化应激损伤。Wang等[11]研究发现,在氨应激试验中,饲料中添加90~150 mg/kg GABA时,大口黑鲈(Micropterus salmoides)肝脏中GSH含量升高,MDA和NO含量下降,鳃、脑和肾脏组织损伤和炎症反应减少。闫峰宾等[72]研究发现,在鲫鱼(Carassius auratus)运输前饲料中添加50 mg/kg GABA,可以缓解运输应激导致的血清COR、GLU、TP含量和AKP活性的增加,从而减少应激损伤,表明GABA具有抗运输应激作用。Li等[73]研究发现,饲料中添加160 mg/kg GABA可通过调节NF-κB信号传导来调节细胞因子产生,改善了高豆粕饲料应激导致的大菱鲆(Scophthalmus maximus L.)生长障碍,有效缓解了高豆粕饲料应激诱导的肠细胞凋亡、肠道组织病坏,减少了炎症反应,逆转了肠道菌群失调。Liang等[74]在乌贼(Sepia esculenta)的饲料中添加80~100 mg/kg GABA,其显著提高了在氨胁迫下乌贼的抗应激能力,减少了氨氮对肝脏组织的损伤,保证了体内氨氮解毒代谢反应的有序进行,缓解了氨中毒。Zhang等[75]在中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)饲料中添加GABA后,可显著提高禁食应激中华绒螯蟹血淋巴中GLU含量、肝胰腺中抗氧化酶(GSH、T-SOD、CAT)活性和肝胰腺中糖原含量,并降低了肝胰腺中酸性磷酸酶(ACP)和AKP活性,表明GABA可以改善禁食应激下中华绒螯蟹的糖代谢和免疫功能。Li等[76]研究发现,GABA对天平洋牡蛎(Crassostrea gigas)的天然免疫反应具有抑制作用,并在牡蛎体内进行动态调节,以调节机体的过度反应,维持机体的稳态,在LPS刺激后GABA能够显著下调促炎性细胞因子的mRNA表达水平,调节免疫效应因子的mRNA表达水平,并影响细胞吞噬率。GABA通过多种途径发挥其抗应激作用,调节HPA轴的激素分泌、增加血浆中抗氧化酶的活性、调节免疫相关细胞因子和酶的活性、调节血浆中T3、T4、GLU的含量等,维持机体应激状态下的能量代谢、体温调节和抗应激;在细胞水平,GABA通过调节凋亡相关蛋白(如Bcl-2、Bax、Caspase-3)的表达,减少应激导致的细胞损伤和坏死。不同动物对应激的敏感性和对GABA的响应可能存在差异,因此,在实际应用中需要根据动物的种类、生长阶段和应激类型等因素优化GABA的添加剂量和方式。
2 GABA合成与代谢途径
GABA在生物组织中的含量极低,从天然生物体中提取足够的GABA以满足应用需求具有挑战性。因此,研究者们转向了化学与生物领域,寻求更高效的、可行的合成方法。目前生产GABA常用的3种方法分别是化学合成法、微生物发酵法以及植物富集法。化学合成法在生产应用中受到局限性,涉及使用具有潜在危险的有毒化学试剂,且反应条件往往较为苛刻。此外,化学合成法的成本相对较高,产率较低,还可能导致最终产品中含有化学残留物,从而引发食品安全和药品质量的问题。因此,化学合成法并不适用于食品、药品等对人类健康有严格要求的领域。微生物发酵发法的技术核心是通过精心筛选,找到性能优良、稳定、产量高且安全无害的菌种来生产GABA,这种方法不仅降低了成本,还提高了产量和效率,同时确保了产品的安全性。目前,这一技术已经逐渐向产业化生产过渡,展现出巨大的潜力和前景。植物富集法是一种创新的合成萃取提纯方法,其关键在于选取富含GABA的植物作为原料,通过特定的分离提取流程,可以高效地获取高纯度的GABA产品。这种方法不仅确保了产品的安全性和稳定性,还显著降低了生产成本。因此,它也被视为一种具有广阔应用前景的先进技术。随着科技的不断发展,GABA的合成方法将不断完善和优化,为其在食品、药品等领域的应用提供更加广阔的前景。
GABA在动植物体的代谢过程有2种途径;GABA支路和多胺降解途径。GABA支路途径主要涉及3种酶:谷氨酸脱羧酶(GAD)、γ-氨基丁酸转氨酶(GABA-T)和琥珀酸半醛脱氢酶(SSADH)[17]。GAD是催化谷氨酸(Glu)不可逆的生成GABA的限速酶,GAD活性受pH和Ca2+/钙调蛋白调节,Ca2+与钙调蛋白结合后并激活GAD亚型。在胁迫环境下,由于H+或Ca2+的累积上调钙调蛋白水平,进而激活GAD并催化Glu转化为GABA[77-78]。GABA的代谢过程涉及三羧酸循环,以α-酮戊二酸充当氨基受体反应生成Glu,α-酮戊二酸是三羧酸循环的中间代谢产物,由GLU分解产生,随后经GAD催化生成GABA,进而通过GABA-T的催化生成琥珀酸半醛,在线粒体内,GABA通过与GABA-T结合并在其催化下转化为琥珀酸半醛脱氢酶(SSADH),最终生成琥珀酸。这一过程有助于进入三羧酸循环,并减轻线粒体电子传递链中大量ATP和体内H2O2的积累,从而维持GABA的平衡[79-80]。多胺降解途径涉及二胺或多胺(PAs)如腐胺、精胺和亚精胺等的转化,经二胺氧化酶(DAO)或多胺氧化酶(PAO)催化形成γ-氨基丁醛,之后环化成吡咯啉,再在吡咯啉脱氢酶(PDH)作用下形成GABA,进而参与生物与非生物胁迫过程[81]。这2种途径共同确保了GABA在动植物体内的高效合成与代谢,对于维持生物体的正常生理功能具有至关重要的作用。
3 GABA在动物生产中的应用
3.1 在猪生产中的应用
丁亚南等[62]在妊娠母猪饲粮中添加100 mg/kg GABA,显著提高了母畜繁殖率、健仔率和免疫功能,降低了死胎率。赵元元[82]研究发现,在母猪饲粮中添加300 mg/kg GABA能够缓解母猪热应激,缩短配种间隔时间,提高采食量、泌乳量和母乳营养价值。周晓容等[83]以杜×长×大三元杂交育肥猪为试验对象,发现在饲粮中添加GABA能降低血清HSP70含量,在育肥后期能显著增加采食量、日增重,提高生长性能,且对胴体品质和肉质无显著影响,综合生长性能分析得出GABA最适宜添加量为30 mg/kg。Kurata等[84]研究发现,GABA可以做为猪精子功能的调节剂,有助于提高母猪的受孕率。Chen等[8]在断奶仔猪饲粮中添加20 mg/kg GABA后发现能提高仔猪的生长性能、饲料转化率,调节肠道菌群,提高肠道免疫反应,缓解断奶应激损伤。Zhang等[9]在饲粮中添加20 mg/kg GABA后发现能缓解经产母猪的肝脏炎症反应,减轻氧化应激损伤,提高饲料转化率。而Bi等[58]的研究则发现,在生长育肥猪转运前饲粮中添加30 mg/kg GABA对转运猪血清ACTH和COR含量无显著影响,也并未显著提高平均日采食量。综上所述,GABA能缓解猪的氧化应激、增强疾病抵抗力,促进育肥猪的生长,提高母猪的生产效率。但GABA的作用机制尚未完全明确,其在不同生理阶段、不同品种、不同饲养环境下的最佳添加量和添加时间仍需进一步研究。
3.2 在家禽生产中的应用
禽类饲粮以高能量促进生长为主,易导致脂肪肝变性,从而引起采食缓慢、生长抑制甚至死亡。Jeong等[85]研究发现,在肉鸡饲粮中添加GABA对生长性能无显著影响,但提高了胫骨宽度、腿肉产量,降低了血清皮质酮含量,增加了α-1-酸性糖蛋白和NO含量,表明GABA可以缓解热应激引起的生长抑制,增强机体免疫反应。Chen等[32]研究发现,GABA通过调节肉鸡的肠道菌群拟杆菌门和巴内西氏菌门的相对丰度、脂肪分解及脂肪酸β氧化抑制肝脏TG沉积和调节肉鸡肝脏中的脂质代谢。Ncho等[86]研究发现,蛋内注射10% GABA后显著提高了孵化后雏鸡的抗氧化能力,降低了肝脏中MDA、HSP70、脂肪酸合成酶(FAS)和肝脏型脂肪酸结合蛋白(L-FABP) mRNA表达水平,显著提高了孵化时的蛋重比,调节了热应激参数,提高了生长性能。El-Naggar等[87]在肉鸡饲粮中添加100 mg/kg GABA后提高了体重和采食量,在热应激期间,GABA通过调节采食量抑制神经肽(POMC、Leptin、生长素释放肽和CCK等)的mRNA表达水平,使家禽腹部脂肪含量显著增加,达到增重效果,但其调节作用取决于肉鸡品系和饲养环境。Zhong等[29]研究发现,在黄羽肉鸡饲粮中添加100 mg/kg GABA后血清中AST、乳酸脱氢酶(LDH)、肌酸激酶(CK)、GSH-Px的活性显著降低,而空肠绒毛长度显著增加,表明GABA能够提高黄羽肉鸡血清中胞内酶活性,保护黄羽肉鸡暴露于高温环境的器官和肠道形态。综上可知,饲粮中添加适量的GABA可以缓解热应激、优化肠道菌群结构、提高饲料转化率并降低肝脏负担,表明GABA对提高家禽的生长性能起到重要的作用。
3.3 在反刍动物生产中的应用
瘤胃是反刍动物独有的消化器官,GABA能降低应激对胃肠道的不良影响,进而增加胃肠道的蠕动和提高消化酶的活性,促进营养成分的消化吸收[10]。Guo等[71]以晋江黄牛为试验对象,研究发现饲粮中添加16 mg/kg GABA能提高热应激肉牛的营养物质消化率、生长性能和抗氧化状态。Cheng等[51]研究发现,GABA能改善热应激哺乳期奶牛的生长性能,减轻机体对氧化应激损伤,提高机体免疫力。Chen等[88]在肉牛的试验中发现,单独添加GABA只增加了平均日增重,而粗纤维和中性洗涤纤维消化率没有显著差异;中草药(皮质黄柏、白术根茎、白术和石膏纤维的组合)与GABA联合用药不仅可以提高平均日增重,血清中COR、生长激素(GH)和T3含量也显著增加,降低了直肠温度和呼吸频率,并通过提高免疫力和采食量来增强生长性能并缓解热应激反应。Chen等[69]在肉牛饲粮中添加16 mg/kg GABA,发现粗蛋白质、粗纤维、中性洗涤纤维、钙和磷等营养物质的表观消化率显著提高,并由此推断GABA促进动物采食和营养物质消化吸收。Su等[89]研究发现,在肉牛饲粮中添加10 g/d的过瘤胃GABA(RP-GABA)后,肉牛血清HSP-70、ACTH、TP含量与SOD、ALT活性以及T-AOC降低,虽然RP-GABA可以提高牛奶蛋白质产量,但没有改善生长性能、缓解热应激、增强免疫功能或抗氧化能力的作用。综上所述,GABA可优化反刍动物的消化能力,提高生产性能,改善热应激下肉牛和奶牛的营养物质消化率、生长性能、抗氧化状态、免疫力和泌乳能力,但GABA在不同反刍动物中研究结果存在差异。
3.4 在水产动物生产中的应用
Chen等[51]研究显示,在建鲤饲料中添加GABA可以保护建鲤的肝脏免受损伤,并能调节鱼体的免疫反应,促进生长。Farris等[90]研究发现,在饲料中添加237 mg/kg GABA能够显著提高褐牙鲆(Paralichthys olivaceus)幼鱼的生长性能、肠道淀粉酶活性、血清溶菌酶活性及抗新链球菌感染存活率等;通过多项式回归分析,确定了GABA的最佳添加量为236.9 mg/kg,但饲喂不同剂量的GABA对褐牙鲆幼鱼的饲料效率、存活率等指标没有显著影响。Li等[7]在饲料中添加58.9 mg/kg GABA,发现其可显著提高乌贼的特定生长率、增重率和饲料利用率,并能改善乌贼的存活率、生长性能和非特异性免疫功能。Wu等[19]研究发现,饲料中添加50 mg/kg GABA可显著提高草鱼的生长速率和摄食效率,并通过调节摄食相关基因(NPY、Ghrelin等)的表达发挥作用。Bae等[91]在饲料中添加100 mg/kg GABA后发现能提高溶藻弧菌攻毒后对虾的存活率,抑制副溶血性弧菌活性,是潜在的抗生素替代品。Xie等[92]研究发现,在对虾饲料中添加150 mg/kg GABA后,对虾在氨氮应激36 h内的成活率、T-AOC、T-SOD与CAT活性、抗羟基自由基能力和酚氧化酶活性提高,且胰岛素和NPY含量随GABA添加量的增加而升高,从而发挥调节采食量、促进生长、提高抗氧化能力和抗病性的作用。Zhang等[93]研究发现,饲料中添加GABA能促进中华绒螯蟹幼蟹蜕壳,提高采食量、增重率,并改善非特异性免疫能力,减轻LPS诱导的炎症反应。侯冬强等[94]研究发现,在饲料中添加100 mg/kg GABA可增强黄颡鱼(Tachysurus fulvidraco)胃、肝胰腺和肠道中消化酶活性,提升食欲和消化吸收能力,进而促进黄颡鱼的生长和发育。Gallardo等[95]研究了生长激素和GABA对轮虫(Brachionus plicatilis)在低食物或高氨水平下繁殖的影响,发现GABA处理的轮虫在较低的食物浓度下繁殖率显著高于未处理的轮虫。Lee等[96]在饲料中添加200 mg/kg GABA后发现,与常温[(27±1) ℃]条件养殖的褐牙鲆(Paralichthys olivaceus)相比,低温[(20±1) ℃]应激条件下褐牙鲆的终末体重和生长速率显著提高,GABA通过神经元和激素途径刺激褐牙鲆的生长和提高饲料利用率。由此可见,饲料中添加适量的GABA可提高水产动物的生长、抗氧化能力和抗应激能力,调节免疫反应,提高存活率和饲料效率,但GABA在水产动物中的应用效果及作用机理仍需要进一步探究。
4 小结与展望
GABA是一种有益的绿色饲料添加剂,在促进动物生长、提高免疫力和增强抗氧化能力等方面发挥着重要作用。尽管国内外学者已经深入研究了GABA的理化特性、分布、结构以及代谢等,但其在动物机体中的应用效果及作用机理还有待于进一步挖掘。首先,关于GABA的作用机理尚未完全明确,其与动物生长和发育的内在联系仍需深入探讨;其次,关于GABA的适宜添加量、与其他营养素的相互关系及作用机理等方面还待于进一步研究;再次,由于动物品种、生长阶段和养殖环境不同,导致GABA在动物生产中的应用效果呈现出不稳定性,对动物生长、免疫力以及抗氧化能力等方面的影响亦存在较大差异;最后,有关GABA毒性的研究相对较少,如果不能准确控制添加剂的使用剂量,则可能导致动物休克甚至死亡,今后应深入研究GABA在不同动物、不同生长阶段、不同养殖环境下的适宜添加量和添加形式,明确其对动物吸收、代谢、生理功能的作用及代谢产物对水环境的影响。
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