苏氨酸，也称为β-羟基-α-氨基丁酸，是由Rose于1935年在纤维蛋白质水解物中分离和鉴定出来的。苏氨酸具有4种异构体，但只有L-苏氨酸是在自然界本身存在并具有生物活性，其具有促进蛋白质合成和沉积、调节脂质代谢、促进磷脂合成和脂肪酸氧化以及参与机体免疫功能等作用[1⇓-3]。近年来，合成赖氨酸和蛋氨酸在配合饲料中的应用使苏氨酸逐渐成为影响动物生产性能的限制性因素，苏氨酸已成为以玉米-豆粕型饲粮为主的育肥猪的第二限制性氨基酸[2]。研究发现，在饲粮中添加苏氨酸可以调整饲粮氨基酸平衡、促进猪肠道发育和维持肠道健康等作用[4-5]。近年来，苏氨酸在猪生产领域的研究取得了新进展，本文总结了苏氨酸的代谢途径、作用机制以及苏氨酸在猪生产中的应用，并对潜在的研究方向进行展望，以期能为苏氨酸在猪生产中的实际应用提供思路和方向。
1 苏氨酸的代谢途径和作用机制
苏氨酸是构成机体蛋白质的重要组成部分，特别是肠道黏蛋白[6]。苏氨酸在机体内的代谢途径和其他氨基酸不同，是唯一不经过脱氢酶作用和转氨基作用的氨基酸，而是通过苏氨酸醛缩酶（threonine aldolase，TA）、苏氨酸脱氢酶（threonine dehydrogenase，TDG）以及苏氨酸脱水酶（threonine dehydratase，TDH）催化而转变为其他物质。苏氨酸的代谢途径见图1 [7⇓-9]，主要有以下3条：1）通过TA代谢为甘氨酸和乙醛，但仅有少部分苏氨酸通过此途径代谢；2）通过TDG代谢为氨基丙酸、甘氨酸和乙酰辅酶A，正常生理条件下，苏氨酸主要通过TDG氧化生成2-氨基-3-氧基丁酸酯，2-氨基-3-氧基丁酸酯在体内进一步降解为甘氨酸、氨基丙酮及乙酰辅酶A；3）通过TDH代谢为丙酸和α-氨基丁酸，动物处于饥饿、空腹或饲喂高水平蛋白质饲粮时，可通过TDH途径使苏氨酸参与肝脏糖异生过程，以维持体内葡萄糖稳态。苏氨酸代谢生成各种重要的产物，包括甘氨酸、乙酰辅酶A和丙酮酸盐等，这些产物在动物的代谢中起着至关重要的作用。
苏氨酸的作用机制见图2 ，现有文献表明，苏氨酸有增加蛋白质合成、调节脂质代谢和沉积的能力，以及可以对肠道免疫功能产生积极影响，苏氨酸在体内的作用机制可能通过以下几种方式实现：
图2 苏氨酸的作用机制PPARγ：过氧化物酶体增殖物活化受体γ peroxisome proliferator activated receptor γ；UCP1：解偶联蛋白1 uncoupling protein 1；Threonine：苏氨酸；PI3K：磷脂酰肌醇-3-羟激酶 phosphatidylinositol-3-hydroxykinase；Akt：蛋白激酶B protein kinase B；mTOR：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 mammalian target of rapamycin；ESC：胚胎干细胞 embryonic stem cell；SIRT1：沉默信息调节因子1 silent information regulator 1；IKK：核因子-κB抑制物激酶 nuclear factor-κB inhibitor kinase；IκB：核因子-κB抑制物 nuclear factor-κB inhibitor；NF-κB：核因子-κB nuclear factor-κB；β-defensin：β-防御素；Cytoplasm：细胞质；Nucleus：细胞核；κB site：κB位点。 |
1）苏氨酸通过胰岛素样生长因子-Ⅰ（insulin like growth factor-Ⅰ，IGF-Ⅰ）激活磷脂酰肌醇-3-羟激酶（phosphatidylinositol-3-hydroxykinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/雷帕霉素靶蛋白（target of rapamycin，TOR）信号级联反应来促进肌肉蛋白质合成。Zhao等[10]研究证明，饲粮补充苏氨酸导致PI3K和Akt mRNA表达的上调，并提高磷酸化Akt与总Akt比率，表明苏氨酸通过PI3K/Akt信号通路增加了肌肉蛋白质的合成。TOR是PI3K/Akt途径的下游成分，可刺激蛋白质合成并促进细胞生长。此外，苏氨酸被TDH降解生成甘氨酸后，可通过PI3K/Akt信号通路以依赖性方式激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1），并通过抑制蛋白质水解来调节蛋白质合成，Wang等[11]在猪小肠上皮细胞上的研究证明了这一观点。
3）苏氨酸通过激活核因子-κB（nuclear factor-kappa B，NF-κB）信号通路调节机体免疫能力。Wang等[14]研究发现，苏氨酸以剂量和时间依赖性方式显着增加猪肠上皮细胞的β-防御素分泌，其通过抑制沉默信息调节因子1（silent information regulator 1，SIRT1）的表达来增强β-防御素的表达，并激活NF-κB信号通路。Zhang等[15]研究也发现，苏氨酸通过激活NF-κB信号通路来调节聚合免疫球蛋白受体（polymeric immunoglobulin receptor，pIgR）水平，从而影响应激条件下肠道黏蛋白以及免疫球蛋白A（immunoglobulin，IgA）的产生。
此外，有研究表明，苏氨酸在胚胎干细胞的分化中作为信号因子发挥重要作用，苏氨酸是小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESC）多能性关键的必需氨基酸，培养基中添加L-苏氨酸可激活ESC的多条信号通路，包括PI3K/Akt、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）、核糖体蛋白S6激酶beta-1（ribosomal protein S6 kinase beta-1，p70S6k）和真核翻译起始因子4E结合蛋白1（eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein 1，4E-BP1），以刺激通过DNA合成前期到DNA合成期（G1/S阶段）的ESC过渡[16]。
2 苏氨酸在猪生理上的作用
表1 苏氨酸在猪生产中的应用研究Table 1 Application research of threonine in pig production |
| 试验动物 Experimental animals | 苏氨酸添加量 Threonine supplemental level | 试验结果 Experimental results | 参考文献 References |
|---|---|---|---|
| 杜洛克×（长白×大白猪） Duroc×（Landrace× Large White） | 2 g/kg饲粮 | 减弱仔猪炎症反应，促进黏蛋白2（Muc2） 合成，并促进宫内生长迟缓（IUGR）仔猪 回肠中的杯状细胞分化 | Zhang等[17] |
| 杂交猪种（TN 70×TN Tempo） Hybrid pig （TN 70×TN Tempo） | 115%标准饲粮苏氨酸 | 改善生长猪的肠道完整性， 改变肠道微生物发酵 | Koo等[18] |
| 大白×长白猪 Large White×Landrace | 0.89%真回肠可 消化（TID）苏氨酸 | 苏氨酸的缺乏或过量都会影响 肠黏膜屏障，最适为0.89%TID苏氨酸 | Wang等[19] |
| 大白×杜洛克 Large White×Duroc | 6.3 g/kg标准回肠 可消化（SID）苏氨酸 | 减少近端结肠中含有酸性 黏蛋白的杯状细胞数量 | wiech等[20] |
| 大白×长白猪 Large White×Landrace | 0.74%TID苏氨酸 | 饲喂苏氨酸过量或缺乏会降低幼猪 快速生长组织中的蛋白质合成 | Wang等[21] |
| PIC杂交猪 PIC hybrid pig | 0.76%SID苏氨酸 | 生长猪（25~50 kg）的蛋白质沉积 最大化需0.76%SID苏氨酸 | Wellington等[22] |
| 猪肠上皮细胞系IPEC-J2 Pig intestinal epithelial cell line IPEC-J2 | 1 mmol/L苏氨酸 | 上调β-防御素的表达，减少炎性细胞 因子表达，减轻脂多糖（LPS）诱导的 肠黏膜屏障损伤 | Wang等[14] |
| 杜洛克×（长白×大白猪） Duroc×（Landrace ×Large White） | 0.89%TID苏氨酸 | 改善注射甘薯潜隐病毒（SPLV）的 断奶猪的免疫状态，并调节T辅助 细胞因子的分泌 | Mao等[23] |
| 海南猪 Hainan pig | 0.8%苏氨酸 | 提高饲料利用率的同时不降低 海南猪的生长速度 | 魏立民等[24] |
2.1 苏氨酸对肠道结构的影响
大量研究结果表明，苏氨酸具有维持仔猪肠道完整性、促进肠道发育、降低肠道炎症反应等功能。Zhang等[17]研究表明，饲粮中添加2 g/kg L-苏氨酸，促进了仔猪回肠黏蛋白2（Muc2）的合成，减弱了肠道炎症反应，并促进了宫内发育迟缓（intrauterine growth retardation，IUGR）仔猪回肠中杯状细胞（goblet cell，GC）的分化。Koo等[18]研究了饲粮复杂性和添加L-苏氨酸对断奶仔猪生长性能、免疫反应、肠道屏障功能和微生物代谢物的影响，结果发现，给生长猪简单饲粮（仅提供玉米、小麦和豆粕，不含任何动物产品）会导致全身和肠道炎症，而提供NRC（2012）标准苏氨酸需要量的115%时，虽然没有使简单饲粮引起的炎症正常化，但改善了生长猪的肠道完整性，115%苏氨酸饲粮比复杂饲粮有更积极的影响，表明饲粮中添加苏氨酸可能是增强肠道健康的有利措施。Wang等[19]通过给32头杂交（大白×长白）仔猪[体重（6.79±1.84） kg]饲喂不同水平的苏氨酸饲粮，研究饲粮苏氨酸的最佳水平及潜在功能，研究表明，饲粮中苏氨酸的缺乏或过量都会影响肠黏膜屏障，而断奶仔猪支持肠屏障功能的最佳饲粮真回肠可消化（TID）苏氨酸水平为0.89%。 wiech等[20]研究非必需氨基酸（NEAA）和苏氨酸水平对肠道不同部位的GC数量和黏液层厚度的影响，结果表明，含有6.3 g/kg标准回肠可消化（SID）苏氨酸的饲粮减少了近端结肠中含有酸性黏蛋白的GC数量。Wang等[21]通过给18只杂交（大白猪×地方品种）的25日龄仔猪饲喂添加不同水平的苏氨酸饲粮（提供TID苏氨酸水平分别为0.37%、0.74%和1.11%），结果表明，喂食0.37%和1.11% TID苏氨酸饲粮的猪空肠黏膜和肌肉中蛋白质的绝对合成率降低；与喂食0.74%TID苏氨酸饲粮的猪相比，喂食0.37%TID苏氨酸饲粮的猪肝脏蛋白质的绝对合成率较低；由于饲粮苏氨酸的不平衡，骨骼肌和空肠黏膜和黏蛋白中的蛋白质合成比肝脏中的蛋白质合成减少的程度更大。该研究表明，仔猪饲喂苏氨酸过量或缺乏会降低幼猪快速生长组织中的蛋白质合成。
总之，苏氨酸对于仔猪肠道的发育、肠道黏膜屏障的形成以及减少肠道炎症发生具有积极的影响，不过，关于仔猪发育所需苏氨酸最适需要量，还需要更多、更细致的研究。苏氨酸过量或缺乏都不利于仔猪发育，后续的研究中可以探究仔猪在不同生长阶段对苏氨酸的需求量的变化情况，这对降低成本、提高生产效率具有重要意义。
2.2 苏氨酸对肠道微生物的影响
在保育猪中，Koo等[18]研究表明，在NRC（2012）的标准基础上增加15%的苏氨酸，可通过与饲粮成分相互作用的方式改变肠道微生物发酵；与复杂饲粮（含有多种动物蛋白质来源）相比，简单饲粮（含有豆粕作为蛋白质来源）中的苏氨酸补充剂降低了肠道氨的含量，但增加了肠道挥发性脂肪酸的含量。其他动物中的研究也表明，在饲粮中添加苏氨酸能有效地改变家禽和大鼠的肠道微生物群组成。饲喂大鼠含有L-苏氨酸的氨基酸混合物，增加了被右旋糖酐硫酸钠影响的大鼠中肠杆菌、乳酸杆菌、拟杆菌和肠球菌等有益菌群的频率[31]。Dong等[32]研究发现，饲粮粗蛋白质的减少会降低蛋鸡肠道细菌多样性，而低粗蛋白饲粮中添加苏氨酸可恢复细菌多样性并显著提高潜在有益细菌的丰度，对这种效应的一种解释可能是黏蛋白基因表达的上调，因为黏蛋白不能在小肠中被消化，因此会到达盲肠，充当细菌降解的底物。
2.3 苏氨酸对免疫功能的影响
Wellington等[22]研究表明，生长猪在免疫系统刺激（immune system stimulation，ISS）[注射脂多糖（LPS）]期间对苏氨酸的利用率提高，且生长猪（25~50 kg）蛋白质沉积最大时需要0.76%SID苏氨酸。在另项研究中，生长猪在ISS（注射LPS）下导致对苏氨酸需求的增加，可能在很大程度上归因于被吸收的苏氨酸对合成免疫系统代谢物的利用能力的增强，特别是黏蛋白[37]。Wang等[14]研究表明，L-苏氨酸可以上调β-防御素的表达，并降低猪肠上皮细胞系IPEC-J2细胞中炎性细胞因子的表达；同时，L-苏氨酸能够缓解LPS诱导的猪肠上皮细胞中的肠黏膜屏障损伤。由此可见，L-苏氨酸介导的内源性防御素表达可能是减少抗生素使用，增强动物抗病性和肠道健康的有效方法。在猪伪狂犬病活疫苗激发下，饲粮TID苏氨酸水平的提高减弱了血清干扰素-γ（IFN-γ）含量的提高，以及不同组织中Toll样受体（TLR）3、TLR7和TLR9的mRNA相对表达量的提高，这表明饲粮添加适宜水平的苏氨酸可以通过下调TLR3、TLR7和TLR9在组织中的表达来改善注射SPLV断奶仔猪的免疫状态，从而调节T辅助细胞因子的分泌[23]。
3 苏氨酸在猪生产中的特殊意义
3.1 苏氨酸对母猪繁殖性能的影响
在妊娠期间，母猪摄入的氨基酸除了用于自身代谢需要外，还要用于乳腺组织的生长、胎儿的生长发育，母猪妊娠90 d后，由于胎儿重量增加，蛋白质合成急剧上升，对于氨基酸的需求也大大增加，因此母猪妊娠后期对于氨基酸的需求量相比于妊娠前期更高。Levesque等[42]研究表明，在整个妊娠期饲喂单一的氨基酸会导致母猪妊娠早期过量摄入氨基酸，而在妊娠晚期氨基酸摄入不足，且在妊娠最后1/3的时间苏氨酸需求量提高了2倍，这说明妊娠期分期饲喂母猪将更能满足其对营养的需求。
在母猪哺乳期，Cooper等[43]研究表明，哺乳期母猪苏氨酸的需要量为37~40 g/d，而维持仔猪生长需要的苏氨酸为36~39 g/d。此外，Schneider等[44]研究表明，母猪哺乳期SID苏氨酸需求量为0.50%（28 g/d），母猪哺乳期苏氨酸∶赖氨酸为57%。母猪繁殖或仔猪生长速率的改善与每日SID苏氨酸摄入量接近27 g相对应；当SID苏氨酸∶SID赖氨酸为68%或SID苏氨酸为27.6 g/d时，对母猪的繁殖性能具有优化作用；上述结果表明，母猪实际的每日苏氨酸需求量低于NRC（2012）对每日SID苏氨酸的建议量，但需要更高的SID苏氨酸∶SID赖氨酸[45]。Cuaron等[46]研究表明，采食高粱为基础的饲粮补饲苏氨酸，可防止初产母猪血浆免疫球蛋白G含量的减少，试验组母猪自身合成的抗牛血清蛋白的抗体含量也高于对照组。Leonard等[47]研究表明，随着苏氨酸摄入量的增加，妊娠母猪血浆苏氨酸含量呈二次增加，这种增加伴随着血浆赖氨酸含量的二次减少；随着苏氨酸水平的提高，母猪体重也呈二次增加，但是母猪产子数、泌乳量、乳蛋白含量、仔猪初生重和平均日增重均不受苏氨酸水平的影响。
综上可知，妊娠母猪对于苏氨酸的需求随着妊娠期的发展而发生改变，应分别在妊娠早期和晚期重新评估妊娠母猪对苏氨酸的需求。
3.2 苏氨酸对公猪繁殖性能的影响
随着人工授精技术的广泛应用以及非洲猪瘟的影响，增加种公猪的精液产量及精液品质对于节省生产成本具有重要意义。生猪产业对于公猪的营养需要越来越重视，然而苏氨酸在公猪营养方面的应用未见研究。此前李红[48]研究表明，在犬饲粮中添加赖氨酸和苏氨酸能明显提高公犬的精液品质，显著提高公犬的射精量、精液密度和精子活力，并降低精子畸形率。林燕[49]通过对雄鼠的研究发现，提高饲粮中的苏氨酸水平有利于缓解病毒对雄鼠繁殖性能造成的损害，并且苏氨酸通过提高被攻毒雄鼠的免疫力、降低睾丸组织的炎症因子等提高雄鼠的繁殖性能。苏氨酸对于公猪精液质量和繁殖能力的影响值得探究，且因为公猪在实际生产中的特点决定了公猪对于氨基酸的需求较大，因此，探究适宜的饲粮氨基酸水平对于生猪产业具有重要的研究和应用意义。
3.3 苏氨酸应用于低蛋白质饲粮
多年来的研究发现，适当降低饲粮蛋白质水平可以提高饲料利用率，降低蛋白质饲料原料用量和生产成本。许多研究报道，低蛋白质饲粮有效地降低了猪断奶后腹泻的发生率，维持了肠道健康，并对肠道形态和微生物群有明显的影响[50-51]。魏立民等[24]研究发现，海南猪饲粮粗蛋白质水平降低至14%，参考对照组平衡赖氨酸、色氨酸、缬氨酸和精氨酸水平，并补充添加苏氨酸至0.8%，可以在提高饲料利用率的同时保持海南猪的生长速度。江勇等[52]在北京鸭的研究中发现，低蛋白质饲粮中添加苏氨酸可以提高北京鸭体重、平均日增重、平均日采食量和胸肌率，降低料重比。但也有研究表明，降低饲粮蛋白质水平会导致猪生长性能的降低[53⇓⇓-56]。因此，低蛋白质饲粮中苏氨酸的补充剂量以及低蛋白质饲粮中苏氨酸与其他氨基酸之间的平衡还需要更为全面细致的研究。
3.4 苏氨酸与其他氨基酸的联合使用
4 小结
苏氨酸是动物生长所必需的氨基酸，合成赖氨酸和蛋氨酸在配合饲料中的应用使苏氨酸逐渐成为影响动物生产性能的限制性因素。目前关于苏氨酸的研究仍存在一些不足：1）已有许多研究表明其对仔猪肠道健康的重要性，然而，还需要进一步的试验来确定苏氨酸如何调节肠道微生物群、免疫反应和屏障之间的动态平衡；2）在未来养猪生产的应用中，苏氨酸的使用剂量以及与其他氨基酸联合使用的比例值得探究，在低蛋白质饲粮日益成为主流饲养方式的情况下，苏氨酸的合理使用既可以减少总氮排放，又可以平衡饲粮氨基酸，维持猪的需要；3）苏氨酸涉及的营养代谢方面的调节，使得其在公猪营养方面具有一定的研究意义，未来需要填补苏氨酸在这一领域的研究空白。总之，随着苏氨酸研究的深入开展，其在猪生产领域将具有更为重大的应用前景。