禽類光譜敏感性研究進(jìn)展

潘承浩，金 定，陳金田，蔣勁松，泮進(jìn)明*

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058；2.杭州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村事務(wù)保障中心，杭州 310000；3.杭州朗拓生物科技有限公司，杭州 310020）

禽類視覺特征可分為三類：光譜敏感性（Spectral sensitivity），閃爍敏感性（Flicker sensitivity）和空間視敏度（Spatial acuity）[1]。其中光譜敏感性指動物對光刺激反應(yīng)與光波頻率之間關(guān)系。一般認(rèn)為，人類可見光波長范圍為380～780 nm，不同波長光輻射給人不同色彩體驗，而單一波長光表現(xiàn)為特定顏色，稱為單色光[2]。相比于人類，禽類視覺系統(tǒng)更發(fā)達(dá)，對各種單色光敏感性更強[3-4]，甚至可感知人類看不見的紫外光[5]。家禽光照管理涉及因素包括光源種類、光照強度、光照時間、均勻性和光波長（光顏色）[6]，其中光色對禽類生長影響最為突出。藍(lán)綠光在生產(chǎn)性能、肌肉發(fā)育、肉品質(zhì)等方面均有優(yōu)勢[7]，而紅光可將蛋雞產(chǎn)蛋日齡提前，提高產(chǎn)蛋量[6,8]，還可減少禽類啄癖行為的發(fā)生[9]。和紅白光相比，綠光可促進(jìn)下丘腦促生長激素釋放激素（GHRH）和血漿生長激素（GH）釋放[10]，加快禽類生長發(fā)育。此外，短波光比長波光可更好地抑制松果體分泌褪黑素[11]，影響睡眠質(zhì)量，牽引晝夜節(jié)律[12-13]。

目前家禽光譜敏感性研究主要集中于光譜成分對家禽生產(chǎn)性能的影響，而光譜成分對于家禽生長發(fā)育的調(diào)節(jié)機制研究相對較少。因此難以從理論角度出發(fā)改善家禽生產(chǎn)過程中的光照環(huán)境，以提高禽類養(yǎng)殖福利，發(fā)揮其生產(chǎn)潛力。為解決此問題，本文首先梳理禽類視覺及非視覺的光感受機制研究，闡明光譜成分如何通過這兩個途徑調(diào)節(jié)家禽視覺感知和生理節(jié)律；其次分析幾種家禽光譜敏感性測量方法優(yōu)劣，并在文末概括家禽光譜敏感性方面亟需解決的問題及未來研究方向，為家禽生產(chǎn)中光環(huán)境設(shè)計和潛能提升提供參考。

1 光感受器類型

視覺感知中光感受器（Photoreceptor）主要是指視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞。如圖1所示，與人類相比，禽類視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞種類更豐富，共包含3大類、7小類感光細(xì)胞[14]。第一大類是4種單視錐細(xì)胞（Single cone），其主要功能是調(diào)節(jié)禽類色彩感知能力[14-15]；第二大類是兩種雙視錐細(xì)胞（Doublecone），可感知偏振光[16]和物體運動信息[15]；第三大類是視桿細(xì)胞（Rod），主要負(fù)責(zé)感受昏暗光環(huán)境下亮度變化[17]。包括人類在內(nèi)的靈長類動物視網(wǎng)膜所獨有的中央凹區(qū)域集中許多視錐細(xì)胞，負(fù)責(zé)視覺高清成像[18]，而禽類視網(wǎng)膜感光細(xì)胞呈現(xiàn)半隨機分布（Semi-random mosaic），使禽類可憑借高視覺敏銳度感知各種波長的光[14]。

圖1 雞視網(wǎng)膜七類感光細(xì)胞[14]Fig.1 Seven photoreceptor cell types of the chicken retina

1.1 單視錐細(xì)胞

禽類視網(wǎng)膜共4種單視錐細(xì)胞，分別為紅視錐細(xì)胞（Red cone）、綠視錐細(xì)胞（Green cone）、藍(lán)視錐細(xì)胞（Blue cone）和紫視錐細(xì)胞（Violet cone）[14-15]。雞視網(wǎng)膜感光細(xì)胞的細(xì)胞核主要位于外界膜（Outer limiting membrane）一側(cè)外核層[19]，感光細(xì)胞在視網(wǎng)膜位置如圖2所示。

圖2 雞視網(wǎng)膜感光細(xì)胞示意圖[15]Fig.2 Diagram of the photoreceptor cell types of the chicken retina

視錐細(xì)胞光譜敏感性通過油滴（Oil droplet）調(diào)節(jié)[20]。油滴是一種球形透鏡狀細(xì)胞器，位于脊椎動物視錐細(xì)胞外節(jié)（Outer segment）和內(nèi)節(jié)（Inner segment）之間[21-22]。油滴影響外節(jié)光捕獲的因素包括反射率、油滴直徑和外節(jié)長度[21]。油滴由中性油脂和類胡蘿卜素組成[23]，存在色素的油滴可調(diào)節(jié)達(dá)到光敏感外節(jié)光的光譜成分和光照強度[21,23]。富含色素的油滴功能為一塊長通濾光片（Long-pass filter），可吸收小于特定波長的光線[24-25]，其功能微調(diào)主要是通過改變所含類胡蘿卜素成分實現(xiàn)[23]。油滴理想的吸收光譜如圖3表示。

圖3 理想油滴吸收光譜圖[25]Fig.3 Diagram of an‘ideal’oil droplet absorptance spectrum

當(dāng)油滴中色素密度較低時，油滴起帶通濾光器（Band-pass filter）作用，根據(jù)所含色素不同，可特異性吸收紫外、藍(lán)色、綠色等范圍內(nèi)光譜[24]。此外，禽類通過精確調(diào)節(jié)各視錐細(xì)胞中類胡蘿卜素雙肩共軛結(jié)構(gòu)及濃度優(yōu)化顏色辨別的能力，保持顏色恒常性[23]。

根據(jù)所含類胡蘿卜素種類和濃度差異，禽類視網(wǎng)膜中油滴可分為五類：透明T型（Transparent），無色C型（Clear or Colorless），蒼白色P型（Pale），黃色Y型（Yellow）和紅色R型（Red）[24-26]。其中T型不含類胡蘿卜素，在波長大于320 nm光下透明；C型含有棓黃質(zhì)（Galloxanthin），主要吸收藍(lán)色波段光譜；P型通常也被認(rèn)為是淺綠色，包含兩種類胡蘿卜素，其中一種為棓黃質(zhì)，另外一種為ε-胡蘿卜素（ε-carotene）或玉米黃質(zhì)（Zeaxanthin）；Y型包含ε-胡蘿卜素和玉米黃質(zhì)，主要吸收中波段光譜；R型包含蝦青素（Astaxanthin），主要吸收綠色或橙色波段光譜[24,27]。Goldsmith等通過顯微分光光度法，得到包括家雞（Gallus domesticus）在內(nèi)的一些常見鳥類品種油滴吸光度數(shù)據(jù)平均值[27]，經(jīng)Stavenga等總結(jié)得到各色油滴數(shù)量和對應(yīng)吸光度（圖4）[24]。

圖4 鳥類油滴分布情況[24]Fig.4 Distribution of the different oil droplet types of birds

如圖5所示，Yoshizawa測定雞視網(wǎng)膜4種單視錐細(xì)胞所含色素的吸收光譜，得到吸收峰分別為415、455、508和571 nm[28]。鳥類視錐細(xì)胞中含有以下4種視蛋白基因中一種：SWS1、SWS2、RH2和M/LWS[25]。鳥類紫外/紫色敏感視錐細(xì)胞（UVS/VScone）表達(dá)SWS1視蛋白基因（359 nm＜色素λmax＜426 nm），含有T類型油滴（在300～800 nm無表達(dá)明顯的吸收峰）；短波敏感視錐細(xì)胞（SWScone）表達(dá)SWS2視 蛋白基因（427 nm＜色素λmax＜463 nm），含有C類型油滴（399 nm＜λcut＜449 nm）；中波敏感視錐細(xì)胞（MWScone）表達(dá)RH2視蛋白基因（499 nm＜色素λmax＜507 nm），含有Y類型油滴（505 nm＜λcut＜516 nm）；長波敏感視錐細(xì)胞（LWScone）表達(dá)M/LWS視蛋白基因（557 nm＜色素λmax＜571 nm），含有R類型油滴（552 nm＜λcut＜586 nm）[25,29]。

圖5 單視錐細(xì)胞所含色素吸收光譜圖[28]Fig.5 Absorption spectra of visual pigments in the cones

人類是三色視覺，而包括禽類在內(nèi)大多數(shù)日行鳥類均為四色視覺[29-30]，由于紫外/紫色敏感視錐細(xì)胞存在，鳥類可看見人類無法看見的紫外光[31]。除該細(xì)胞包含透明油滴外，剩余單視錐細(xì)胞所含油滴均有色；短波敏感視錐細(xì)胞油滴含有棓黃質(zhì)；中波敏感視錐細(xì)胞油滴含有玉米黃質(zhì)；長波敏感視錐細(xì)胞油滴含有蝦青素[29]。

脊椎動物感光細(xì)胞中的視覺色素，由視蛋白和發(fā)色團11-順-視黃醛（11-cis-retinal）或11-順-3,4-脫氫視黃醛（11-cis-3,4-dehydroretinal）組成，發(fā)色團與不同視蛋白連接時造成吸收光譜存在差異的現(xiàn)象稱為光譜調(diào)諧（Spectral tuning）[32]。色素光譜吸收特性由視蛋白的氨基酸組成和視蛋白所連的發(fā)色團性質(zhì)決定。哺乳動物中，當(dāng)視蛋白與11-順式視黃醛結(jié)合時，生成視覺色素，其光譜吸收峰值范圍如下：SWS1（355～440 nm）、SWS2（440～470 nm）、Rh2（480～530 nm）、LWS（500～565 nm）[33]。Hofmann等總結(jié)脊椎動物視覺色素共5種，按照視蛋白結(jié)合的發(fā)色團和氨基酸最大吸收波長（λmax）區(qū)分分別為：視紫紅質(zhì)（Rh1），LWS（500～570 nm）、MWS（或Rh2，480～530 nm）、SWS1（354～445 nm）和SWS2視覺色素（400～470 nm）[34]。

1.2 雙視錐細(xì)胞

大多數(shù)無脊椎動物和脊椎動物均可感知偏振光（Polarized light），其中脊椎動物感知偏振光的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是視網(wǎng)膜中的雙視錐細(xì)胞[16]。雙視錐細(xì)胞包含主錐體（Principal member）和附屬錐體（Accessory member）[35]。如圖1所示，雞雙視錐細(xì)胞分為A型和B型，其中A型附屬錐體缺少油滴，而B型在主錐體和附屬錐體中均存在油滴[14]。鳥類雙視錐細(xì)胞包含P型油滴，和長波敏感視錐細(xì)胞同樣表達(dá)LWS視覺色素[24]。Maier等研究相思鳥雙錐細(xì)胞發(fā)現(xiàn)主錐體和附屬椎體所含色素λmax與長波敏感視錐細(xì)胞色素λmax均約為568 nm[35]。

相比于單視錐細(xì)胞，雙視錐細(xì)胞分布更有序，可能是由于其在運動檢測中的定位作用[15]。雞視網(wǎng)膜中周部（Mid-peripheral retina）不同區(qū)域5種視錐細(xì)胞比例如圖6所示，可發(fā)現(xiàn)雙視錐細(xì)胞數(shù)量多于各單視錐細(xì)胞。

圖6 視錐細(xì)胞特征比[15]Fig.6 Cone photoreceptor types are present in characteristic ratios

雞各類型視錐細(xì)胞密度和相互之間距離如圖7所示。視網(wǎng)膜視錐細(xì)胞分布特性決定選擇普通顯微鏡還是熒光顯微光譜檢查視網(wǎng)膜，也反映物種間生態(tài)學(xué)差異[36]。Viets等研究發(fā)現(xiàn)不同鳥類視網(wǎng)膜的不同視錐細(xì)胞比例不同，例如海鳥有更少的長波長敏感視錐細(xì)胞[14]。原因可能是長波長較長光被海水吸收，也說明不同視錐基因分化由棲息地環(huán)境所決定。

圖7 視錐細(xì)胞密度和間距關(guān)系[15]Fig.7 Density vs.average nearest neighbor distanceof different types of cones

1.3 視桿細(xì)胞

如圖2所示，視桿細(xì)胞是一種特化神經(jīng)元，由外節(jié)、內(nèi)節(jié)、胞體、軸突和軸突末端組成，其中將光信號轉(zhuǎn)化成電信號的生化途徑包含在外節(jié)中，電信號通過電壓門控通道傳輸至內(nèi)節(jié)[17]。視桿細(xì)胞對光高度敏感，在暗光下可對單個光子作出反應(yīng)[17,37]。不同輻照度下視錐視桿細(xì)胞反應(yīng)如圖8所示，在低輻照度下僅是視桿細(xì)胞起作用；在廣泛的中等輻射范圍內(nèi)，低敏感性視桿細(xì)胞通路被視錐通路所取代；在高輻照度下，視桿細(xì)胞輸入占主導(dǎo)作用[38]。Altimus等通過小鼠模型（視網(wǎng)膜感光細(xì)胞僅視桿細(xì)胞起作用，或視網(wǎng)膜缺少視桿細(xì)胞）研究發(fā)現(xiàn)，僅在高光強下視桿細(xì)胞才通過視錐細(xì)胞產(chǎn)生作用[39]。

圖8 輻照度與視錐視桿細(xì)胞輸入關(guān)系[38]Fig.8 Relationship between irradiance and inputs from cones and rods

視桿細(xì)胞表達(dá)RH1視蛋白基因，其編碼色素為視紫紅質(zhì)[17,25]。視紫紅質(zhì)吸收光子時開啟視覺傳導(dǎo)級聯(lián)（Visual transduction cascade）[17]。鳥類視桿細(xì)胞所含色素和中波敏感視錐細(xì)胞表達(dá)的MWS視覺色素兩者吸收光譜類似，其吸收峰范圍均為499～507 nm[25]。Knott等研究發(fā)現(xiàn)，由于地理因素形成的不同紅玫瑰鸚鵡（Platycercuselegans）亞種間，視錐視桿細(xì)胞敏感特性與羽毛顏色存在關(guān)聯(lián)，雖然此種適應(yīng)性功能并未得到驗證，但其可能導(dǎo)致顏色感知行為或昏暗條件下行為產(chǎn)生差異，并為理解視覺在物種形成和分化中作用提供幫助[40]。Musilova等研究發(fā)現(xiàn)，深海脊椎動物存在多種視桿細(xì)胞蛋白，這也為進(jìn)化提供了分子層面證據(jù)[41]。

根據(jù)國際照明學(xué)會（CIE）規(guī)定，亮度水平在3 cd·m-2以上視覺為明視覺（Photopic vision）；亮度水平在0.001 cd·m-2以下視覺為暗視覺（Scotopic vision）；明暗視覺之間存在中間視覺，亮度水平為0.001～3 cd·m-2（CIE 1978）。視錐細(xì)胞與明視覺有關(guān)，主要在強光下起作用；視桿細(xì)胞與暗視覺有關(guān)，在弱光下起作用[32,37,42]。背景光或物體亮度變化影響物體識別，在暗光下大多數(shù)脊椎動物是色盲，依靠視紫紅質(zhì)獲取視覺信息[41]。夜行動物視網(wǎng)膜含有豐富的視桿細(xì)胞，而日行動物視網(wǎng)膜含有豐富的視錐細(xì)胞[43]。貓頭鷹等黃昏或夜間活動鳥類視網(wǎng)膜以視桿細(xì)胞為主，缺乏感知紫外線的單視錐細(xì)胞，卻也可探測紫外光，因視桿細(xì)胞敏感性增加，貓頭鷹在夜晚將反射紫外線的羽毛當(dāng)作更強的視覺信號[29]。

2 非視覺效應(yīng)特點

1998年，Provencio等在非洲爪蟾光敏性皮膚黑色素細(xì)胞中首次鑒定出視黑素（Melanopsin）[44]；2002年，Berson等發(fā)現(xiàn)哺乳動物視網(wǎng)膜中第三類感光細(xì)胞——內(nèi)部感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（Intrinsically photosensitive retinal ganglion cell,ipRGC）[45]。視黑素和ipRGC的發(fā)現(xiàn)，打破以往認(rèn)為光信息感知僅限于視錐視桿細(xì)胞主導(dǎo)的視覺感知觀念[46]，拉開非視覺效應(yīng)（Non-visual effect）研究序幕。非視覺效應(yīng)指光參與調(diào)節(jié)動物激素分泌、瞳孔收縮和晝夜節(jié)律等生物效應(yīng)，因此也可稱為非視覺生物效應(yīng)（Non-visual biological effect）。哺乳動物中，視黑素是ipRGC中和光信號傳導(dǎo)有關(guān)的關(guān)鍵色素[47-48]，可調(diào)節(jié)生物鐘并產(chǎn)生其他非視覺效應(yīng)[49]。哺乳動物和嚙齒類動物中，視黑素僅在ipRGC內(nèi)特異性表達(dá)，但視黑素在所有脊椎動物中均表達(dá)[44,50]。雞等禽類視網(wǎng)膜中其他視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（Retinal ganglion cell,RGC）也可表達(dá)視黑素[50]。

2.1 禽類光信息感知通路

禽類感知外界光刺激途徑主要包括下丘腦光受體和視網(wǎng)膜光受體，將光信息轉(zhuǎn)化為電信號，影響腦垂體釋放激素調(diào)節(jié)機體生長發(fā)育、生產(chǎn)性能和行為活動[51]。光照可直接作用于肉雞眼球，光信號經(jīng)視錐視桿細(xì)胞轉(zhuǎn)化為電信號后傳遞至大腦皮層形成視覺。另外，如圖9所示，光照也可作用于禽類視錐視桿細(xì)胞，產(chǎn)生神經(jīng)沖動傳遞到下丘腦，或光信號直接透過禽類顱骨刺激下丘腦上的光感受體，兩條非視覺通路相互作用，促進(jìn)下丘腦分泌促性腺激素釋放激素（Gonadotropinreleasing hormone,GnRH），對垂體前葉（Anterior pituitary）產(chǎn)生刺激，影響相關(guān)性腺激素分泌[52]。此外，下丘腦也可通過視交叉上核（Supraoptic nucleus,SCN）和松果體（Pineal gland）調(diào)節(jié)鐘基因（cClock,cBmal1,cBmal2,cCry1,cCry2,cPer2,cPer3）表達(dá)和褪黑素（Melatonin）合成關(guān)鍵——芳烷基胺N-乙?；D(zhuǎn)移酶（Arylalkylamine N-acetyltransferase,AANAT）的轉(zhuǎn)錄，影響褪黑素合成與分泌、禽類生理節(jié)律[53-54]。鳥類生理節(jié)律由主時鐘（Master clock）驅(qū)動，包括SCN、松果體和視網(wǎng)膜，亮暗周期是同步節(jié)律變化（如免疫反應(yīng)）的重要線索[55]。

圖9 禽類非視覺效應(yīng)Fig.9 Non-visual effectsof light in poultry

2.2 視網(wǎng)膜外光受體

過去認(rèn)為，視網(wǎng)膜和松果體是脊椎動物最主要感光組織，研究表明視網(wǎng)膜外光受體（Extraretinal photoreceptor）通過非視覺成像（Non-imageforming）產(chǎn)生非視覺效應(yīng)影響行為[56]。脊椎動物前腦（Forebrain）存在的視網(wǎng)膜外光受體如下[57]：①松果體（Pineal organ or Pineal body），所有非哺乳脊椎動物均存在；②松果體旁器（Parapineal organ），多見于硬骨魚和七鰓鰻；③顱外第三眼（Extracranial‘third eye’），青蛙中稱為額器（Frontal organ），蜥蜴中稱為頂眼（Parietal eye）；④腦深層光受體（Deep brain photoreceptors），非哺乳脊椎動物大腦區(qū)域存在；⑤外側(cè)眼（Lateral eyes），所有脊椎動物的外側(cè)眼均包含感光細(xì)胞。

非哺乳脊椎動物普遍存在視網(wǎng)膜外光受體，可表達(dá)視錐細(xì)胞、視桿細(xì)胞或其他類型光色素[56-57]。低等和新生哺乳動物，存在視網(wǎng)膜外光受體，但成年哺乳動物中缺少視網(wǎng)膜外光受體[58]。視網(wǎng)膜外光受體擁有和視錐視桿細(xì)胞相似的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，可對光產(chǎn)生類似反應(yīng)，其主要存在于皮膚、角膜、虹膜和中樞神經(jīng)系統(tǒng)[59]。松果體是間腦（Diencephalon）內(nèi)上丘腦（Epithalamus）的一部分，有專門分泌褪黑激素的細(xì)胞。脊椎動物中松果體器官的細(xì)胞日常功能類似于“光學(xué)神經(jīng)內(nèi)分泌單元”（Photoneuroendocrine unit），將光刺激轉(zhuǎn)化為神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)，其中包括合成褪黑素并釋放到腦脊液（Cerebrospinal fluid,CSF）[56,59]。此外，與腦脊液接觸的神經(jīng)元可通過突觸和非突觸信號和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)連接[56]。鳥類光感受體常見分布如圖10所示。

圖10 鳥類光感受體位置[57]Fig.10 Proposed sites of encephalic photoreception in birds

鳥類光信號傳導(dǎo)如圖11所示，下丘腦室旁器官（Paraventricular organ,PVO）中表達(dá)第五類視蛋白接觸腦脊液的神經(jīng)元所檢測到的光信息，傳遞至垂體結(jié)節(jié)部（Pars tuberalis,PT）誘導(dǎo)促甲狀腺激素（Thyroid stimulating hormone,TSH）表達(dá)，從而促進(jìn)腦室膜細(xì)胞（伸長細(xì)胞）中TSH受體表達(dá)2型脫碘酶（Type 2 deiodinase,DIO2），DIO2將甲狀腺素（Prohormone thyroxine,T4）轉(zhuǎn)化為具有生物活性的3,5,3′-三碘甲狀腺氨酸（3,5,3′-triiodothyronine,T3），長時間誘導(dǎo)產(chǎn)生的T3導(dǎo)致神經(jīng)末梢和神經(jīng)膠質(zhì)形態(tài)變化[60]。促進(jìn)GnRH分泌，GnRH包括促黃體生成素（Luteinizing hormone,LH）和促卵泡激素（Follicle-stimulating hormone,FSH）。

圖11 鳥類光信號傳導(dǎo)示意圖[60]Fig.11 Representation of thephotoperiodic signal transduction cascadein birds

2.3 常見非視覺效應(yīng)

幾乎所有生物均根據(jù)地球軸向自轉(zhuǎn)調(diào)整其行為和生理節(jié)律（休息-活動周期、進(jìn)食、新陳代謝、免疫功能、激素分泌和認(rèn)知能力），這種調(diào)節(jié)關(guān)鍵是使內(nèi)部生物鐘與外部時間相適應(yīng)[12]。常見非視覺效應(yīng)包括鐘基因表達(dá)[54,61]，褪黑素分泌[54,62]和瞳孔光反應(yīng)（Pupillary light reflex,PLR）[63-64]。

2.3.1 鐘基因表達(dá)

與禽類生理節(jié)律相關(guān)核心鐘基因包括：cBmal1、cBmal2、cClock、cCry1、cCry2、cPer2和cPer3[53,54,65]。鐘基因可分正向基因（Positiveelement）和反向基因（Negative element）兩類，正向基因包括cBmal1、cBmal2和cClock；反向基因包括cCry1、cCry2、cPer2和cPer3[65-66]。

光照條件下鐘基因表現(xiàn)出明顯晝夜震蕩[53,61,67]。鐘基因表達(dá)不依賴于光照時長，但持續(xù)光照條件導(dǎo)致日變化幅度降低[68]。Liu等研究發(fā)現(xiàn)，相比于白光，單色光養(yǎng)殖下雞肝臟鐘基因表達(dá)節(jié)律并未發(fā)生明顯變化，但松果體切除手術(shù)明顯降低肝臟鐘基因表達(dá)[54]。Bian等研究雞離體視網(wǎng)膜組織中鐘基因的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)黑暗條件下，cBmal1、cCry1、cPer2和cPer3表達(dá)呈現(xiàn)晝夜節(jié)律[61]。

綠光提高正向基因mRNA轉(zhuǎn)錄振幅和中值，降低反向基因mRNA轉(zhuǎn)錄振幅和中值，而紅光作用則反之[53,66]。Jiang等研究單色光對雞松果體鐘基因表達(dá)影響后發(fā)現(xiàn)，相比于白光，藍(lán)光使反向基因表達(dá)峰值期提前0.1～1.5 h，使正向基因表達(dá)峰值期推遲0.2～0.8 h；紅光推遲除cClock和cPer2外所有鐘基因表達(dá)0.3～2.1 h；而綠光推遲除cBmal2外所有鐘基因表達(dá)峰值期0.5～1.5 h[65]。

2.3.2 褪黑素分泌

褪黑素是指視網(wǎng)膜和松果體中感光細(xì)胞在黑暗中合成和釋放的神經(jīng)激素[59]。褪黑素分泌具有晝夜節(jié)律[69-70]，夜幕降臨后光刺激減弱導(dǎo)致合成褪黑素酶類活性增強，褪黑素分泌水平也相應(yīng)升高，在2:00～3:00達(dá)到高峰[71]。不同顏色和強度的光影響鳥類褪黑素分泌、日常行為和生理節(jié)律[72]。Deep等研究光強對肉雞日常行為影響發(fā)現(xiàn)，1～40 lx背景光下養(yǎng)殖肉雞分泌褪黑素節(jié)律無明顯差異，僅休息行為增加[73]。Zawilska等研究發(fā)現(xiàn)24:00前給予6 h光照，24 h后AANAT節(jié)律相位推遲（3.5±0.4）h，反映夜晚光線抑制AANAT活性和褪黑素分泌[70]。

Bian等研究雞視網(wǎng)膜褪黑素分泌發(fā)現(xiàn)，綠光通過加速cClock和cBmal1等鐘基因表達(dá)，促進(jìn)AANAT表達(dá)和褪黑素合成[74]。Chen等研究褪黑素對單色光誘導(dǎo)的T淋巴細(xì)胞增值發(fā)現(xiàn)，松果體切除降低血液循環(huán)中褪黑素濃度，抑制T淋巴細(xì)胞增殖，消除綠光和紅藍(lán)光之間差異[75]。綠光通過增強正向基因表達(dá)和抑制反向基因表達(dá)，促進(jìn)AANAT合成，提高褪黑素分泌[53,66]。此外在肉雞下丘腦中，褪黑素對于綠光增強GHRH表達(dá)和血漿GH濃度起關(guān)鍵作用，因為綠光提高GHRH的mRNA和蛋白水平，而在松果體切除后不同單色光之間無顯著差異[10]。

非視覺成像最大敏感波段為446～483 nm，因該波段褪黑素分泌明顯受抑制[13]。在抑制生理節(jié)律牽引方面短波長光譜更有效，因相比于長波，短波長光譜可抑制褪黑素分泌[11]。核磁共振表明，與綠光或紫光相比，白天暴露于藍(lán)光下，大腦皮質(zhì)丘腦和腦干區(qū)域相關(guān)記憶任務(wù)更有效，因藍(lán)光可抑制褪黑素分泌，減少反應(yīng)時間提高注意力，提升視覺舒適度[13]。

2.3.3 瞳孔光反應(yīng)

在人類視網(wǎng)膜中，ipRGC可整合來自視錐視桿細(xì)胞的信號[76-78]，并將其傳輸?shù)絊CN等非視覺成像區(qū)域[45,77,79]，從而產(chǎn)生廣泛的非視覺效應(yīng)，如瞳孔收縮、睡眠調(diào)整、節(jié)律牽引和情緒控制[76,80]。Kelbsch等發(fā)現(xiàn)，光刺激面積、亮度、時間、波長和背景照明均影響PLR[81]。與人類相比，家禽瞳孔收縮速度更快，但振幅更小[82]。基于人類穩(wěn)定瞳孔收縮率和最大瞳孔收縮率數(shù)據(jù)的光譜敏感性曲線如圖12所示[83]。

圖12 基于瞳孔光響應(yīng)光譜敏感型曲線[83]Fig.12 Spectral sensitivity curve based on pupillary light reflex

對于禽類來說，雖然體內(nèi)缺少ipRGC，但可通過松果體等視網(wǎng)膜外光受體分泌褪黑素等激素影響PLR。Valdez等發(fā)現(xiàn)盲雞（視網(wǎng)膜上無視錐視桿細(xì)胞）一天中CT6時（白天開始光照后第6個小時）PLR最為強烈，且藍(lán)光對其影響強于白光，說明在非哺乳脊椎動物中，也存在節(jié)律性PLR[64]。另外在L:D=12:12（12 h光照，12 h黑暗）光周期下，雞也表現(xiàn)明顯PLR和進(jìn)食節(jié)律性[84]，且這種節(jié)律性可能是由維生素A為基礎(chǔ)的光色素（最大吸收峰為480 nm）所調(diào)節(jié)[64,84]。

3 光譜敏感性測量方法

目前發(fā)展成熟的禽類光譜敏感性檢測方法共有3種，分別為顯微分光光度法（Microspectrophotometry）、視網(wǎng)膜電圖法（Electroretinogram method）和行為學(xué)測試法（Behavioral test）。

3.1 顯微分光光度法

視錐細(xì)胞除可單獨分離外，也可通過柱層析等方法將其中色素分離純化，然后使用顯微分光光度計測定細(xì)胞或色素吸收光譜，稱為顯微分光光度法[25,28,85]。在本文1.1章節(jié)中關(guān)于視錐細(xì)胞所含色素最大吸收峰及油滴截止波長等測定都應(yīng)用了顯微分光光度法。但顯微分光光度法仍存在諸多問題。首先，禽類視網(wǎng)膜上的油滴直徑僅為2～4μm，加之油滴周圍漏光，造成使用顯微分光光度法獲得禽類視網(wǎng)膜色素吸收光譜的難度較大；其次，禽類視錐細(xì)胞外節(jié)較薄，如摘除視網(wǎng)膜，勢必破壞視錐細(xì)胞外節(jié)部分，使獲得的吸收光譜無法完整反映視錐細(xì)胞光譜敏感性[86]。

3.2 視網(wǎng)膜電圖法

將動物固定在可調(diào)支架上，將一個引導(dǎo)電極與角膜接觸，另一個面積較大的參照電極放在額部或結(jié)膜等部位，將接地電極置于同側(cè)前額或頰部，當(dāng)給視網(wǎng)膜以光刺激時可在示波器上觀測到一系列電位變化[87]，即視網(wǎng)膜電圖（ERG）。ERG組成包括a、b、c及d波、早期感受器電位、暗適應(yīng)及明適應(yīng)閾值和振蕩電位等。

McGoogan等在雄性白色來航雞ERG檢測中發(fā)現(xiàn)，L∶D=12∶12或全程黑暗養(yǎng)殖環(huán)境下，ERG的a波和b波振幅白天高于夜間，且兩種波潛伏期夜間比白天長[88]。Wu等在白尾鴿ERG檢測中也有類似發(fā)現(xiàn)，白天ERG的b波振幅高于夜間，夜間ERG的a波和b波潛伏期比白天更長[89]。

視網(wǎng)膜電圖法雖可有效測量視錐視桿細(xì)胞、雙極細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的功能，但傳統(tǒng)全視野ERG測量的是視網(wǎng)膜內(nèi)細(xì)胞受光刺激后總電位變化，難以判別局部病變，因此多焦視網(wǎng)膜電圖（mf-ERG）被應(yīng)用于視網(wǎng)膜病變研究[90]。另外，ERG測量時，電極接觸不良、眼睛偏差和高度近視等外界因素也影響ERG信號幅度[91]。

3.3 行為測試法

行為測試法分為適應(yīng)、訓(xùn)練和測試3個步驟，通常在以斯金納箱為原型設(shè)計的心理行為學(xué)實驗裝置中進(jìn)行[3]。適應(yīng)過程主要為減小實驗動物在陌生環(huán)境下應(yīng)激。訓(xùn)練時，箱子前部有兩個通光孔，隨機選取一個用測試光點亮，而另一個保持黑暗。禽類識別準(zhǔn)確后得到食物獎勵，經(jīng)不斷訓(xùn)練直至其對其中點亮的通光孔作出正確反應(yīng)。測試時，將點亮通光孔光源換成不同波長單色光，并不斷降低光照強度（以光量子通量密度表征，μmol·m-2·s-1），直至其通光孔無法被正確識別，即可得到不同波長單色光能感知的光照強度閾值，進(jìn)而歸一化處理得到光敏感曲線。

運用該方法，學(xué)者們研究16周齡Cobb肉雞、17周齡雌性火雞、19周齡母鴨和成年人明視覺光敏感曲線，對比發(fā)現(xiàn)3種家禽光敏感曲線存在峰值波長相近的4個峰，最敏感波長與人類相同，為544～577 nm；而該方法測得的人類光敏感曲線比CIE標(biāo)準(zhǔn)曲線也多1個約450 nm波峰（見圖13）[3-4]。

圖13 行為測試法測量火雞、鴨子、雞、人類光譜敏感性曲線[4]Fig.13 Behavioral test for measurement in spectral sensitivity curveof duck,turkey,broiler and human

行為測試法雖從生物體水平揭示家禽視網(wǎng)膜光譜敏感性，但此類測試具體實施具有一定挑戰(zhàn)性。首先，不同年齡和性別家禽，光譜敏感性可能差異較大；其次，試驗中背景顏色和亮度也影響動物色彩感知[92-93]，昏暗光線下一般脊椎動物會失去對顏色的感知能力[94]；最后，并非所有物種均可通過行為訓(xùn)練以重復(fù)執(zhí)行特定的行為任務(wù)。另外，行為測試法并不能闡明家禽感光通路機制。

4 結(jié)論

目前禽類養(yǎng)殖中，光環(huán)境主要圍繞人類視覺系統(tǒng)設(shè)計，忽視禽類實際生產(chǎn)需求，因此探討不同單色光下禽類光譜敏感性特點，設(shè)計符合禽類視覺的光照環(huán)境極具研究價值和應(yīng)用前景。與此同時，以下難點亟需解決：①在分子、細(xì)胞和解剖水平上，雞胚與人類胚胎具有顯著相似性，加之其可視化和實驗操作可行性，因此雞胚常作為模型研究視網(wǎng)膜發(fā)育[95]。但在實際生產(chǎn)過程中，雛雞一般需較高光照強度和較長亮光期以輔助覓食，這可能與雛雞出雛后視網(wǎng)膜發(fā)育不成熟和視覺認(rèn)知的建立有關(guān)。Lopez等研究表明，視錐細(xì)胞油滴顏色分化開始于胚胎期第16、17天，約在出雛后第15天結(jié)束[96]。因此，雛雞視網(wǎng)膜發(fā)育和視覺認(rèn)知特性是目前迫切需解決的問題。②對于生物非視覺效應(yīng)的研究始于21世紀(jì)初ipRGC的發(fā)現(xiàn)，該細(xì)胞主要分布在哺乳動物中，而對于禽類，光往往通過非哺乳脊椎動物普遍存在的視網(wǎng)膜外光受體影響相關(guān)生理激素分泌和牽引生理節(jié)律。因此研究禽類和哺乳動物在非視覺效應(yīng)作用通路的區(qū)別十分重要。③在光譜敏感性測量方面，顯微分光光度法由于其離體破環(huán)性無法獲得完整的色素吸收光譜，區(qū)別于家禽整體光譜敏感性，故應(yīng)優(yōu)化視網(wǎng)膜剝離手段以保證視錐視桿細(xì)胞充分提?。欢暰W(wǎng)膜電圖法雖具有無損的特點，但其僅反映視網(wǎng)膜整體光譜敏感性，故應(yīng)與計算機技術(shù)結(jié)合，通過mf-ERG等技術(shù)以加強對視網(wǎng)膜內(nèi)不同區(qū)域光譜敏感性的測量能力；行為測試法雖直觀且易操作，可體現(xiàn)整體光譜敏感性，但無法探明測試環(huán)境的光色和光照強度對測試對象光譜敏感性的影響，因此需迫切明晰不同光色和光照強度測試環(huán)境下，禽類光譜敏感性規(guī)律。

從發(fā)展前景看，主要向突破技術(shù)難點和拓展實際應(yīng)用兩方面發(fā)展，今后研究重點主要集中于以下兩點：①應(yīng)用遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、蛋白組學(xué)等現(xiàn)代生物技術(shù)探索家禽光感受機制，明確家禽和人類光感受機制區(qū)別，以便為家禽光環(huán)境設(shè)計提供理論指導(dǎo)。②進(jìn)一步探索家禽在不同生長階段對于不同光譜、光照周期、光照強度的需求，制定適合家禽生長，可有效提升禽肉或禽蛋品質(zhì)的光照制度，以推動國內(nèi)家禽產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。