硒和硒蛋白在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用進展

王連順 李梓萌 靳曉敏 黃家強,3*

(1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，大連 116023；2.河北科技師范學(xué)院海洋資源與環(huán)境學(xué)院，秦皇島 066600；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)營養(yǎng)與健康系，北京 100083)

硒(selenium，Se)是最早由瑞典科學(xué)家Berzelius于1817年發(fā)現(xiàn)的一種非金屬元素[1]。在20世紀(jì)40年代以前，人們普遍認(rèn)為硒是一種有毒物質(zhì)，會威脅人類健康。直到1957年，硒被證實是動物機體必需的微量元素；1973年，世界衛(wèi)生組織(WHO)正式宣布了硒是動物機體及人類必需的微量元素[2-3]。隨著人類對硒的認(rèn)識越來越深入，硒在生理機能和應(yīng)用方面的研究也越來越多元化[4]。已有研究表明，硒在動物的生長、抗氧化和免疫系統(tǒng)中起著重要作用，其作為飼料添加劑提供給水產(chǎn)動物時，可以極大地改善水產(chǎn)動物的健康狀況[5]。

水產(chǎn)品以其高蛋白質(zhì)、低脂肪、營養(yǎng)物質(zhì)均衡及味道鮮美等諸多優(yōu)勢受到廣大消費者的青睞。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展與提質(zhì)增效需求的不斷上升，水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模也在不斷擴大。然而，集約化的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式導(dǎo)致水產(chǎn)動物抗應(yīng)激能力逐漸下降，水產(chǎn)病害種類也逐漸增加，嚴(yán)重影響了水產(chǎn)動物生產(chǎn)性能與食品安全，經(jīng)濟效益受到重創(chuàng)的報道也時有發(fā)生[6-8]。因此，尋找無毒無害且高效的飼料添加劑，成為了當(dāng)前水產(chǎn)飼料行業(yè)的研究熱點。硒是水產(chǎn)動物生長所必需的微量元素，在集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，養(yǎng)殖魚類主要從飼料中獲取機體所需的硒[9]。已有研究表明，硒缺乏會導(dǎo)致水產(chǎn)動物肌肉張力降低，生長性能下降，防御機制減弱，進而出現(xiàn)氧化損傷、組織病變，并出現(xiàn)高死亡率，而硒過量會通過各種有害癥狀對動物產(chǎn)生毒性，并可能導(dǎo)致飼料效率降低、機體生殖衰竭、組織遭到破壞，甚至出現(xiàn)器官畸形[5,9-10]?？梢姡^量或缺乏都會對魚體造成不良影響。本文針對不同硒源對水產(chǎn)動物的生理作用，以及硒在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用效果進行全面綜述，以期為硒在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的合理應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 硒的存在形式

在自然界中，硒主要以無機硒和有機硒2種形式存在。無機硒一般以硒酸鹽和亞硒酸鹽的形式存在，早期曾是水產(chǎn)動物飼料中硒源補充劑的主要形式[11]。由于其毒性較大且不易被吸收利用，故研究重點逐漸向有機硒轉(zhuǎn)變。有機硒主要以硒代蛋氨酸、硒代半胱氨酸和硒代胱氨酸等形式存在，其吸收率高、生物活性強，且毒性較低[12]。納米硒是一種新形態(tài)的硒，其相比于無機硒和有機硒具有更高的生物利用度、更低的毒性和更強的生物活性[13]，在水產(chǎn)飼料添加劑方面的應(yīng)用具有很大的潛力。不管是無機硒、有機硒還是納米硒，其作為飼料添加劑被動物攝入到體內(nèi)，都會先轉(zhuǎn)化為機體需要的含硒氨基酸或硒蛋白，再發(fā)揮生理作用。

2 硒蛋白的種類與功能

目前，硒蛋白組已經(jīng)在多種生物中進行了分析，在真核生物中已鑒定出29種硒蛋白[14]，并且在人類中已鑒定出25種硒蛋白[15]。相對于哺乳動物而言，魚類硒蛋白在合成過程中硒代半胱氨酸的合成效率更高，且魚類具有更多的硒蛋白[16-17]。目前已知的魚類硒蛋白的種類、分布及功能如表1所示。

表1 魚類硒蛋白的種類、分布及功能Table 1 Type,distribution and function of selenoproteins of fish species

續(xù)表1硒蛋白種類Selenoproteintypes魚類Fishspecies分布Distribution功能Function參考文獻ReferenceSELENOS尼羅羅非魚、草魚大腦、脾臟、腎臟;鰓、肝臟、腎臟、肌肉調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)[15,27]SELENON黃顙魚心臟、大腦、腎臟、腸道調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)[26]SELENOT黃顙魚心臟、大腦、脾臟、腎臟、腸道、肌肉、腸系膜脂肪、鰓、睪丸、卵巢抗氧化應(yīng)激并確保內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)[21]SELENOE草魚肝胰腺、脂肪組織參與脂質(zhì)代謝[27]SELENOL草魚、尼羅羅非魚肝胰腺、肌肉;鰓、肝臟、腎臟、肌肉參與脂質(zhì)代謝、氧化還原[15,27]SELENOU草魚肝胰腺、肌肉、脂肪組織參與脂質(zhì)代謝[27]SELENOK尼羅羅非魚鰓、肝臟、腎臟、肌肉調(diào)節(jié)鰓中鈣離子代謝[15]SEPHS2尼羅羅非魚鰓、大腦參與氧化應(yīng)激防御[15]SCLY尼羅羅非魚鰓、垂體、腎臟維持礦物質(zhì)平衡,平衡腎臟中的血漿穩(wěn)態(tài)和肝臟中的血液載體分子平衡[15]

3 硒對水產(chǎn)動物抗氧化、促生長和免疫調(diào)節(jié)的作用機制

3.1 抗氧化作用

在魚類養(yǎng)殖過程中，由于受到擁擠脅迫、缺氧和營養(yǎng)不良等因素的影響，魚體內(nèi)會產(chǎn)生過量的氧自由基，從而引起細(xì)胞內(nèi)的氧化-抗氧化系統(tǒng)動態(tài)平衡失調(diào)，進而誘導(dǎo)機體發(fā)生氧化應(yīng)激[28]。細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)氧化還原的含硒酶有谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)和硫氧還蛋白還原酶(TXNRD)等[29]。硒是GPX的活性中心，GPX通過催化谷胱甘肽將過氧化氫和脂質(zhì)過氧化物等有害物還原成水或無毒的羥基化合物，清除機體內(nèi)的氧化自由基，保護生物膜和生物大分子免受氧化損傷[30]。TXNRD可以催化還原性輔酶Ⅱ(NADPH)還原硫氧還蛋白(Trx)上的-S2，進而維持Trx的還原型，解除機體的氧化應(yīng)激反應(yīng)[31]。

研究表明，硒通過清除氧化自由基和脂質(zhì)過氧化物能緩解機體的氧化應(yīng)激，減輕對細(xì)胞膜和線粒體DNA造成的損傷[32-34]。研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度及不同形式的硒能夠提高機體內(nèi)GPX、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶的活性，增強機體抗氧化能力，緩解因不良條件導(dǎo)致的氧化應(yīng)激[34-37]。

GPX4能夠減少位于磷脂雙分子層中的脂質(zhì)氫過氧化物，在哺乳動物中，GPX4與成熟精子中線粒體包裹的相關(guān)結(jié)構(gòu)蛋白有關(guān)[38]。Porter等[39]推測GPX4減少脂質(zhì)氫過氧化物的能力表明它可能是大型海洋硬骨魚(如藍鰭金槍魚)中的一種重要抗氧化酶，金槍魚在身體組織中積累高水平ω-3長鏈多不飽和脂肪酸(LC-PUFA)。LC-PUFA對氧化損傷高度敏感，因此GPX4可能在減少細(xì)胞膜中的LC-PUFA氫過氧化物方面發(fā)揮作用，Bain等[40]推測GPX4在雄性魚類生育力中的作用可能與哺乳動物一致。研究發(fā)現(xiàn)，GPX1、TXNRD2、TXNRD3、硒蛋白P(SELENOP)[21]、硒蛋白L(SELENOL)[41]等都具有氧化還原功能。

3.2 促生長作用

魚類的生長性能取決于幾個因素，如日常管理、水質(zhì)、疫苗接種和溫度。除此之外，可以通過搭配營養(yǎng)均衡的水產(chǎn)飼料提高飼料的消化率，進而增強魚類的生長性能[42-43]。硒能通過調(diào)節(jié)某種生長激素——甲狀腺激素(thyroxine)，間接調(diào)控魚類的生命代謝活動。硒以硒代半胱氨酸的形式存在于甲狀腺素脫碘酶(DIO)的活性中心，通過此種方式參與甲狀腺激素的代謝調(diào)節(jié)。DIO的作用是催化四碘甲狀腺原氨酸(T4)轉(zhuǎn)變?yōu)槿饧谞钕僭彼?T3)，進而調(diào)控甲狀腺激素合成和降解，還可提高胰島素水平，促進肌肉生長和新陳代謝，從而促進動物的生長發(fā)育[5,44]。

飼料中不添加硒或添加量過少都不能滿足魚類生長需要，可能導(dǎo)致生長遲緩[43]。研究表明，通過增加飼料中的亞硒酸鹽水平，硒表現(xiàn)出胰島素樣作用，體內(nèi)己糖激酶活性增加，促進了虹鱒(Oncorhynchusmykiss)的生長和新陳代謝[44]。在草魚(Grasscarp)飼料中添加不同水平的亞硒酸鈉，顯著提高了草魚幼魚的體重，增加了蛋白質(zhì)合成和血漿三碘甲狀腺原氨酸水平，并促進了生長激素的分泌和魚體生長[45]。斑馬魚中硒蛋白N(SELENON)消耗導(dǎo)致機體紊亂和整體肌肉結(jié)構(gòu)改變，而小鼠出現(xiàn)類似于SELENON導(dǎo)致的遺傳性神經(jīng)肌肉疾病癥狀，例如脊柱強直、脊柱后凸，這些結(jié)果表明SELENON可能對成年機體肌肉中肌肉祖細(xì)胞的增殖和維持至關(guān)重要[46-47]。

3.3 免疫調(diào)節(jié)作用

魚類的抗氧化防御系統(tǒng)可以抵抗應(yīng)激，消除過量的活性氧并保護宿主，過量的活性氧可以殺傷病原體，但也會對正常的機體組織造成損害，并引起機體的過度免疫，進而增強機體的抗病性[48]。硒以硒蛋白的形式參與機體抗氧化和免疫調(diào)節(jié)機制，硒蛋白K(SELENOK)和硒蛋白S(SELENOS)是與炎癥和免疫相關(guān)的2種硒蛋白，并且在導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的條件下發(fā)揮保護細(xì)胞的作用[49]，此外，GPX可以通過保護中性粒細(xì)胞免受超氧化物衍生的自由基的傷害，中性粒細(xì)胞產(chǎn)生自由基以殺死外來微生物[50]。硒能促進吞噬細(xì)胞發(fā)揮吞噬和殺菌作用來增強機體的非特異性免疫功能，可以參與調(diào)節(jié)T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞、自然殺傷性細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的功能，還能増強體液免疫，刺激免疫球蛋白的形成，提高血液中免疫球蛋白含量，從而增強機體的免疫能力[49]。

在尼羅羅非魚的研究中發(fā)現(xiàn)，硒顯著上調(diào)了其肝脾組織中促炎因子——腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)表達，其原因是硒作為免疫刺激物可以促進巨噬細(xì)胞分泌，增強免疫防御機制并抵抗病原入侵[51]。飼料中添加硒后，草魚幼魚血清中谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)和谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)活性增加，體內(nèi)免疫球蛋白含量增加，說明硒對草魚幼魚的肝臟等組織器官具有保護作用，可以增強魚類的先天性免疫反應(yīng)[48]。

4 不同硒源在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究

硒在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用，重點在于探討不同硒源的飼料添加劑對水產(chǎn)動物的繁殖、生長發(fā)育、免疫力等方面的作用。

4.1 無機硒在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究

無機硒主要以亞硒酸鹽的形式被動擴散進入動物機體內(nèi)，必須在腸道內(nèi)先轉(zhuǎn)化為硒化物才能被吸收[43]。在水產(chǎn)動物飼料中添加無機硒，往往達不到預(yù)期的補硒效果，一般存在以下3個問題：第一，無機硒添加量低，在飼料中難以均勻分布，導(dǎo)致飼料質(zhì)量參差不齊；第二，水產(chǎn)動物很難吸收利用無機硒，利用率較低，而過量添加會造成水產(chǎn)動物中毒的現(xiàn)象；第三，水產(chǎn)動物將未利用的無機硒排泄到水中，會污染周圍的水體環(huán)境[52-53]。

在進行亞硒酸鈉和乳酸桿菌對虹鱒生長以及免疫反應(yīng)研究時，結(jié)果表明同時使用亞硒酸鈉和乳酸桿菌作為飼料添加劑可改善虹鱒魚的生長和新陳代謝，并且乳酸桿菌對虹鱒魚天然免疫應(yīng)答的影響也在亞硒酸鹽的作用下得到增強[44]。姚朝瑞等[54]通過研究硒對亞硝酸鈉導(dǎo)致草魚肝細(xì)胞氧化損傷的保護作用時，發(fā)現(xiàn)給草魚肝細(xì)胞補充硒在一定程度上能緩解亞硝酸鈉暴露導(dǎo)致的抗氧化系統(tǒng)失衡，抵抗亞硝酸鈉暴露帶來的氧化應(yīng)激，降低細(xì)胞凋亡率，維持細(xì)胞正常生長。

4.2 有機硒在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究

有機硒以主動轉(zhuǎn)運的方式被機體各組織吸收利用，并參與硒蛋白的合成。許多研究表明，在幾種水產(chǎn)動物中，有機硒比無機硒安全性能高，更具生物活性，并且具有更高的生物利用度[13,44]，因為無機硒必須先經(jīng)過自然或人工合成為硒代半胱氨酸或硒代蛋氨酸等硒化合物才可以發(fā)揮作用，而有機硒被攝入機體后會直接裂解為硒化物，而硒代蛋氨酸可轉(zhuǎn)化為硒代半胱氨酸[55]。

Bakhshalinejad等[56]在肉雞飼糧中添加亞硒酸鈉和2種有機硒富硒酵母、硒蛋氨酸進行喂養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)與添加無機硒相比，添加有機硒能顯著提高肉雞的平均日增重(ADG)。在研究不同硒源對鯉魚(Cyprinusarpio)的生長、肌肉硒濃度、肌肉鄰近成分、血液酶活性和抗氧化狀態(tài)的影響時，發(fā)現(xiàn)飼喂硒代蛋氨酸較亞硒酸鈉的魚增重更多，表明在基礎(chǔ)飼料中添加納米硒和硒代蛋氨酸可以提高鯉魚的生長性能；硒在肝臟和肌肉中積累量更多，表明有機硒在肌肉中的生物利用度可能比無機硒更高，因為它與蛋白質(zhì)結(jié)合導(dǎo)致魚肌肉中的硒含量更高[57]。在飼料中添加不同濃度的酵母硒分別對異育銀鯽(Carassiusauratusgibelio)、虹鱒有不同的生理影響，分別會提高水產(chǎn)動物的生長性能、非特異免疫能力以及改善抗氧化能力[8,58]。

4.3 納米硒在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用研究

從代謝和生理功能方面來看，有機硒和無機硒的水溶性、滲透性和生物利用度較低，相比之下，納米硒則表現(xiàn)出更高的生物利用度、更低的毒性和更強的生物活性[13,59]，部分原因是納米顆粒微小、吸附性強，可以增加其與腸壁的接觸面積，有利于胃腸道的消化與吸收，提高飼料利用率，提高動物生產(chǎn)效率，進而降低餌料系數(shù)，促進動物生長[51]，此外，在同樣低劑量條件下，納米硒顯示出抑制腫瘤發(fā)展和免疫調(diào)節(jié)的作用[8]。

在探究納米硒對氟化鈉誘導(dǎo)小鼠肝細(xì)胞組織細(xì)胞凋亡的影響時，納米硒改善了氟化鈉的毒性，通過提高肝細(xì)胞的抗氧化能力，減輕氟誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，并通過清除氧自由基環(huán)節(jié)氟暴露引起的細(xì)胞損傷以及抑制細(xì)胞凋亡信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控相關(guān)基因的表達[60]。Yu等[37]在研究納米硒對草魚抗氧化能力的影響時發(fā)現(xiàn)，納米硒通過促進肝胰腺中核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)的mRNA表達，顯著提高了GPX1和CAT的mRNA表達，提高了草魚的抗氧化能力。在研究添加不同濃度的納米硒對尼羅羅非魚的影響試驗中發(fā)現(xiàn)，添加1 mg/kg的納米硒顯著改善了魚類生長、血液學(xué)指標(biāo)以及免疫參數(shù)，表明納米硒可以改善羅非魚的營養(yǎng)生理和免疫力[61]。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，在水產(chǎn)動物飼料中添加不同硒源對水產(chǎn)動物的生長、抗氧化和免疫等方面具有重要的生理作用，而且其在不同水產(chǎn)動物體內(nèi)的生物利用情況、濃度和形態(tài)變化不同，需要繼續(xù)探尋更具生物利用價值和毒性更小的硒形態(tài)，探討硒和其他生物、非生物因子的相互作用，不同營養(yǎng)元素對硒的作用效果。此外，硒缺乏或過量都會對水產(chǎn)動物造成不利影響，因此需明晰硒對具有重要功能的生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的影響，從而為其雙重生物效應(yīng)(有益與毒性)提供明確的機理性解釋。繼續(xù)研究水產(chǎn)動物對不同硒源的攝入量，確定其安全用量范圍，重視硒在食物鏈中傳遞的規(guī)律及生物效應(yīng)和人體健康風(fēng)險評估，以探討不同養(yǎng)殖生物中普遍添加硒后人類食用安全性的問題。根據(jù)已有研究發(fā)現(xiàn)，硒蛋白是硒作用于機體的關(guān)鍵，水生生物中的硒蛋白種類明顯多于人類和哺乳動物，但目前在水產(chǎn)領(lǐng)域中有關(guān)單個硒蛋白的研究較少，應(yīng)繼續(xù)更新研究方法，利用蛋白質(zhì)組學(xué)等新方法與硒研究相結(jié)合，以明確水產(chǎn)動物新型硒蛋白的重要數(shù)據(jù)。硒在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，深入研究硒將為水產(chǎn)動物的健康養(yǎng)殖以及改善經(jīng)濟水產(chǎn)動物生長、免疫、肉質(zhì)等方面提供科技支撐。