抗菌肽在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進展

趙 鳳，譚樹華（湖南科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

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抗菌肽在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用研究進展

趙 鳳，譚樹華**
（湖南科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

隨著國內(nèi)養(yǎng)豬業(yè)規(guī)?；图s化生產(chǎn)的不斷加強，高密度養(yǎng)殖對豬群的健康管理和疫病防治提出了更高的要求。目前，抗生素仍然是防治豬群病害的主要手段，但產(chǎn)生的抗生素殘留、耐藥性、危害環(huán)境等問題給畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)重的困擾，也危害人類自身的安全。因此，新型安全高效藥物的開發(fā)已成為養(yǎng)豬業(yè)健康發(fā)展和人類自身健康的迫切需要。抗菌肽（antibacterial peptides）作為生物體天然免疫防御系統(tǒng)的重要組成部分，不僅可以提高動物機體免疫力，而且還具有抑制、殺滅多種細菌、真菌、病毒、寄生蟲的生物學(xué)功能。在養(yǎng)豬生產(chǎn)中，抗菌肽作為一種新型飼料添加劑，已經(jīng)在取代或部分取代飼料抗生素、減少豬對抗生素的依賴、避免抗生素通過食物鏈傳遞威脅人體健康、增強豬對各種病原微生物的抵抗能力等方面展示出很好的應(yīng)用前景，抗菌肽作為一種環(huán)保型飼料添加劑，在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。

1 結(jié)構(gòu)特點與理化性質(zhì)

1.1 結(jié)構(gòu)特點

抗菌肽最早由瑞典科學(xué)家Boman等于1972年在果蠅中發(fā)現(xiàn)。目前發(fā)現(xiàn)抗菌肽或類似抗菌肽的小分子肽類廣泛存在于昆蟲、鳥類、陸生動物、水生動物（貝類、魚類和甲殼類、兩棲類）、植物及原核生物中，迄今已知的抗菌肽已超過2 000種，其中來源于真核生物的已超過940種。在豬體內(nèi)亦發(fā)現(xiàn)了12種以上不同的抗菌肽，這些抗菌肽具有不同的螺旋結(jié)構(gòu)，分子量相對較小（小于10 kDa），但對多種微生物有廣譜殺滅作用。

天然的動物抗菌肽大小不一，通常由12～100個氨基酸殘基組成，相對分子質(zhì)量較小，約為4～10 kDa，但其一級結(jié)構(gòu)具有一定的保守性。N端富含賴氨酸、精氨酸等陽離子型氨基酸，C端富含大于30%的疏水性氨基酸殘基如丙氨酸、纈氨酸和甘氨酸等，而其中間部分則富含脯氨酸，該結(jié)構(gòu)使抗菌肽具有表面活性劑活性。各種抗菌肽具有相似的二級結(jié)構(gòu)，大多數(shù)抗菌肽均具有兩親性的α-螺旋結(jié)構(gòu)，β-折疊、線性伸展螺旋結(jié)構(gòu)和環(huán)鏈結(jié)構(gòu)區(qū)域。α一螺旋分子的縱軸一邊為帶正電荷的親水區(qū)，對稱面為疏水區(qū)，此二級結(jié)構(gòu)決定著抗菌肽的破膜活性，α-螺旋的螺旋度降低會導(dǎo)致抗菌肽活性的急劇下降。β一片層結(jié)構(gòu)間的相互作用則保證了二聚體空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以維持抗菌肽的生物活性。

1.2 理化性質(zhì)

抗菌肽以陽離子肽居多，大多含有4個或4個以上帶正電的氨基酸，水溶性好，且具有較好的熱穩(wěn)定性，在100 ℃條件下30 min仍能保持一定活性；等電點一般＞7，表現(xiàn)出較強的陽離子性；具有較強的抗酸、堿及抗離子強度的特性，在較低的pH環(huán)境和較強的離子強度條件下仍保持較好的活性；部分抗菌肽還能通過作用于胰蛋白酶上的特殊位點，抵抗胰蛋白酶的水解作用。

2 生物學(xué)功能及作用機制

2.1 抗菌活性

抗菌活性是抗菌肽已知的主要生物學(xué)功能，其抗菌作用包括抑制革蘭氏陰性細菌和革蘭氏陽性細菌，具有廣譜性和殺菌速度快的特點。動物抗菌肽有著與青霉素等傳統(tǒng)抗生素完全不同的作用機制。傳統(tǒng)抗生素大多數(shù)是通過抑制細菌細胞壁或DNA的合成而發(fā)揮作用，而動物抗菌肽與病原體細胞膜靶部位之間的相互作用主要通過2種作用力：一是靜電引力?？咕脑谏韕H條件下常帶有一定的正電荷，易與帶負電荷的微生物細胞膜之間產(chǎn)生強烈的靜電引力。作用區(qū)域的細胞質(zhì)膜會變得不穩(wěn)定，抗菌肽會透過這個不穩(wěn)定區(qū)域進入細胞膜的脂質(zhì)雙分子層中，導(dǎo)致細胞壁結(jié)構(gòu)發(fā)生變性，通透性增加，使胞外大量水分內(nèi)流和胞內(nèi)大量內(nèi)容物外流，最后殺傷失去保護的細菌；二是受體介導(dǎo)的細胞膜相互作用力。一部分抗菌肽與細胞膜內(nèi)肽、磷脂之間相互作用形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，肽與肽之間、肽與細胞膜之間的疏水及親水功能區(qū)相互作用，能使兩親性小肽比其他方式更深入細胞膜中心，通過與細胞內(nèi)物質(zhì)的作用阻礙靶細胞壁合成其組分，或破壞細胞壁的結(jié)構(gòu)，從而殺死靶細胞［1，2］。

2.2 抗真菌活性

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過7萬種真菌，一部分會嚴(yán)重危害人類和動物的健康。最早發(fā)現(xiàn)的具有抑制真菌作用的抗菌肽是從蛙類皮膚中分離得到的蛙皮素。已發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)抗菌肽都具有抗真菌作用，但對不同種類的真菌作用效果相差卻很大。如25～199/L的天蠶素對鐮刀菌屬和曲霉菌屬真菌均具有良好的抑制作用。動物抗菌肽中的兔防御素NP-1和植物抗菌肽中的植物防御素對多種植物致病真菌都具有殺傷作用。

2.3 抗寄生蟲活性

長期以來，由于抗寄生蟲藥物的不合理使用，寄生蟲對藥物產(chǎn)生了耐藥性并且一些藥物的毒副作用嚴(yán)重，寄生蟲感染嚴(yán)重危害人類健康和畜牧業(yè)的發(fā)展?？咕脑谟行У貧缫鹑祟惣皠游锏募纳x?。ㄈ绡懠病hagas氏病、萊什曼病等）的寄生蟲方面展示出了較好應(yīng)用前景。昆蟲類抗菌肽天蠶素類似物Shiva-Ⅰ、兩棲動物類抗菌肽爪蛙素可以有效地殺滅瘧原蟲，而天蠶素和蜂毒素抗菌肽聯(lián)合使用，可以快速殺死萊什曼鞭毛蟲；柞蠶抗菌肽對陰道毛滴蟲病具有良好的治療效果。

2.4 腫瘤細胞抑制作用

一些陽離子類抗菌肽對正常細胞無殺傷作用，但對腫瘤細胞卻具有廣譜殺滅作用。如兩棲動物類抗菌肽爪蛙素、昆蟲類抗菌肽天蠶素A、蜂毒素和哺乳動物類抗菌肽α-防御素-1對動物癌細胞均具有選擇性殺傷作用?？咕膶Π┘毎淖饔弥饕鞘拱┘毎ど闲纬煽锥?，破壞腫瘤細胞的膜結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，細胞內(nèi)容物外泄，線粒體出現(xiàn)空泡化，嵴脫落，核膜界限模糊不清或核膜破損，核染色體DNA斷裂，并抑制染色體DNA的合成。

2.5 抗病毒作用

抗菌肽通過直接與病毒粒子結(jié)合、抑制病毒的繁殖、模仿病毒的侵染過程等3種方式發(fā)揮抗病毒作用。目前，已發(fā)現(xiàn)抗菌肽對感冒病毒、皰疹病毒、乙型肝炎病毒等具有抑制作用。蜂毒素和天蠶素可以在亞毒性濃度下抑制艾滋病毒HIV21的基因表達，減少HIV21的增殖。在無血清存在的情況下，高濃度（＞100μg/mL）防御素有細胞毒性，會引發(fā)HIV膜通透性大大提高。

2.6 免疫調(diào)節(jié)作用

某些抗菌肽不僅能直接殺滅體內(nèi)的病原菌，而且可調(diào)節(jié)動物的免疫功能，作為免疫調(diào)節(jié)分子調(diào)節(jié)機體免疫功能，如溶解細菌細胞壁釋放炎癥刺激信號，刺激肥大細胞脫粒促使組織胺的釋放和血管的擴張，引起嗜中性粒細胞和輔助性T細胞的趨化作用，導(dǎo)致白細胞富集到感染部位，直接作為趨化因子或誘導(dǎo)趨化因子產(chǎn)生，抑制脂多糖誘導(dǎo)的前炎癥細胞因子的產(chǎn)生、改變宿主免疫相關(guān)基因表達、促進血管生成、促進傷口愈合以及在免疫過程中起到溝通、橋梁等作用。

3 在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 抗菌肽在豬病防治中的作用

在當(dāng)前的養(yǎng)殖環(huán)境下，豬群往往受多種細菌和病毒的混合攻擊，單一藥物或抗生素使用效果不佳，且容易產(chǎn)生耐藥性。由于抗菌肽的廣譜抗性，對豬病的綜合防病抗病效果遠超一般抗生素的作用。Xiong等［3］報道飼料添加抗菌肽提高了日攝食量和飼料轉(zhuǎn)化率，極顯著降低了斷奶仔豬的腹瀉發(fā)生率和提高了存活率（P＜0.01）。麻延峰等在基礎(chǔ)日糧中添加0.4%抗菌肽防治豬呼吸系統(tǒng)疾病，發(fā)病率為10%，治愈率為88%，與運用青鏈霉素防治方法效果相比，運用抗菌肽療效高，且安全、無不良反應(yīng)。劉丁健等報道使用抗菌肽制劑能明顯降低保育豬的腹瀉率以及呼吸道病發(fā)病率，抗菌肽能夠很好地替代豬場常用的抗生素，0.3%阿莫西林組與0.1%抗菌肽組飼喂效果相當(dāng)，在基礎(chǔ)飼糧中添加0.5%抗菌肽飼喂效果最佳；0.5%抗菌肽組末重、日增重、料重比均顯著好于空白對照組及其他各試驗組，隨著抗菌肽添加量的增加，試驗豬只的腹瀉率、呼吸道病發(fā)病率、死亡率都有明顯下降。

在規(guī)?；i場母豬和仔豬進行抗菌肽替代抗生素的保健試驗中同樣證明，可減少母豬流產(chǎn)，降低弱仔率和總死產(chǎn)率，提高豬群健康狀況（如淚斑明顯減少），提高母豬泌乳量，緩解母豬便秘，提高仔豬生長速度和成活率。王琴等［4］報道了抗菌肽有降低仔豬死亡率和腹瀉率，提高生長性能的趨勢，在基礎(chǔ)日糧中添加0.2%的抗菌肽，抗菌肽組死亡率和腹瀉率分別降低了2.47%和1.24%，日增重提高了11.42%，料重比降低了5.06%，但差異不顯著，抗菌肽是替代抗生素藥物的理想選擇，具有廣闊的應(yīng)用前景?？咕闹苿┛垢篂a的機制是其具有廣譜抗菌作用，對大腸桿菌、沙門菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌等有害菌有抑制作用，從而能夠防止仔豬細菌性腹瀉，改善斷奶仔豬應(yīng)激綜合癥。

3.2 對豬生產(chǎn)性能的影響

據(jù)研究報道，在育肥豬飼糧中添加抗菌肽不僅可以改善種豬的生長性能，還可提高飼料轉(zhuǎn)化率，提高免疫力，降低糞便中氮的排放量。鄧柏林等［5］研究了抗菌肽對體重50 kg左右重的肥育豬生長性能的影響，與對照組相比，日增重極顯著提高8.30%（P＜0.01），飼料轉(zhuǎn)化效率顯著提高了9.08%（P ＜0.05），達到2.76∶1，抗菌肽組與對照組的糞便氮排放量差異極顯著（P ＜0.01），抗菌肽組糞便中氮排放量降低了6.74%，氮減排量為0.89-g/d。孔祥書等報道30日齡保育仔豬飼料中添加1 000 g/t天蠶素抗菌肽的影響，與對照組相比，添加組平均日增重顯著提高了19.17%（P＜0.05），料重比顯著降低15.98（P＜0.05）；同時，增加了經(jīng)濟效益，生產(chǎn)成本降低，減少了腹瀉的發(fā)生，抗菌肽可在保育豬的飼養(yǎng)中推廣應(yīng)用。覃小榮等（2010）研究不同劑量的抗菌肽替代抗生素對保育豬生長性能與健康水平的影響，在基礎(chǔ)日糧中添加0.5%抗菌肽飼喂效果最佳。Yoon等報道抗菌肽能促進斷奶仔豬的生長、提高表觀消化率和小腸絨毛高度，可作為潛在的抗生素替代品。

3.3 對豬腸道微生物的調(diào)節(jié)作用

抗菌肽對腸道內(nèi)微生物菌群的調(diào)節(jié)作用與抗生素相似，但抗菌肽能促進有益菌的生長，從而有利于調(diào)節(jié)體內(nèi)微生態(tài)，起到促進動物生長的作用。抗菌肽不僅對魏氏梭菌、金黃色葡萄球菌、巨大芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、鏈球菌等革蘭氏陽性菌，以及嗜水氣單胞菌、梅氏弧菌、沙門氏菌、大腸桿菌、熒光假單胞菌等革蘭氏陰性菌有抑制或殺滅作用，而且通過殺滅動物腸道中的有害菌還具有調(diào)節(jié)腸道微生物菌群平衡，提高肥育豬營養(yǎng)物質(zhì)消化率，促進動物生長和降低氮排放作用［7］。據(jù)汪以真研究報道，飼糧添加表達重組豬乳鐵蛋白基因（rPLF）的蠶蛹，可顯著增加仔豬十二指腸和空腸絨毛高度、明顯降低隱窩深度；顯著減少腸道中大腸桿菌和沙門氏菌的生長（P＜0.05）；增加乳酸菌的數(shù)量（P＜0.05），極顯著增加了雙歧桿菌數(shù)量（P＜0.01），但與抗生素添加組差異不顯著。Wu等比較飼料中添加抗生素（100 mg/kg吉他霉素和硫酸粘菌素800 mg/kg）或抗菌肽AD（400 mg/ kg）對口服大腸桿菌斷奶仔豬的影響，發(fā)現(xiàn)抗菌肽可以提高仔豬白細胞介素-1β，白細胞介素-6、IgA和IgG水平，并降低了腸道病原菌和腹瀉發(fā)生率，是抗生素的潛在替代品。

4 問題與展望

目前，抗菌肽在促進豬的生長，病害防治、提高免疫能力和提高養(yǎng)殖效益等方面已顯示出了傳統(tǒng)抗生素?zé)o可比擬的優(yōu)越性。但抗菌肽大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用仍有一些技術(shù)需要克服：一是要研究抗菌肽的添加量對生產(chǎn)性能的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高劑量的抗菌肽對育肥豬的生長會產(chǎn)生不良影響。這可能與抗菌肽具有廣譜殺菌作用，高劑量的抗菌肽可能會過多地殺滅消化道微生物菌群中的有益菌，從而降低育肥豬的消化吸收功能有關(guān)；二是天然抗菌肽含量極微，化學(xué)合成方法成本太高，因此，采用基因工程方法是目前獲得動物抗菌肽的主要技術(shù)手段，由于在原核生物中表達抗菌肽基因可能造成宿主微生物自殺而不能獲得表達產(chǎn)物，只能在真核系統(tǒng)或昆蟲系統(tǒng)中表達動物抗菌肽，目前仍存在著一定的技術(shù)難度，表達效率偏低、生產(chǎn)成本偏高而無法大規(guī)模推廣應(yīng)用；三是活性問題。一些分子較大的抗菌肽的活性與其空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過基因工程得到的抗菌肽雖然在一級結(jié)構(gòu)上與天然抗菌肽一致，卻無法保證在空間結(jié)構(gòu)上的一致，影響了抗菌肽的生物活性。但隨著抗菌肽基因工程技術(shù)的完善、抗菌肽生產(chǎn)工藝的改進，生產(chǎn)規(guī)模的擴大，成本將逐步降低，抗菌肽也必將在減少豬對抗生素的依賴，避免抗生素通過食物鏈傳遞威脅人體健康等方面發(fā)揮重要作用。

參考文獻

［1］ SHANG，D J，ZHANG Q，DONG W B，et al.The effects of LPS on the activity of Trp-containing antimicrobial peptides against Gram-negative bacteria and endotoxin neutralization［J］.Acta Biomaterialia，2016，33：153-165

［2］ 付石軍，郭時金，霍芳，等.抗菌肽的作用機理及其在養(yǎng)殖中的應(yīng)用進展［J］.飼料與畜牧：新飼料，2014（6）：40-43.

［3］ XIONG X，YANG H S，LI L，et al. Effects of antimicrobial peptides in nursery diets on growth performance of pigs reared on five different farms［J］. Livestock Science，2014（167）：206-210.

［4］ 王琴.益生菌、抗菌肽對仔豬生長性能的影響［J］.青海畜牧獸醫(yī)雜志，2015，45（4）：25-27.

［5］ 鄧柏林，何宏軒，張乃鋒，等.日糧中添加抗菌肽對育肥豬消化率及其對氮排放影響的試驗研究［J］.豬業(yè)科學(xué)，2013，30（3）：40-42.

［6］ YOON J H，INGALE S L， KIM J S，et al.Effects of dietary supplementation of antimicrobial peptide-A3 on growth performance，nutrient digestibility，intestinal and fecal micro ora and intestinal morphology in weanling pigs［J］.Animal Feed Science and Technology.2012（177）：98-107.

［7］ Hadley，E B，Hancock，R E. Strategies for the discovery and advancement of novel cationic antimicrobial peptides［J］.Curr.Top.Med.Chem.2010 （10）：1872-1881.

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基金項目：湖南省自然科學(xué)基金（144JJ7048）趙鳳（1992-），女，研究方向，動物營養(yǎng)。**通訊作者： 譚樹華，E-mail：hstan@126.com

收稿日期：（2016-03-23）