李亮，譚婭，伍革民

(貴州省畜牧獸醫(yī)研究所，貴州貴陽550005)

生物節(jié)律影響家禽繁殖性能的作用機理

李亮，譚婭，伍革民*

(貴州省畜牧獸醫(yī)研究所，貴州貴陽550005)

生物節(jié)律是生物的生命活動呈周期性變化的規(guī)律，是一種生物生理和行為的時間機制。這個普遍存在于生命活動中的時鐘系統(tǒng)稱為生物節(jié)律系統(tǒng)，其負(fù)責(zé)機體外周組織器官生物節(jié)律的驅(qū)動、產(chǎn)生和調(diào)節(jié)等作用，分為中心時鐘節(jié)律和外周時鐘節(jié)律系統(tǒng)［1］。它們都通過時鐘基因的正負(fù)反饋作用產(chǎn)生節(jié)律信號，而中心時鐘系統(tǒng)能通過神經(jīng)和內(nèi)分泌等方式將生物節(jié)律信號傳導(dǎo)至外周組織器官，并影響外周器官功能的正常發(fā)揮，使生物體更容易適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化［2］。在家禽中生物節(jié)律對性腺發(fā)育、產(chǎn)蛋周期以及生長等具有相同的調(diào)節(jié)作用［3］，而其本質(zhì)是受時鐘基因的節(jié)律性表達(dá)的影響。

1 生物節(jié)律的普遍存在性

生物時鐘機制對所有生物體內(nèi)正常的生命活動都很重要，目前已被研究的物種都存在時鐘節(jié)律的現(xiàn)象，由一系列的時鐘基因產(chǎn)生。雖然生物體內(nèi)有很多功能的實現(xiàn)與完成都彼此相關(guān)，但在時間上都是有所不同，每個環(huán)節(jié)都存在一種復(fù)雜的調(diào)控機制影響著組織器官的各種功能的發(fā)揮。而由視交叉上核(SCN)主導(dǎo)的時鐘基因所產(chǎn)生的節(jié)律信號，通過LH激素能調(diào)控外周生物節(jié)律已達(dá)到與環(huán)境的相適應(yīng)［4，5］，從而維持了體內(nèi)生命活動的平衡。

其中生物節(jié)律時間上的區(qū)別之一就是不同行為和生命活動具有各自的規(guī)律性，從整體系統(tǒng)上觀察這種規(guī)律性，就可以稱之為生物節(jié)律。細(xì)胞分裂、呼吸、心跳和膽汁的分泌等行為只是其中的一些例子。從簡單的單細(xì)胞生物到復(fù)雜的高等植物和哺乳動物乃至人類，幾乎所有生物都存在生物節(jié)律。在家禽中時鐘基因的表達(dá)普遍存在于各個組織器官中［6］，其規(guī)律性表達(dá)對禽類產(chǎn)蛋具有重要意義。

2 時鐘基因的相互作用機制

研究人員在果蠅體內(nèi)證實了時鐘基因的存在，在真菌、細(xì)菌、青蛙和其他生物中也具有內(nèi)在的生物節(jié)律。研究證實在人類肌膚細(xì)胞中也存在時鐘基因［7］。而皮膚是人體暴露于外界環(huán)境中面積最大的器官組織，皮膚自我修復(fù)功能的時間和活性也與時鐘基因有關(guān)系，但隨著年齡增長、情緒壓力與環(huán)境侵害等因素會導(dǎo)致時鐘基因同步化皮膚細(xì)胞的循環(huán)周期失調(diào)，從而使皮膚細(xì)胞的新陳代謝與修復(fù)能力都被大幅削弱。

研究發(fā)現(xiàn)，實際上每個細(xì)胞中都存在有“發(fā)條機制”功能，甚至在胚胎發(fā)育的早期就已經(jīng)存在。這些發(fā)育時鐘能夠發(fā)送出啟動關(guān)鍵機制的時間信號，控制著細(xì)胞的生長及其向組織和器官的分化。在許多生物體內(nèi)，這種分子時鐘位于神經(jīng)系統(tǒng)和單個細(xì)胞內(nèi)。禽類、爬行類動物和魚類的松果體中都具有能接受光刺激的光敏感細(xì)胞，其是生物節(jié)律的起搏器，調(diào)節(jié)機體節(jié)律性合成與釋放激素，并影響其生長發(fā)育和性成熟［8］。這些細(xì)胞位于腦部視丘下部的“主時鐘”(又名:視交叉上核，簡稱SCN)對外周組織器官有節(jié)律地發(fā)送出時間信號，控制著生物睡眠、冬眠及其他周期性行為的正常運行［9］。

細(xì)胞時鐘機制的分子組件在不同物種和組織器官中具有高度保守的特性，并且生物節(jié)律系統(tǒng)也負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)機體各種生理功能和行為上的周期節(jié)律［10］。生物節(jié)律的產(chǎn)生是基于分子時鐘機制，其由已經(jīng)被證明的多種時鐘基因不斷進行翻譯和轉(zhuǎn)錄反饋環(huán)組成。這個“發(fā)條機制”由Clock和Bmal1異物二聚體組成的時鐘基因網(wǎng)絡(luò)正(陽性)調(diào)節(jié)子帶動［11］，其綁定在E－box增強子上并相互作用產(chǎn)生節(jié)律性的轉(zhuǎn)錄激活過程去驅(qū)動其他節(jié)律時鐘［12，13］，包括Per(homologs 1－3)和Cry(homologs 1－2)基因家族［10，14］。它們通過這種精細(xì)的相互作用來維持機體時間周期的穩(wěn)定。其中CLOCK－BMAL1組成的異二聚體會束縛在E－Box上，在轉(zhuǎn)錄激活過程的中，CLOCK(C)和BMAL(B)會將E－Box的CACGTGé序列束縛在mPer1的啟動子上，從而活化因子則激活轉(zhuǎn)錄過程;在轉(zhuǎn)錄抑制過程中，CRY－反饋環(huán)含有復(fù)雜的負(fù)調(diào)節(jié)機制作用于CLOCK－BMAL1異二聚體上，并讓活化因子復(fù)合物失去活性。一旦轉(zhuǎn)錄被抑制，CLOCK、BMAL1和PER蛋白就會過磷酸化。這些基因分別行使著不同的作用，有的基因直接參與節(jié)律的產(chǎn)生(如:PER、CLOCK等)，而有的基因參與節(jié)律的調(diào)控(比如Rev－erbα循環(huán))。這些反饋調(diào)節(jié)環(huán)在調(diào)控時鐘基因相位和振幅都扮演了非常重要的角色［15，16］。盡管研究者目前在時鐘基因如何控制組織和器官節(jié)律的機制上知道的并不多，但清楚的是這一特殊周期過程需要的時間近似24小時，并且這個周期時間和雞排卵周期保持一致，也就是說雞的排卵也是具有周期可循，從而為生物節(jié)律的研究提供了很好的模型。

3 生物節(jié)律周期的探測

生物節(jié)律已經(jīng)被證明存在于大部分的生物體中，包括從單細(xì)胞到高等動植物等，其生命活動都表現(xiàn)出一定的規(guī)律性活動。無論是行為上，如晝出夜伏、呼吸等行為，還是機體內(nèi)部的一些組織器官等功能上，隨著醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)多數(shù)生命過程都存在著周期性的振蕩，而許多疾病和職業(yè)性危害與生物節(jié)律的紊亂密切相關(guān)。目前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的生物節(jié)律現(xiàn)象多至幾百種。影響生物節(jié)律的因素也很多，其中光照在可視生物中的影響最大，能調(diào)節(jié)中心生物節(jié)律，并通過神經(jīng)和內(nèi)分泌的方式去調(diào)節(jié)機體的各種機能的正常運轉(zhuǎn)，以及對外部環(huán)境的適應(yīng)，雞的排卵、卵黃生成等過程，都表現(xiàn)出一種規(guī)律性的現(xiàn)象。

3．1 基于余弦法的譜分析方法生物節(jié)律的個體差異較大，容易受到各種因素的干擾，故近年來已發(fā)展出以電子計算機為基礎(chǔ)的余弦分析法。它不僅能迅速、準(zhǔn)確地處理大量數(shù)據(jù)，而且可排除其他生物性的干擾因素，從而將一種需要研究的生物節(jié)律分離并直觀地表示出來。此外，在時間生物學(xué)研究中出現(xiàn)了新的譜分析方法，其能更加準(zhǔn)確探測生物節(jié)律的周期。

3．2 Lomb－Scargle周期圖法最初引入天體物理學(xué)中，主要應(yīng)用于非等距時序中尋找周期性。其主要用于分析生物醫(yī)學(xué)、大氣學(xué)和天體物理學(xué)的時域序列中可能存在的周期事件，克服了傳統(tǒng)周期圖只能用于連續(xù)均勻分布時域序列的不足［17］。

3．3 最大熵譜分析方法此方法最初被用于信號處理中的自回歸模型的參數(shù)估計［18］。目前在信號處理、物理、生物科學(xué)領(lǐng)域中已得到了廣泛的應(yīng)用。

4 顆粒細(xì)胞的作用

生物節(jié)律對雞繁殖性能影響研究主要涉及到大腦SCN主節(jié)律、光周期，以及性腺激素等方面對卵巢排卵周期的作用［19］。而雞的生物節(jié)律系統(tǒng)則更加復(fù)雜，對中心節(jié)律和外周組織器官生物節(jié)律方面的研究不多。已經(jīng)有關(guān)于光照對雞產(chǎn)蛋的影響、環(huán)境對蛋雞產(chǎn)蛋影響的研究、LH激素對卵巢生物節(jié)律和卵巢排卵機制研究等報道，其中普遍研究對象是卵泡顆粒層的研究。

雞顆粒細(xì)胞位于膜層和胚胎透明帶層之間，是卵巢卵泡生長發(fā)育的重要功能細(xì)胞，其包圍并營養(yǎng)卵母細(xì)胞，與卵母細(xì)胞的生長、成熟都有緊密聯(lián)系。顆粒細(xì)胞與卵母細(xì)胞間的相互關(guān)聯(lián)作用是二者生長、發(fā)育的必要條件，且膜層、顆粒層以及胚胎形成功能上的整體，這也是排卵的必要條件;顆粒細(xì)胞從小卵泡開始一直伴隨著卵泡的生長發(fā)育過程，它的增殖與分化直接影響著卵泡的生長發(fā)育、排卵和黃體形成，以及甾體激素分泌等卵巢功能活動［20］。從客觀來講顆粒細(xì)胞也能反應(yīng)卵泡生長發(fā)育過程中的各個階段生物學(xué)狀態(tài)，當(dāng)顆粒細(xì)胞增殖受到人為干預(yù)，會破壞卵泡生長進程，并使得排卵周期紊亂;而顆粒細(xì)胞凋亡將會影響卵泡的正常發(fā)育與成熟過程，從而導(dǎo)致卵泡閉鎖，這也可能是優(yōu)勢卵泡選擇機制所遵循的一種方式。

5 生物節(jié)律對性腺發(fā)育的影響

性腺的發(fā)育受到HPG軸神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)控。下丘腦和腺垂體激素及性腺內(nèi)調(diào)節(jié)因子(性激素、卵巢肽類激素和生長因子)等控制著生殖器官的發(fā)育、卵泡發(fā)育、排卵、妊娠和泌乳等，以及生殖細(xì)胞的增殖、分化和凋亡。激素的節(jié)律性釋放在這個過程中具有關(guān)鍵的作用，其受到中心時鐘基因產(chǎn)生的中心節(jié)律調(diào)控的影響。

下丘腦接受經(jīng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)分析與整合外界刺激和自身反饋信號的各種信息后，能通過緊張性基礎(chǔ)分泌和間歇脈沖形式釋放促性腺激素釋放激素(GnRH)，而下丘腦GnRH的釋放是生殖內(nèi)分泌信號傳導(dǎo)的主要方式，且刺激垂體前葉分泌促性腺激素(GTH)，即卵泡刺激素(FSH)和黃體生成素(LH)，并作用于性腺，形成下丘腦－垂體－性腺軸，然后促進睪丸或卵巢的發(fā)育并分泌睪酮或雌二醇，這個過程保證了生殖排卵的周期性。同時性腺、垂體、下丘腦釋放的調(diào)控因子又可能作用于其自身或者反饋給上級中樞，形成長軸、短軸和超短軸反饋調(diào)節(jié)環(huán)。在雞方面，Woods等［21］報道HPG軸在雞胚發(fā)育第13．5天(雄性)和第14．5天(雌性)才開始發(fā)揮其作用，在這之前下丘腦、腺垂體、性腺各自獨立發(fā)揮作用，而這一切都受到中心時鐘基因產(chǎn)生的生物節(jié)律驅(qū)動下完成。

6 小結(jié)

家禽中生物節(jié)律由時鐘基因產(chǎn)生，并由位于大腦的中心節(jié)律驅(qū)動，且分布于各個組織器官和細(xì)胞中。規(guī)律的生物節(jié)律對于家禽生存和生產(chǎn)活動具有重要作用，而大部分動物中心時鐘產(chǎn)生的生物節(jié)律可以通過激素傳播到各個組織器官，從而實現(xiàn)了整體的功能完整性。在家禽上生物節(jié)律對產(chǎn)蛋量的影響不容忽視，了解時鐘基因產(chǎn)生的生物節(jié)律的作用機制，以及生物節(jié)律的傳播過程，對探究生物節(jié)律在實際生產(chǎn)的應(yīng)用具有重要的作用。

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S83

A

1007－1474(2016)04－0023－04

2016－05－27

省農(nóng)科院博士啟動基金(2014)

李亮(1988—)，男，碩士，研究方向:分子遺傳育種。

E－mail:llisicau@outlook．com

*通訊作者:伍革民(1972—)，男，副研究員，研究方向為家禽繁殖。