王春花 汪夢璐
(牡丹江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,牡丹江157000)
我國飼料禁抗時(shí)代的到來,使動物養(yǎng)殖業(yè)面臨新的挑戰(zhàn),開發(fā)高效、綠色的飼用抗生素替代物已成為養(yǎng)殖業(yè)的研究重點(diǎn)。目前,研究最廣泛的替抗物包括益生菌、抗菌肽、酶制劑、寡糖、溶菌酶、微量元素和植物提取物等[1-2],植物提取物因其天然、多途徑、多靶點(diǎn)、多向調(diào)節(jié)等優(yōu)勢成為抗生素替代物研究中的熱點(diǎn)。Xu等[1]利用薈萃分析研究了飼料添加劑作為潛在抗生素替代品對抑菌、生長性能、腸道形態(tài)和免疫的影響,提出不同植物提取物作為斷奶仔豬和生長豬的一級、二級和三級替抗產(chǎn)品。葛根素(puerarin)又稱二羥基異黃酮,為葛根的主要成分和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[3],其結(jié)構(gòu)與雌二醇相似(圖1),具有部分雌激素樣作用。現(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,葛根素具有抗氧化、抗炎、抗腫瘤、抗抑郁、抑菌、抗病毒、提高機(jī)體免疫力等多種生物學(xué)功能[4-7]。葛根素生物學(xué)功能的研究揭示了其作為飼料添加劑防控動物疫病、緩解應(yīng)激、促進(jìn)動物生長性能的潛能,已有研究顯示,飼糧添加葛根素能提高豬、牛、雞的生長性能與抗病性,但其作用機(jī)制與在其他動物養(yǎng)殖生產(chǎn)中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。本文對葛根素的生物學(xué)功能及其在畜禽類生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性綜述,為其作為飼料添加劑開發(fā)和在動物生產(chǎn)上的應(yīng)用提供參考。
動物機(jī)體在正常生理狀態(tài)下,存在氧化還原動態(tài)平衡,以保持機(jī)體的相對穩(wěn)態(tài),但當(dāng)動物飼養(yǎng)環(huán)境或自身狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),這種平衡易被打破,導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激[8]。動物氧化應(yīng)激是疾病發(fā)生和生產(chǎn)性能下降的重要原因之一,可引起腸道屏障功能異常、免疫功能降低、動物繁殖效率下降等,補(bǔ)充抗氧化物質(zhì)是緩解動物體內(nèi)氧化應(yīng)激狀態(tài)、減少氧化損傷最主要措施[9]。過氧化氫(hydrogen peroxide,H2O2)是一種細(xì)胞代謝產(chǎn)生的具有強(qiáng)氧化性的產(chǎn)物,丙二醛(malondialdehyde,MDA)為脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的主要降解產(chǎn)物,H2O2和MDA在體內(nèi)大量積累會對機(jī)體造成損傷[10-11]。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)等為機(jī)體內(nèi)主要抗氧化酶系,H2O2、MDA、SOD、CAT和GSH-Px已成為評價(jià)飼料添加劑抗氧化功能的重要指標(biāo)。研究顯示,葛根素具有明確的抗氧化作用,老年大鼠灌服葛根素后血清和肝臟組織中MDA含量降低,血清和肝臟組織中總抗氧化能力(total antioxidant capacity,T-AOC)和SOD、GSH-Px、CAT活性及腦中T-AOC提高[12]。Li等[13]研究表明,飼糧添加葛根素可提高斷奶仔豬腸黏膜GSH-Px、SOD活性和T-AOC;董毅[14]也證實(shí)葛根素可降低大腸桿菌感染仔豬空腸的H2O2水平,提高回腸CAT活性,說明葛根素對仔豬氧化應(yīng)激具有抑制作用,可緩解仔豬氧化應(yīng)激導(dǎo)致的腸道形態(tài)破壞等機(jī)體損傷?;钚匝踝杂苫?reactive oxygen species,ROS)是機(jī)體正常代謝產(chǎn)物,當(dāng)過量產(chǎn)生且不能及時(shí)清除時(shí),會造成機(jī)體氧化損傷導(dǎo)致疾病的發(fā)生[15-16];研究發(fā)現(xiàn),葛根素也可以通過抑制ROS的產(chǎn)生發(fā)揮抗氧化作用[17-18]。另外,研究顯示葛根素抗氧化能力與其調(diào)控機(jī)體氧化還原反應(yīng)的經(jīng)典途徑——Kelch樣ECH關(guān)聯(lián)蛋白1(Kelch like ECH associated protein 1,Keap1)/核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2,Nrf2)信號通路有關(guān),上調(diào)二相酶及抗氧化酶基因表達(dá)[19-20]。施璇[21]研究發(fā)現(xiàn),對于飼喂添加氧化大豆油飼糧的黃羽肉雞,葛根素能上調(diào)其法氏囊和脾臟中Keap1/Nrf2信號通路相關(guān)分子表達(dá)水平,促進(jìn)下游抗氧化酶的產(chǎn)生。
葛根素的抗炎功能與降低機(jī)體內(nèi)腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、白細(xì)胞介素-10(interleukin-10,IL-10)、單核細(xì)胞趨化因子-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)等促炎細(xì)胞因子和趨化因子水平有關(guān)[22-24]。研究顯示,葛根素能減少腹瀉型腸易激綜合征(diarrhea predominant irritable bowel syndrome,IBS-D)大鼠血漿中的TNF-α、IL-1β、IL-6含量與肥大細(xì)胞數(shù)量,降低IBS-D引起的炎癥反應(yīng)與內(nèi)臟高敏反應(yīng)[25]。心肌梗死后心肌纖維化與炎癥反應(yīng)相關(guān),研究表明,葛根素能降低MCP-1表達(dá),抑制心肌梗死后單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞的募集和活化,降低心肌組織中轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)的表達(dá),通過抑制炎癥反應(yīng)顯著減輕了心肌纖維化[26]。Lee等[6]研究發(fā)現(xiàn),葛根素還可通過降低p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen activated protein kinase,p38MAPK)、胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)、c-Jun末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)等蛋白的磷酸化水平抑制皮膚炎癥。葛根素的抗炎作用可能與下調(diào)Toll樣受體(Toll like receptor,TLR)、核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信號通路有關(guān)。張程美等[27]研究顯示,葛根素可下調(diào)氧化低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein,oxLDL)誘導(dǎo)人單核細(xì)胞白血病(THP-1)細(xì)胞中TLR4/NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,通過抑制細(xì)胞內(nèi)NF-κB和ERK1/2的激活降低oxLDL誘導(dǎo)的組織因子表達(dá)[28],發(fā)揮抗炎作用。另外,葛根素還可抑制高遷移率族蛋白1(high mobility group protein 1,HMGB1)/TLR4信號通路,降低黃羽肉雞免疫器官炎癥細(xì)胞因子水平,緩解氧化大豆油誘發(fā)的免疫器官組織炎癥反應(yīng)[21]。
葛根素對人肝癌細(xì)胞[29]、人軟骨肉瘤細(xì)胞[30]、膀胱癌細(xì)胞[31]和卵巢癌細(xì)胞[32]等均有抑制作用,其抗腫瘤作用與調(diào)控磷脂酰肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)等信號通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡與自噬有關(guān)。Jiang等[31]研究發(fā)現(xiàn),葛根素能下調(diào)哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)/p70核糖體蛋白S6激酶(p70 ribosomal protein S6 kinase,p70S6K)信號通路相關(guān)蛋白,促進(jìn)細(xì)胞凋亡,抑制膀胱癌T24和EJ細(xì)胞活力。張鈺欣等[33]研究顯示,葛根素能抑制非小細(xì)胞肺癌的生長、侵襲和遷移作用,其機(jī)制與上調(diào)miR-490降低其下游靶基因E3泛素連接酶DTL(dentideless E3 ubiquitin ligase)的表達(dá)、調(diào)控PI3K/Akt和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)/ERK1/2信號通路誘導(dǎo)細(xì)胞自噬有關(guān)[34]。另外,葛根素對鉑耐藥卵巢癌細(xì)胞也表現(xiàn)較好抑制作用[32],通過下調(diào)沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1,SIRT1)和抑制Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)信號通路促進(jìn)細(xì)胞凋亡。
葛根素能抑制金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大腸桿菌和枯草芽孢桿菌生長,對引起幼畜腹瀉的重要病原菌產(chǎn)毒素大腸桿菌(enterotoxicEscherichiacoli,ETEC)表現(xiàn)較好的抑制與抗黏附作用[35-36]。劉曉曦[37]研究表明,200 μg/mL葛根素可顯著抑制ETEC的生長,顯著降低ETEC的菌毛蛋白亞基FaeGmRNA的表達(dá)水平,抑制ETEC分泌外毒素。200 μg/mL葛根素預(yù)處理豬小腸上皮細(xì)胞(IPEC-J2),通過下調(diào)細(xì)胞特異性細(xì)胞黏附分子黏蛋白4(mucin 4,MUC4)和黏蛋白13(mucin 13,MUC13)抑制ETEC黏附,減少其對細(xì)胞結(jié)構(gòu)和形態(tài)的破壞[38]。葛根素對豬流行性腹瀉病毒(porcine epidemic diarrhea virus,PEDV)也有顯著抑制作用,在體內(nèi)和體外均可抑制PEDV復(fù)制,并通過調(diào)節(jié)干擾素和NF-κB信號通路來預(yù)防PEDV感染[39]。葛根素還具有防治流感病毒感染與損傷的作用。Wang等[40]研究發(fā)現(xiàn),葛根素能抑制H1N1流感病毒,阻斷病毒核蛋白的核輸出,阻止感染細(xì)胞釋放新形成的病毒顆粒。200 mg/(kg BW·d)葛根素對小鼠H1N1流感病毒感染死亡的保護(hù)率為70%,有效降低了病毒滴度與肺部炎癥[40]。Zeng等[41]研究表明,葛根素能逆轉(zhuǎn)流感病毒感染小鼠腸道和脂肪免疫反應(yīng)的損害,增加小鼠肺臟和腸黏膜中分泌型免疫球蛋白A(secretory immunoglobulin A,sIgA)的分泌水平,降低肺臟和腸黏膜中TLR、炎性因子與脂肪因子瘦素、內(nèi)脂素、脂聯(lián)素的水平。另外,葛根素還具有治療新型冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)的潛能。Pan等[42]發(fā)現(xiàn),葛根素對SARS-CoV-2感染關(guān)鍵靶點(diǎn)血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(angiotensin converting enzyme 2,ACE2)受體和病毒S蛋白具有雙重結(jié)合能力。Qin等[43]利用網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)和分子對接技術(shù)預(yù)測葛根素防治SARS-CoV-2可能與調(diào)控白細(xì)胞介素-17(interleukin 17,IL-17)、TNF-α、MAPK和低氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)信號通路抑制細(xì)胞壞死和炎癥有關(guān)。
葛根素還具有抗抑郁、調(diào)節(jié)糖脂代謝、提高機(jī)體免疫力、調(diào)節(jié)胃腸道、改善心腦血管功能等生物學(xué)功能[24,44],以上生物學(xué)功能說明葛根素在改善畜牧生產(chǎn)中動物胃腸道功能與應(yīng)激反應(yīng)具有巨大潛能。Song等[45]和Gao等[46]研究發(fā)現(xiàn),葛根素可逆轉(zhuǎn)應(yīng)激小鼠、大鼠的抑郁樣行為,改善腸道菌群結(jié)構(gòu),抑制腸黏膜屏障功能障礙和神經(jīng)炎癥損傷。Zhao等[47]研究顯示,葛根素能通過激活ERK、環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)途徑,有效改善保留性神經(jīng)損傷小鼠的抑郁和疼痛。Zhang等[48]和Hou等[49]證實(shí),葛根素能顯著降低糖尿病大鼠血糖水平,改善脂質(zhì)代謝紊亂,并通過Nrf2/血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)與NF-κB信號通路減少氧化應(yīng)激,干預(yù)糖尿病大鼠白內(nèi)障與脂肪肝的發(fā)生發(fā)展。另外,葛根素在動物胃腸道功能方面也表現(xiàn)較好的調(diào)節(jié)作用,有明顯的抗腹瀉作用[25]。葛根素能夠改善腸道菌群結(jié)構(gòu)與腸道屏障功能,通過保護(hù)腸道組織結(jié)構(gòu)和神經(jīng)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)腸道蠕動功能,抑制小鼠結(jié)腸五羥色胺含量升高以緩解腹瀉[50-51]。
飼糧添加葛根素能改善豬的腸道功能與生長性能,提高抗病性。董毅[14]研究發(fā)現(xiàn),灌服葛根素可降低ETEC感染仔豬的腹瀉率,提高仔豬生長性能、抗氧化能力與腸道免疫功能;葛根素可顯著降低ETEC感染仔豬血漿IL-6和TNF-α含量、空腸H2O2水平以及回腸IL-1β和白細(xì)胞介素-4(interleukin-4,IL-4)的mRNA相對表達(dá)量;顯著提高空腸總超氧化物歧化酶(total superoxide dismutase,T-SOD)活性、回腸CAT和T-SOD活性以及空腸免疫相關(guān)基因細(xì)胞間黏附分子-1(intercellular adhesion molecular-1,ICAM-1)和血管細(xì)胞間黏附分子-1(vascular cell adhesion molecular-1,VCAM-1)的mRNA相對表達(dá)量;葛根素還能提高仔豬盲腸和結(jié)腸乳酸菌數(shù)量,以緩解ETEC感染導(dǎo)致的空腸、回腸腸道形態(tài)受損??诜鸶剡€可預(yù)防仔豬感染PEDV腹瀉,顯著降低了免疫細(xì)胞的數(shù)量和血液促炎細(xì)胞因子的含量,通過增加腸道有益細(xì)菌的相對豐度,提高血漿D-木糖和腸型脂肪酸結(jié)合蛋白的含量,降低血漿二胺氧化酶活性,減輕仔豬腸道損傷,改善腸道功能[52]。
另外,葛根素在產(chǎn)后母豬催乳方面也有應(yīng)用。王芳芳等[53]研究發(fā)現(xiàn),在母豬飼糧中添加葛根異黃酮可顯著提高乳豬的平均日增重、平均窩重以及母豬平均日采食量、總泌乳量,提高初乳中胰島素樣生長因子-Ⅰ含量,對哺乳全期催乳素和生長激素含量均有顯著影響。葛根素還可顯著提高母豬血清T-SOD和GSH-Px活性[53],說明對母豬產(chǎn)后應(yīng)激也有一定抑制作用。葛根素在豬的脂肪代謝方面也具有調(diào)控作用。呂香州等[54]研究發(fā)現(xiàn),在細(xì)胞誘導(dǎo)液中添加40 μmol/L葛根素能夠顯著增加松遼黑豬前體脂肪細(xì)胞中脂滴和甘油三酯的含量,對成脂標(biāo)志基因過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ,PPARγ)和CCAAT-增強(qiáng)結(jié)合蛋白α(CCAAT/enhancer binding protein α,C/EBPα)以及成脂分化基因乙酰輔酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)、脂肪酸結(jié)合蛋白4(fatty acid-binding protein 4,F(xiàn)ABP4)和叉頭框蛋白O1(forkhead box protein O1,F(xiàn)OXO1)的mRNA相對表達(dá)量均有顯著上調(diào)作用,表明葛根素對松遼黑豬前體脂肪細(xì)胞脂質(zhì)沉積和成脂分化起到了積極作用。綜上所述,葛根素在豬生物學(xué)功能調(diào)控中表現(xiàn)積極作用,在豬生產(chǎn)中具有重要應(yīng)用價(jià)值。
飼糧添加葛根素能降低熱應(yīng)激反應(yīng),改善生長性能與肉品質(zhì)。在牛生產(chǎn)中,熱應(yīng)激是牛內(nèi)分泌紊亂、營養(yǎng)代謝異常和身體組織成分變化的最主要誘因之一,可導(dǎo)致肉牛的生長抑制,影響體內(nèi)脂肪的沉積。Peng等[55]研究發(fā)現(xiàn),葛根素能干預(yù)肉牛熱應(yīng)激反應(yīng),增加肉牛肌肉脂肪沉積,改善肉牛的生產(chǎn)性能和肉質(zhì);飼糧中添加400 mg/kg葛根素可降低熱應(yīng)激肉牛血清皮質(zhì)醇含量,提高血清總膽固醇、高密度脂蛋白膽固醇含量和總超氧化物歧化酶活性,增加日增重、干物質(zhì)攝入量和肌內(nèi)脂肪含量,降低牛肉剪切力;添加800 mg/kg葛根素時(shí)肉牛免疫球蛋白A(immunoglobulin A,IgA)、免疫球蛋白M(immunoglobulin M,IgM)和免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)和低密度脂蛋白膽固醇含量顯著增加。Chen等[56]研究證實(shí),葛根素可以通過激活PPARγ信號通路,上調(diào)脂肪合成和下調(diào)促進(jìn)肌肉脂肪酸氧化相關(guān)基因的表達(dá)水平,從而調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝,促進(jìn)熱應(yīng)激肉牛胸最長肌肌內(nèi)脂肪沉積,改善錦江牛的牛肉風(fēng)味。云巾宴等[57]通過體外試驗(yàn)也證實(shí),在牛前體脂肪細(xì)胞培養(yǎng)基中添加10 μmol/L葛根素可顯著促進(jìn)牛脂肪細(xì)胞的分化,增加了細(xì)胞內(nèi)的甘油三酯含量,促進(jìn)PPARγ和C/EBPα的表達(dá)。葛根素對肉牛瘤胃微生物蛋白的合成也具有促進(jìn)作用,可提高瘤胃對干物質(zhì)、中性洗滌纖維和粗蛋白質(zhì)的表觀消化率[58-59]。另外,飼糧添加葛根素也能降低宰后羊肉的剪切力,提高肌肉嫩度,進(jìn)而改善羊肉品質(zhì)[60]。
飼糧補(bǔ)充葛根素能提高雞的生長性能與抗病性。汪紀(jì)倉等[61]研究發(fā)現(xiàn),飼糧添加0.8 g/kg的葛根素能降低腹脂率和腿肌的滴水損失率,改善肉品質(zhì)。葛根素對肉雞肝功能、脂類代謝和后期生長性能具有改善作用[62-63]。葛根素能緩解氧化油脂引起的肉雞生長性能、抗氧化功能和免疫力的下降以及腸道炎癥造成的腸道結(jié)構(gòu)、功能的破壞[21,24,64]。施璇[21]和余應(yīng)梅等[24]研究發(fā)現(xiàn),飼糧添加葛根素能提高氧化大豆油飼糧黃羽肉雞小腸黏膜緊密連接蛋白閉鎖小帶蛋白-1(zonula occluden-1,ZO-1)的mRNA相對表達(dá)量,改善氧化損傷條件下腸道黏膜形態(tài)結(jié)構(gòu),肉雞抗氧化能力的提高與上調(diào)腸內(nèi)SOD活性和GSH含量、降低免疫器官M(fèi)DA含量、提高免疫器官T-AOC和SOD活性有關(guān)。飼糧添加葛根素也能保護(hù)雞免受敗血癥支原體(mycoplasma gallisepticum,MG)感染。Niu等[65]研究證明,葛根素顯著改善了MG誘導(dǎo)的雞肺泡壁增厚、肺泡腔狹窄和炎性細(xì)胞浸潤等病理損傷,有效抑制MG誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡,通過抑制TLR6/髓樣分化因子88(myeloid differentiation protein 88,MyD88)/NF-κB信號通路的激活,減少TNF-α、IL-1β、IL-6等促炎細(xì)胞因子水平。另外,葛根素還能避免跛足,提高脛骨軟骨發(fā)育不良感染雞的存活率[66]。葛根素對鴨的生長性能也有促進(jìn)作用。劉瑞玲[67]研究發(fā)現(xiàn),在櫻桃谷鴨的飼糧中添加葛根素,可以增加日增重,降低母鴨生長前期血脂、腹脂率和皮脂率,升高公鴨的腹脂率和皮脂率,使其屠宰率升高3.37%。田青[68]研究證實(shí),飼糧添加5 mg/kg葛根素可以增加櫻桃谷鴨骨骼重量、長度、骨礦物質(zhì)和鈣含量,對骨骼生長有利,但大劑量使用葛根素對骨的形成不利,這可能與其雌激素樣作用有關(guān)。
葛根素具有抗氧化、抗炎、抗腫瘤、抗微生物等生物學(xué)功能,展現(xiàn)出應(yīng)用廣、多效能的優(yōu)勢,在無抗綠色畜牧養(yǎng)殖中具有巨大潛力與應(yīng)用前景。葛根素不僅對豬、牛、雞、鴨均有促進(jìn)生長性能的作用,而且在畜產(chǎn)品肉質(zhì)改善與動物疾病防治中也有積極作用,特別是在養(yǎng)豬生產(chǎn)中,葛根素除了能夠?qū)ωi的生長性能與脂肪沉積有促進(jìn)作用外,對產(chǎn)后母豬母乳質(zhì)量、產(chǎn)后應(yīng)激均有改善作用。另外,葛根素有明確的抑制ETEC與PEDV感染、抗應(yīng)激、抗氧化和改善腸道功能作用,在防控?cái)嗄套胸i腹瀉方面也有巨大潛能,是一種值得深入研究與開發(fā)的抗生素替代物。雖然,葛根素在畜禽生產(chǎn)上的應(yīng)用已有研究報(bào)道,但其作用靶點(diǎn)與調(diào)控機(jī)制還有待深入研究,應(yīng)用價(jià)值也值得進(jìn)一步發(fā)掘。例如,葛根素兼具催乳與多途徑的抗腹瀉優(yōu)勢,是母源療法[69-70]治療仔豬腹瀉的理想化合物,在母豬膳食中添加葛根素是否可以達(dá)到防治仔豬黃白痢的作用,也值得探討與研究。