生物技术在动物营养研究中的应用
动物营养
生物技术在动物营养研究中的应用
国春艳１，２，史良２，刁其玉２
（１．新疆农业大学动物营养教研室，乌鲁木齐
８３００５２；２．中国农业科学院饲料研究所，北京１０００８１）
摘要：随着现代自然科学的发展，动物营养学也在逐渐向纵深发展。动物营养学不再局限于对畜禽营养物
质代谢的研究，而是越来越多的运用现代分子生物技术研究畜牧业生产中遇到的问题，以期获得家畜更高的生产性能，或获得更大的经济效益。生物技术现已具体应用到饲料的加工，添加剂的生产（包括酶制剂，限制性氨基酸等），饲料的检测，家畜品种的选留选育等各个领域。文章探讨了现代生物技术包括转基因技术，基因工程技术，免疫学检测技术等在动物营养中的应用现状。
关键词：转基因技术；基因工程；免疫学检测；畜牧业中图分类号：Ｑ７８；Ｓ８１１
文献标识码：Ａ文章编号：１００１－００８４（２００６）０４－００２１－０３
动物营养学是一门主要以动物生理学和动物生物化学为基础，揭示营养物质在体内的代谢机理、规律及功能、研究发挥最大遗传潜力对各种营养素的适宜需要量以及评定饲料对动物的营养价值的应用基础科学；它是沟通动物饲养学与动物生理生化等基础学科的桥梁。最终目标是为畜禽饲养中科学配制全价平衡高效饲粮奠定理论基础；通过科学饲养提高饲料报酬；从管理和饲养上考虑畜禽健康和动物福利；同时为控制畜牧生产对环境的污染，保护生态平衡提供理论指导。传统的营养学研究主要是利用一些常规的试验装置和试验方法对畜禽表观的代谢机理和饲料利用效率进行探讨。随着现代自然科学的发展，动物营养学也逐渐向纵深发展。当前营养学的研究工作不再局限于对畜禽营养物质代谢的研究，也对畜牧兽医学科领域中营养学与遗传学、兽医学之间横向联合进行了一系列深人而卓有成效的研究。在不断深入的研究中，营养学逐步实现了与分子生物学、细胞生物学、免疫学、酶学之间纵向贯穿，开创了分子水平的系统营养学研究。
动物营养学对营养素的研究经历了１９世纪５０年代前的表观水平、５０年代后的细胞和亚细胞水平以及目前的分子水平三个不同的阶段。近年来，人们已开始研究营养素在动物体内的分子水平代谢
收稿日期：２００５－１２－２４
作者简介：国春艳（１９８１－），女，硕士研究生，研究方向为动物营养与饲料。
机理，即研究营养素对特异生物活性物质基因表达各环节的作用。研究营养素对基因表达的作用是当今动物营养学的发展趋势和研究前沿，对于更深入的阐明营养素在动物体内的确切代谢机理、寻找评价动物营养状况更为灵敏的方法以及调控养分在体内的代谢路径，都具有划时代的重要科学意义。
这些重大科学问题的阐明必将依赖分子生物技术在动物营养研究中的应用，同时亦将促进其他相关学科（如：动物繁殖学、动物育种学、饲料加工学等）理论与技术的重大发展。以研究核酸、蛋白质等生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的分子生物学技术，正迅速成为现代生物技术中最具有活力的分支。以基因工程、细胞工程等技术为代表的分子生物学技术正在逐步取代某些传统的研究方法而被广泛应用于各种领域。
本文阐述了近年来有关分子生物学技术在动物营养学中应用的最新进展，营养与基因表达调控、基因工程、转基因等三个方面，并对动物营养学的发展前景作了展望。
１转基因技术在畜牧业生产中的应用
转基因技术是指将外源基因导入动物细胞或动
物受精卵中，由此稳定整合到动物基因组，并能遗传给子代。这项技术一经产生，便在改良畜禽生产性状、提高畜禽抗病力及利用畜禽生产非常规畜牧产品等方面显示了广阔的应用前景。
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饲料博览２００６年第４期
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１．１提高动物生长性能
陈永福（１９９１）用自己构建的融合基因ＯＭＴ／
主要思维路线如下：将基因工程技术转化到用作饲料的玉米、大豆、大麦中，培养出含高水平植酸酶的大豆、王米、大麦。
ｐＧＨ获得了转基猪，其生长速度提高１１．８％～１４．２％，饲料利用率提高１０％。另外，转基因羊、
转基因鸡、转基因兔、转基因牛、转基因鱼等研究也相继获得成功。
２．２在饲料添加剂原料生产中的应用
利用基因工程技术，获得具有特殊功能的“工程菌”，进而通过发酵工程技术工业化生产饲料添加剂，开创了饲料添加剂领域生产的新局面。现在基因工程技术在饲料添加剂领域运用较多的有以下几个方面。
酶制剂的生产：以往工业上生产的酶多以自然界中微生物产的自然酶的产量为依据筛选而来，而现在就可以借助基因工程技术，使一些少量存在与难培养的某些微生物中的酶，通过选择转基因到一些生长条件要求较低的宿主微生物中来生产。还有一些动物体内的酶系可以通过转基因技术在植物体中产生，如小牛凝乳酶就可通过发酵法生产。对一些存在于产毒素致病的微生物中的优良性能酶，可以将酶基因转移到安全宿主中。总之，应用基因重组技术，通过基因扩增和增强表达，就可建立表达酶制剂工程菌和基因工程细胞，从而进一步构建成新一代的生物催化剂，以引领酶类应用在各领域的更大突破。
合成氨基酸的生产：在氨基酸合成的工艺上要运用到细胞内基因重组的细胞工程技术中的细胞融合技术和转导技术。研究发现由乳糖发酵短杆菌野生型菌株经多次诱变处理，可得到以葡萄糖为原料高收率的生产赖氨酸的突变株，但缺点是其生产赖氨酸的收率同糖消耗速度之间成反比［３］。若将赖氨酸收率高，糖耗速度慢，具有α－氨基乙酸－Ｌ－半胱氨酸耐性（ＡＥＣｒ）标记的生产菌株与糖耗速度快，产赖氨酸少的具有德夸菌耐性（ＤＥＣｒ）和酮丙二酸耐性（ＫＭｒ）的突变株进行细胞融合，结果可得到赖氨酸产量较高，葡萄糖消耗速度提高３倍，发酵时间缩短１／３的新菌株。
转导技术在精氨酸的生产上已被广泛运用。
１．２改变动物体内的代谢途径
转基因技术的出现提供了通过改变动物代谢途径从而让动物自身合成赖氨酸的可能性。Ｒｅｅｓ等（１９９０）已经清楚大肠杆菌合成赖氨酸途径中的酶基因编码，运用基因转移技术也证明了在细胞中施行这些途径的可行性，因此Ｒｅｅｓ等提出设想：把赖氨酸在微生物中生物合成的途径导入动物体内，这样动物自身就能合成赖氨酸。
１．３提高动物产毛性能
由于胱氨酸在羊瘤胃中降解，所以饲料中加入胱氨酸并不能提高产毛量。因此若能够得到一种自身合成胱氨酸的转基因羊，将会大大提高羊毛产量［２］。Ｗａｒｄ（１９９１）发现某些细菌能将硫固定并转化为胱氨酸，他们分别在大肠杆菌和沙门氏菌中分离到了丝氨酸乙酸转移酶基因和Ｏ－乙酰丝氨硫化氢解酶基因，并且将这两种基因与金属硫蛋白（ＭＴ）基因启动子联接；并在３′端装上ＧＨ基因的序列，然后将这组调控序列通过转基因技术导入羊体内而得到高产羊毛转基因绵羊。
２基因工程技术在畜牧业生产中的应用
基因工程就是在体外或试管中借助于酶促反应，将目的基因或异源ＤＮＡ片段与适当的载体进行重组，造成杂种ＤＮＡ分子。然后再将这些杂种
ＤＮＡ分子输入到受体细胞中，进行无性繁殖，使
所需要的基因在细胞内表达，产生出人们所需的产物或新的生物类型。其在饲料的加工，添加剂的生产，酶、抗生素、氨基酸的生产以及家畜品种的选留、选育等畜牧业生产中得到了应用。
２．１在饲料加工上的应用
如何解决在制粒高温和在动物正常体温下同时具有较高酶活性这一矛盾是目前饲用植酸酶应用的关键性技术环节，通过基因工程技术对植酸酶基因在分子水平上进行改造将是一个强有力的手段。近年来，已从嗜温微生物中发现多种高温植酸酶，对它们的结构与热稳定性的研究将为植酸酶基因的分子改造提供理论依据，并取得了阶段性的进展。其
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Ｋｉｓｕｍｉ在精氨酸生产菌育种中从野生型黏质沙雷
氏菌Ｓｒ４１中获得代谢调节变异株ＲＡ４２４０，而ＰＡ１３７９菌株则是从同一野生菌获得的具有精氨酸
合成酶而精氨酸分解能力缺损的双重变异株。通过溶原菌体Ｐｓ２０将ＲＡ４２４０的ＡｒｇＡ基因和ＰＡ１３７９菌株中的ＬｙｓＡ基因同时转导，得到一株具有上述三种变异性状的组合株ＡＴ４０４，其精氨酸产量达
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・２５．２ｇＬ－１［３］。在氨基酸生产菌的育种上，色氨酸，苏氨酸，赖氨酸，Ｌ－脯氨酸等基因工程菌的培育均已通过此技术取得了成功。
（ＢＢＩ），其中ＫＴＩ主要抑制胰蛋白酶，ＢＢＩ主要抑制胰糜乳蛋白酶。Ｂｒａｎｄｏｎ等（１９８８）首先免疫小鼠得到单克隆抗体用以研究ＫＴＩ的抗原性。而后又制备了ＢＢＩ单克隆抗体，并建立了ＥＬＩＳＡ（酶联免疫吸附分析）方法来分析ＢＢＩ在不同大豆产品中的含量。Ｇｅｅｒｔ等（１９９３）等尝试用单克隆抗体酶联免疫吸附测定法检测大豆中的胰蛋白酶抑制因子，并绘制了竞争性ＥＬＩＳＡ曲线。Ａｍｅｒｏｎｇｅｎ等（１９９８）在
３分子生物技术在饲料检测上的应用
饲料的品质是影响动物生长和福利的一个很重要因素。现在随着生产水平的不断提高，对饲料的品质监测手段也越来越科学，分子生物技术在该领域也已有了很广泛的应用。最典型的是对胰蛋白酶活性的检测技术的发展历程。
用免疫学检测方法检测胰蛋白酶活性。早在
Ｂｒａｎｄｏｎ等的研究基础上，结合酶化学检测法将ＥＬＩＳＡ改进为特异性免疫胰／糜蛋白酶抑制因子分
析法。
综上所述，以基因工程为核心的分子生物学技术应用于动物营养学研究领域，具有很大的潜力。它不仅为动物营养学研究提供了一套全新的技术和方法，而且可在基因水平上解决许多动物机体生理病理变化、营养素的代谢调节机理以及其与机体的相互关系等问题。可以设想，基因工程抗菌肽完全可以减少甚至替代抗生素的使用；随着转基因技术的日益完善，各种生长性能优越的动物新品种将层出不穷；用转基因动物来大量生产各种生理活性物质，也将成为现实。无可置疑，２１世纪是高新技术在畜牧业应用大发展的时期，以基因工程为主导的分子生物学技术将会为我国畜牧业的发展开辟广阔前景。
［参
［１］
２０世纪６０年代末，有人就通过制备抗大豆ＫＴＩ抗
体，用血液补体的结合反应、免疫火箭电泳与免疫印迹等技术测定大豆中大豆胰蛋白酶抑制因子（ＫＴＩ）的含量，并且证明这些方法可以区别出具有活性的和热处理后变性的分子［４］。２０世纪８０年代
Ｂｒａｎｄｏｎ等进一步证明了ＫＴＩ的抗体和经不同温度处理的ＫＴＩ的结合能力与ＫＴＩ的失活程度密切相
关。所以，可以通过酶联免疫吸附测定法检测各种大豆产品中的ＫＴＩ含量。
酶联免疫吸附测定法属于免疫化学测定法的一种。该方法把酶促反应的敏感性与抗原－抗体免疫学反应的高度特异性有机地结合起来，从而进行抗原或抗体定量测定。
测定过程是先将抗原或抗体包被在固相载体（聚苯乙烯微量反应板）上，再进行一次或数次的特异性免疫反应，形成酶标记的抗原－抗体复合物，然后加入酶的相应底物，对其催化水解生成有色产物。根据产生的有色产物数量的多少，达到对抗原或抗体定量测定的目的。根据酶联免疫吸附测定方法中所用抗体的不同，可以将其分为多克隆抗体检测方法和单克隆抗体检测方法。
多克隆抗体是免疫检测中最常用的抗体来源。其制备比较简单，目前在医学和畜牧兽医学方面已得到广泛的应用。张国龙等［５］建立了３种检测大豆胰蛋白酶抑制因子的ＥＬＩＳＡ方法，分别为酶标抗原直接竞争法、酶标抗体直接抑制法和酶标抗体间接抑制法。３种方法的检测限可以达到２０ｎｇ・ｍＬ－１，抑制率在２０％～７０％之间。３种抑制曲线均呈良好的线性关系，可直接用于大豆和大豆产品中胰蛋白酶抑制因子的定量检测。
豆类中含有蛋白酶抑制因子大豆胰蛋白酶抑制因子（ＫＴＩ）和Ｂｏｗｍａｎ－ｂｉｒｋ胰蛋白酶抑制因子
考文献］
李斌，王康宁．转基因动物与动物营养［Ｊ］．饲料工业，２００３（６）：１２－１６．
［２］周庆安，姚军虎，刘文刚．基因技术在动物营养科学中的应用［Ｊ］．黑龙江畜牧兽医，２００５（３）：９－１４．
［３］朱继富，亏开兴．生物技术在动物营养学上的应用［Ｊ］．四川畜
牧兽医，２００２（２）：１０－１３．
［４］康波，杨焕民，姜冬梅．生物技术在动物营养中的应用［Ｊ］．现
代畜牧兽医，２００５（１）：１６－１８．
［５］张国龙，李德发．大豆胰蛋白酶抑制因子酶联免疫吸附测定方法的研究［Ｊ］．动物营养学报，１９９７（１）：１４－１７．
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