家禽骨骼肌的生长发育规律及调控

■ 王月超 蔡辉益 闫海洁 陈晓琳 张 姝 张爱华 杨 斌 郭军蕊

（中国农业科学院饲料研究所农业部饲料生物技术重点开放实验室，北京 100081）

现代肉鸡生产主要是利用其早期生长速度快的特点，以期在短时间内获得较大体重。例如，在不到40年的时间里，饲养一只1.8 kg的肉鸡和一只30 kg的火鸡的时间已经分别缩短到5周和20周（Dransfield等，1999）。家禽胴体肌肉主要分布在胸和腿上，胸、腿肌的产量和质量是影响家禽屠宰性能的重要因素，也是家禽育种中需要选择的主要性状之一。在适宜的饲养条件下，家禽孵化后肌肉产量与肌纤维的数量密切相关（Luff等，1967）。

肌肉是体内蛋白质合成速率最低的组织，但其蛋白质占的比例很高，超过50%，每天合成总量约占全身的20%（陈守云等，2010）。畜禽从出生到成年，肌肉占全身质量的比例净增加30%～45%，构成了体蛋白质沉积的主要部分，成为体蛋白质的储备库（陈守云等，2010）。简单地说，肌肉发育过程是一个蛋白质增加及细胞增殖分化的过程。因此，研究家禽骨骼肌组织的生长发育及调控机制，将有助于提高动物机体中蛋白质的正常快速沉积，改善动物机体的生产性能和饲料转化率，获取高质高量的动物畜产品。

1 骨骼肌组织结构

骨骼肌主要由轴旁中胚层（paraxial mesoderm）的成肌细胞（Myoblast）发育而来（Buckingham等，2009），约占动物体重的40%～60%。骨骼肌通过韧带、筋膜、软骨和皮肤直接或间接与骨相连。根据性状、大小和行为动作不同，在动物体内有超过600块肌肉。每块肌肉被结缔组织管鞘覆盖，结缔组织与结缔组织鞘膜相连延伸到肌肉内，神经纤维和血管伴随着结缔组织网贯穿骨骼肌。

1.1 肌纤维基本特性

肌肉细胞（肌纤维）是构成骨骼肌组织的基本单位，约占肌肉总容积的75%～92%，还有一定量的结缔组织、血管、神经纤维和细胞外液。家禽的骨骼肌纤维呈长线状、多核、无分支，两端略尖呈锥形，直径为10～100 μm，长度为1～40 mm，最长可达100 mm。成熟的肌纤维被三层结缔组织膜围绕、支撑，它们是肌内膜、肌束膜和肌外膜。结缔组织由细胞和细胞外基质组成，细胞外基质又由纤维状的和非纤维状的蛋白组成。骨骼肌应当包含界限清楚的肌纤维以及清晰的肌内膜和肌束膜，在盲目追求快速生长的肉鸡和火鸡中，经常可以观察到肌纤维退变，肌内膜和肌束膜发生破碎。Velleman等研究发现火鸡胸肌肌纤维发生退变，肌束膜的结缔组织层毛细血管供应不足。血液供应不足使肌肉中乳酸含量增加，从而使肌肉损伤和肌纤维退变（Sosnicki等，1991）。

肌纤维直径是描述肌肉特征的重要参数，肌纤维密度即单位面积内肌纤维的数量（Nikovits等，2996）。刘冰等研究表明，家禽腿肌和胸肌的肌纤维直径随周龄的增加逐渐增大，其中腿肌纤维在0～2周龄生长速度最快；不同品种肌纤维的生长速度差异较大；同一品种在同一周龄，胸肌肌纤维直径都要小于腿肌。在杂交优势率上，杂交鸡的肌肉纤维直径并没有表现出规律性变化，而是偏向母本，表现出一定的母体效应。陈宽维等研究发现，白肌纤维直径大于红肌纤维直径和中间型肌纤维直径，并且肌纤维直径和密度共同影响肌肉的蛋白质含量。廖菁等通过研究不同品种鸭肌纤维的发育规律表明，随周龄的增加，肌纤维直径在8周龄前逐渐增大，8周龄时增长速度最快，然后基本保持稳定或有所下降。陈国宏等对肖山鸡、白耳鸡肌肉生长发育规律的研究表明：不同时期（4、8、12周龄）肖山鸡、白耳鸡胸、腿肌肌纤维密度都逐渐降低，尤以8～12周龄下降明显；同一时期、同一鸡种、不同部位，胸肌肌纤维密度大于腿肌肌纤维密度；不同鸡种、同一部位在同一时期，白耳鸡肌纤维密度高于肖山鸡。此外，纤维密度还与生长速度密切相关，快生型畜禽的肌纤维密度高于慢生型（Dransfield等，1999）；肌纤维横截面积随日龄的增加而增加，肉禽比蛋禽的大，生长速度快的比生长速度慢的大（Kong等，1985）。

1.2 肌纤维类型

骨骼肌纤维高度分化，根据其颜色、功能和生理生化特性可将肌纤维分成不同的类型。Loranzini（1673）发现骨骼肌纤维有红、白两种颜色。Ranvier（1873）提出将骨骼肌划分为红肌和白肌两种类型。Brooks等提出酶组化分类法，根据肌球蛋白ATP酶对酸碱稳定性的不同，将肌纤维分为β、α、αβ或Ⅰ、Ⅱa、Ⅱb三种类型。Peter根据肌纤维收缩速度和代谢特征的不同，将其分为慢收缩氧化型、快收缩氧化酵解型和快收缩酵解型，与上述分型基本对应。（Schiaffino,1994）在对啮齿类和人类的研究中，确认了与肌纤维相对应的4种肌球蛋白重链My HC类型。4种不同的肌球蛋白重链异构体My HC1、My HC2a、My HC2b、My HC2x分别特征性的对应4种不同类型的肌纤维1、2a、2b和2x。最新的分类方法是利用单克隆抗体确定具体的肌球蛋白亚型，基于这种方法肌纤维被确定为Ⅰ型（慢缩，氧化代谢），ⅡB型（快缩，酵解代谢）和ⅡX型（快缩，氧化酵解代谢）。慢收缩氧化型纤维是红肌纤维，快收缩氧化酵解型纤维是中间型纤维，快收缩酵解型纤维是白肌纤维。

1.3 肌纤维转化规律

不同家禽的肌纤维类型转化规律基本一致，但转化率不同。畜禽初生时肌肉主要由红肌纤维组成，出生后随着生长速度加快，肌肉纤维的酵解性增强，红肌纤维所占比例随年龄的增长而逐渐下降，白肌纤维所占比例逐渐上升。畜禽出生后肌纤维总数保持不变，肌束内红肌纤维比例的下降和上升，是由于肌肉中的红肌纤维转化成了白肌纤维（胡来根等，1990）。

魏法山等通过对不同生长阶段固始鸡不同肌纤维类型面积比动态变化的研究表明：腿肌中的红肌纤维和中间型面积和所占比例随周龄增加而增大，白肌纤维的含量逐渐减少，且公鸡比母鸡增加的快且明显；胸肌中间型肌纤维面积比例有随周龄的增加而下降的趋势，白肌纤维面积比例有增大的趋势，且公鸡前12周的中间型肌纤维面积比例一直下降，12周后稍有回升，而母鸡前9周的中间型肌纤维面积有下降的趋势，以后又逐渐上升。

2 骨骼肌生长发育机制

骨骼肌的生长可分为两个阶段，增殖和肥大。增殖是指胚胎时期成肌细胞数目增加。在肌肉发育的胚胎期，成肌细胞增殖分化形成多核肌管，然后形成肌纤维。在发育阶段，肌管形成分为2个或者3个不同的状态。第一个高峰期是来自于胚胎时期的成肌细胞（鸡孵化8 d），第二个高峰期来自于胎儿期的成肌细胞（孵化8～21 d），他们分别形成初级纤维和次级纤维（闫俊书等，2010）。胚胎期肌纤维形成后，肌纤维数目就已经固定（Smith等，1963）。孵化前肌肉的生长如何影响孵化后肌肉的增加还不得而知。

家禽孵化以后，肌肉不断生长发育，蛋白合成增加，需要更多的DNA发生转录翻译。DNA增加，细胞核增加。然而，来自成肌细胞的细胞核数目在孵化时就已经固定，新的细胞核则来源于其他类型的细胞。1961年，Mauro鉴定了这种细胞的存在并将其定义为卫星细胞。Moss等（1971）通过3H-胸腺嘧啶核苷标记小鼠的卫星细胞，标记在肌纤维的细胞核中被发现。Allen等（1979）报道成熟肌纤维中的多数细胞核来源于卫星细胞，孵化后，卫星细胞与存在的肌纤维融合使肌纤维尺寸增加。

但是，简单地通过肌纤维合并更多卫星细胞细胞核并不能使肌肉增加。肌肉增长是分解代谢和合成代谢的一个净结果，通过肌肉组织蛋白质的沉积状态可较好地反映骨骼肌的生长发育状况。在骨骼肌的生长发育过程中，肌肉蛋白质的合成与降解始终处于相互联系的动态变化之中，动物在合成新的肌肉组织蛋白的同时，原有的组织蛋白被降解成氨基酸，新降解形成的氨基酸又可用于组织蛋白合成，从而实现组织蛋白的不断更新、替换。Waterlow用“蛋白质周转”（Protein turnover）这一术语来描述蛋白质在体内的动态变化，它泛指蛋白质合成和降解的两个可逆过程。

家禽骨骼肌的蛋白质分为三类，即肌原纤维蛋白、肌浆蛋白、基质蛋白，以前者为主。从细胞水平而言，各类蛋白质周转率不同；从组织水平而言，肌肉类型不同，周转率也不同。随着畜禽年龄的增加，骨骼肌蛋白质周转率会下降。在对蛋用雏鸡的研究中观测到的数据表明，蛋用雏鸡刚孵化后的两周内，不同阶段骨骼肌蛋白质的合成速率和降解速率下降幅度非常明显，两周龄后随着年龄的增长，下降幅度减缓。像这种发育过程中蛋白质周转速率的下跌也同样在火鸡的幼雏和老鼠肌肉组织蛋白质周转代谢的研究中被发现。2周龄的肉用雏鸡和蛋用雏鸡相比，肉用雏鸡骨骼肌很高的生长发育速率主要是通过略高的肌肉组织蛋白合成速率和明显的较低的蛋白降解速率来实现的。同样地结果也出现在骨骼肌生长发育速率不同的两个品系的小鼠的研究中（Bates等，1981）。

除此之外，Reeds等通过改变蛋白水解活性，β-激动剂能够促进鼠类、羔羊、牛和鸡的肌肉生长，用β-激动剂克伦特罗（Clenbuterol）处理大鼠，结果表明，肌肉肥大完全来自蛋白分解代谢减弱。研究发现肌肉内存在3种蛋白分解系统：组织蛋白酶（溶酶体）、钙蛋白酶（Calpain）和蛋白酶体（ATP/泛素依赖性）。目前，这些酶类已经全部测序，前两种酶类的特异性抑制剂（半胱氨酸蛋白酶抑制剂和钙蛋白酶抑制蛋白）已经纯化。其中蛋白酶体作用于大多数蛋白周转代谢（Gold borng等，1996），钙蛋白酶作用于细胞骨架分解。因此，肌肉蛋白降解是调控肌肉生长的一个重要机制（Goll等，1992）。

有关生长速度对于胸肌蛋白水解能力的影响的研究（见表1）还发现，慢生型鸡具有更高的分解酶/抑制剂比率。在慢生型鸡中，分解酶过量；在快生型鸡中，抑制剂过量。白来航鸡具有最大的钙蛋白酶活力，较高的H组织蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶抑制剂活性。这些研究表明，现代肉鸡品系生长速度和肌肉重量的增加在很大程度上来源于蛋白分解代谢减弱。

表1 生长速度与蛋白水解性能的关系

其中，Calpain水解系统又包括钙蛋白酶和其内源性抑制剂钙蛋白酶抑制蛋白。Calpain的作用可能仅在细胞内蛋白质的降解过程中起调节作用，而并非整个降解过程的直接参与者。体外试验表明，快速萎缩肌肉中Calpain活性是正常的数倍，它的一个特征是Z线降解，肌动蛋白和肌球蛋白保持完整。Calpain引发肌原纤维蛋白质降解的可能机制如下：Calpain使Z线（使细肌丝固着于肌原纤维）和肌联蛋白、伴肌动蛋白（使粗肌丝和细肌丝固着于肌原纤维）降解，肌原纤维释放出肌丝。细肌丝的肌原蛋白和原肌球蛋白以及粗肌丝的C-蛋白降解，粗肌丝和细肌丝分别解离出肌球蛋白和肌动蛋白，释放出的粗肌丝和细肌丝可与母体或其他肌原纤维重新装配，也可被胞质蛋白酶或溶酶体组织蛋白酶降解成氨基酸。

3 影响骨骼肌生长发育机制的因素

蛋白质在机体内的沉积是动物生长与生产的重要内容（Campbell等，1988）。早在1940年Schoenheimer和Rittenberg就已提出动物肌肉组织的生长由肌内蛋白质的合成与降解决定。

3.1 营养对骨骼肌蛋白质代谢的调控

饲料可以刺激畜禽骨骼肌生长发育过程中蛋白质的合成，如日粮中的能量、蛋白质、氨基酸等营养因素都可提高肌肉蛋白质的沉积速度和效率。李超等（2009）对不同能量水平对北京鸭蛋白质周转代谢的影响研究表明，14日龄时能量限饲降低了骨骼肌的蛋白质合成，高能组蛋白质合成率与对照组相比未有增加反而下降。李玉欣（2003）发现在限饲阶段，能量限饲和蛋白质限饲使胸肌和腿肌蛋白质合成率显著下降；在营养恢复阶段，能量限饲对胸肌的蛋白质合成和降解率没有影响，但能量限饲显著提高了腿肌的蛋白质合成率。Rivera-Ferre等，（2005）研究显示，日粮赖氨酸缺乏会降低骨骼肌蛋白质片段的合成率，影响骨骼肌中蛋白质的生长发育。Tesseraud等研究表明，随着周龄的增加，赖氨酸缺乏使肉仔鸡骨骼肌的蛋白质合成率下降，显著降低了蛋白质的沉积。

赖氨酸缺乏对2、3、4周龄肉仔鸡不同肌肉组织及肝脏蛋白质周转代谢的影响不同，随周龄增加，肝脏蛋白质合成率（FSR）和蛋白质降解率（FBR）不变，而肌肉中的FSR下降；赖氨酸缺乏对胸大肌蛋白质周转代谢率的影响明显大于其他骨骼肌及肝脏；同一周龄骨骼肌赖氨酸缺乏组（0.77%）的FSR和FBR较对照组（1.10%）显著提高，可见赖氨酸缺乏诱发了更大的周转代谢，但周转效率却较低[44]。比较相同重量的家禽发现，赖氨酸缺乏主要体现在FBR增加，蛋白质绝对合成率降低，使肌肉产量下降。

3.2 非营养因素对骨骼肌蛋白质代谢的调控

影响骨骼肌蛋白质代谢的非营养因素很多，例如饲喂方式、环境、生理状态等都会影响家禽骨骼肌蛋白质的代谢。在补偿生长期，肌肉蛋白质的合成与对照组无显著差异，肌肉蛋白质合成量和RNA量均未发生显著变化，而蛋白质的降解率显著低于对照组。骨骼肌的蛋白质代谢还受到环境温度的影响，高温下的蛋白质降解率的降低可以通过日粮中增加甲状腺素而恢复正常。环境温度变化对蛋白质的合成与降解的影响与内分泌功能改变有关，畜禽分泌的激素在肌肉组织间有极强的营养重分配功能。例如，胰岛素能抑制因氨基酸枯竭而加强的溶酶体降解蛋白质途径，从而抑制对肌肉组织蛋白的降解，促进蛋白质合成；生长激素（Growth Hormone，GH）是垂体合成和分泌的一种多肽类物质，具有刺激蛋白质沉积、增加骨长度的作用。Leung等从鸡垂体中分离出高纯度、具有生物活性的鸡生长激素制剂，通过臂静脉每日注射GH，持续两周，结果表明外源性GH能促进4周龄小公鸡的体重增长加快。

应激对骨骼肌蛋白质代谢的影响尤为明显。畜禽应激期间蛋白质代谢的主要特征是：蛋白质分解代谢增强而合成代谢减弱，整个机体的蛋白质周转速度提高，氮排泄增加，体氮沉积降低。Yunianto等发现热应激增加了肉鸡肌肉蛋白质降解率，对合成率的影响程度远小于降解率，导致蛋白沉积减少。Temin等研究发现应激显著降低了胸肉和腿肉的蛋白质合成率和蛋白质合成能力，并且合成率的降低主要是因为蛋白质合成能力的降低引起的。

除此之外，应激使血浆中糖皮质激素含量升高[。许多研究已表明，糖皮质激素能够促进骨骼肌的蛋白质分解并且抑制骨骼肌蛋白质的合成。高浓度的糖皮质激素会引起肉仔鸡的负氮平衡造成骨骼肌萎缩；糖皮质激素对肌肉生长的抑制作用归因于骨骼肌蛋白质合成率的降低或蛋白质降解率的增加。另外，Lin等报道，糖皮质激素抑制肉仔鸡胸肌的发育强度要高于腿肌。

4 结论与展望

促进骨骼肌的生长发育取决于蛋白质在该组织中的沉积。蛋白质周转是动物体内蛋白质沉积形成动物产品的唯一生物学途径和基本机制，是生物体细胞结构和功能的根本动力学过程，研究家禽肌肉组织蛋白质的沉积有助于进一步深入阐明骨骼肌的生长发育机制。然而，虽然从不同角度研究畜禽肌肉组织的生长发育特点的报道很多，但系统而全面的研究家禽骨骼肌生长发育规律及蛋白质沉积对肌肉组织性状形成的调控的研究很少，对于骨骼肌组织蛋白沉积调控的研究也不够深入，相信这都将是动物营养领域以后的研究重点。