生物节律影响家禽繁殖性能的作用机理

李亮，谭娅，伍革民

(贵州省畜牧兽医研究所，贵州贵阳550005)

生物节律影响家禽繁殖性能的作用机理

李亮，谭娅，伍革民*

(贵州省畜牧兽医研究所，贵州贵阳550005)

生物节律是生物的生命活动呈周期性变化的规律，是一种生物生理和行为的时间机制。这个普遍存在于生命活动中的时钟系统称为生物节律系统，其负责机体外周组织器官生物节律的驱动、产生和调节等作用，分为中心时钟节律和外周时钟节律系统［1］。它们都通过时钟基因的正负反馈作用产生节律信号，而中心时钟系统能通过神经和内分泌等方式将生物节律信号传导至外周组织器官，并影响外周器官功能的正常发挥，使生物体更容易适应内外环境的变化［2］。在家禽中生物节律对性腺发育、产蛋周期以及生长等具有相同的调节作用［3］，而其本质是受时钟基因的节律性表达的影响。

1 生物节律的普遍存在性

生物时钟机制对所有生物体内正常的生命活动都很重要，目前已被研究的物种都存在时钟节律的现象，由一系列的时钟基因产生。虽然生物体内有很多功能的实现与完成都彼此相关，但在时间上都是有所不同，每个环节都存在一种复杂的调控机制影响着组织器官的各种功能的发挥。而由视交叉上核(SCN)主导的时钟基因所产生的节律信号，通过LH激素能调控外周生物节律已达到与环境的相适应［4，5］，从而维持了体内生命活动的平衡。

其中生物节律时间上的区别之一就是不同行为和生命活动具有各自的规律性，从整体系统上观察这种规律性，就可以称之为生物节律。细胞分裂、呼吸、心跳和胆汁的分泌等行为只是其中的一些例子。从简单的单细胞生物到复杂的高等植物和哺乳动物乃至人类，几乎所有生物都存在生物节律。在家禽中时钟基因的表达普遍存在于各个组织器官中［6］，其规律性表达对禽类产蛋具有重要意义。

2 时钟基因的相互作用机制

研究人员在果蝇体内证实了时钟基因的存在，在真菌、细菌、青蛙和其他生物中也具有内在的生物节律。研究证实在人类肌肤细胞中也存在时钟基因［7］。而皮肤是人体暴露于外界环境中面积最大的器官组织，皮肤自我修复功能的时间和活性也与时钟基因有关系，但随着年龄增长、情绪压力与环境侵害等因素会导致时钟基因同步化皮肤细胞的循环周期失调，从而使皮肤细胞的新陈代谢与修复能力都被大幅削弱。

研究发现，实际上每个细胞中都存在有“发条机制”功能，甚至在胚胎发育的早期就已经存在。这些发育时钟能够发送出启动关键机制的时间信号，控制着细胞的生长及其向组织和器官的分化。在许多生物体内，这种分子时钟位于神经系统和单个细胞内。禽类、爬行类动物和鱼类的松果体中都具有能接受光刺激的光敏感细胞，其是生物节律的起搏器，调节机体节律性合成与释放激素，并影响其生长发育和性成熟［8］。这些细胞位于脑部视丘下部的“主时钟”(又名:视交叉上核，简称SCN)对外周组织器官有节律地发送出时间信号，控制着生物睡眠、冬眠及其他周期性行为的正常运行［9］。

细胞时钟机制的分子组件在不同物种和组织器官中具有高度保守的特性，并且生物节律系统也负责调节机体各种生理功能和行为上的周期节律［10］。生物节律的产生是基于分子时钟机制，其由已经被证明的多种时钟基因不断进行翻译和转录反馈环组成。这个“发条机制”由Clock和Bmal1异物二聚体组成的时钟基因网络正(阳性)调节子带动［11］，其绑定在E－box增强子上并相互作用产生节律性的转录激活过程去驱动其他节律时钟［12，13］，包括Per(homologs 1－3)和Cry(homologs 1－2)基因家族［10，14］。它们通过这种精细的相互作用来维持机体时间周期的稳定。其中CLOCK－BMAL1组成的异二聚体会束缚在E－Box上，在转录激活过程的中，CLOCK(C)和BMAL(B)会将E－Box的CACGTGé序列束缚在mPer1的启动子上，从而活化因子则激活转录过程;在转录抑制过程中，CRY－反馈环含有复杂的负调节机制作用于CLOCK－BMAL1异二聚体上，并让活化因子复合物失去活性。一旦转录被抑制，CLOCK、BMAL1和PER蛋白就会过磷酸化。这些基因分别行使着不同的作用，有的基因直接参与节律的产生(如:PER、CLOCK等)，而有的基因参与节律的调控(比如Rev－erbα循环)。这些反馈调节环在调控时钟基因相位和振幅都扮演了非常重要的角色［15，16］。尽管研究者目前在时钟基因如何控制组织和器官节律的机制上知道的并不多，但清楚的是这一特殊周期过程需要的时间近似24小时，并且这个周期时间和鸡排卵周期保持一致，也就是说鸡的排卵也是具有周期可循，从而为生物节律的研究提供了很好的模型。

3 生物节律周期的探测

生物节律已经被证明存在于大部分的生物体中，包括从单细胞到高等动植物等，其生命活动都表现出一定的规律性活动。无论是行为上，如昼出夜伏、呼吸等行为，还是机体内部的一些组织器官等功能上，随着医学研究的不断深入，发现生物体内多数生命过程都存在着周期性的振荡，而许多疾病和职业性危害与生物节律的紊乱密切相关。目前已经被发现的生物节律现象多至几百种。影响生物节律的因素也很多，其中光照在可视生物中的影响最大，能调节中心生物节律，并通过神经和内分泌的方式去调节机体的各种机能的正常运转，以及对外部环境的适应，鸡的排卵、卵黄生成等过程，都表现出一种规律性的现象。

3．1 基于余弦法的谱分析方法生物节律的个体差异较大，容易受到各种因素的干扰，故近年来已发展出以电子计算机为基础的余弦分析法。它不仅能迅速、准确地处理大量数据，而且可排除其他生物性的干扰因素，从而将一种需要研究的生物节律分离并直观地表示出来。此外，在时间生物学研究中出现了新的谱分析方法，其能更加准确探测生物节律的周期。

3．2 Lomb－Scargle周期图法最初引入天体物理学中，主要应用于非等距时序中寻找周期性。其主要用于分析生物医学、大气学和天体物理学的时域序列中可能存在的周期事件，克服了传统周期图只能用于连续均匀分布时域序列的不足［17］。

3．3 最大熵谱分析方法此方法最初被用于信号处理中的自回归模型的参数估计［18］。目前在信号处理、物理、生物科学领域中已得到了广泛的应用。

4 颗粒细胞的作用

生物节律对鸡繁殖性能影响研究主要涉及到大脑SCN主节律、光周期，以及性腺激素等方面对卵巢排卵周期的作用［19］。而鸡的生物节律系统则更加复杂，对中心节律和外周组织器官生物节律方面的研究不多。已经有关于光照对鸡产蛋的影响、环境对蛋鸡产蛋影响的研究、LH激素对卵巢生物节律和卵巢排卵机制研究等报道，其中普遍研究对象是卵泡颗粒层的研究。

鸡颗粒细胞位于膜层和胚胎透明带层之间，是卵巢卵泡生长发育的重要功能细胞，其包围并营养卵母细胞，与卵母细胞的生长、成熟都有紧密联系。颗粒细胞与卵母细胞间的相互关联作用是二者生长、发育的必要条件，且膜层、颗粒层以及胚胎形成功能上的整体，这也是排卵的必要条件;颗粒细胞从小卵泡开始一直伴随着卵泡的生长发育过程，它的增殖与分化直接影响着卵泡的生长发育、排卵和黄体形成，以及甾体激素分泌等卵巢功能活动［20］。从客观来讲颗粒细胞也能反应卵泡生长发育过程中的各个阶段生物学状态，当颗粒细胞增殖受到人为干预，会破坏卵泡生长进程，并使得排卵周期紊乱;而颗粒细胞凋亡将会影响卵泡的正常发育与成熟过程，从而导致卵泡闭锁，这也可能是优势卵泡选择机制所遵循的一种方式。

5 生物节律对性腺发育的影响

性腺的发育受到HPG轴神经内分泌调节系统的调控。下丘脑和腺垂体激素及性腺内调节因子(性激素、卵巢肽类激素和生长因子)等控制着生殖器官的发育、卵泡发育、排卵、妊娠和泌乳等，以及生殖细胞的增殖、分化和凋亡。激素的节律性释放在这个过程中具有关键的作用，其受到中心时钟基因产生的中心节律调控的影响。

下丘脑接受经中枢神经系统分析与整合外界刺激和自身反馈信号的各种信息后，能通过紧张性基础分泌和间歇脉冲形式释放促性腺激素释放激素(GnRH)，而下丘脑GnRH的释放是生殖内分泌信号传导的主要方式，且刺激垂体前叶分泌促性腺激素(GTH)，即卵泡刺激素(FSH)和黄体生成素(LH)，并作用于性腺，形成下丘脑－垂体－性腺轴，然后促进睾丸或卵巢的发育并分泌睾酮或雌二醇，这个过程保证了生殖排卵的周期性。同时性腺、垂体、下丘脑释放的调控因子又可能作用于其自身或者反馈给上级中枢，形成长轴、短轴和超短轴反馈调节环。在鸡方面，Woods等［21］报道HPG轴在鸡胚发育第13．5天(雄性)和第14．5天(雌性)才开始发挥其作用，在这之前下丘脑、腺垂体、性腺各自独立发挥作用，而这一切都受到中心时钟基因产生的生物节律驱动下完成。

6 小结

家禽中生物节律由时钟基因产生，并由位于大脑的中心节律驱动，且分布于各个组织器官和细胞中。规律的生物节律对于家禽生存和生产活动具有重要作用，而大部分动物中心时钟产生的生物节律可以通过激素传播到各个组织器官，从而实现了整体的功能完整性。在家禽上生物节律对产蛋量的影响不容忽视，了解时钟基因产生的生物节律的作用机制，以及生物节律的传播过程，对探究生物节律在实际生产的应用具有重要的作用。

［1］Dibner C，Schibler U，Albrecht U．The mammalian circadian timing system:organization and coordination of central and peripheral clocks［J］．Annual review of physiology，2010(72):517－549．

［2］Duguay D，Cermakian N．The crosstalk between physiology and circadian clock proteins［J］．Chronobiology international，2009，26(8):1479－1513．

［3］张平远．利用生物节律调节畜禽生长［J］．畜禽业，1999(12):20．

［4］de la Iglesia HO，Schwartz WJ．Minireview:timely ovulation:circadian regulation of the female hypothalamo－pituitary－gonadal axis［J］．Endocrinology，2006，147(3):1148－1153．

［5］Kriegsfeld LJ，Silver R．The regulation of neuroendocrine function:Timing is everything［J］．Horm Behav，2006，49(5):557－574．

［6］刘肖意，张懋志，刘丽英，等．鸡CLOCK基因在不同组织中的表达［J］．中国畜牧杂志，2015(51):17－21．

［7］Zanello SB，Jackson DM，Holick MF．Expression of the circadian clock genes clock and period1 in human skin［J］．J Invest Dermatol，2000，115(4):757－760．

［8］王复昌，坂井田．光照管理与鸡生长发育和性成熟的关系(上)［J］．中国畜牧兽医，1983(3):7－10．

［9］Hastings MH，Herzog ED．Clock genes，oscillators，and cellular networks in the suprachiasmatic nuclei［J］．J Biol Rhythms，2004，19(5):400－413．

［10］Reppert SM，Weaver DR．Coordination of circadian timing in mammals［J］．Nature，2002，418(6901):935－941．

［11］Mirsky HP，Liu AC，Welsh DK，et al．A model of the cell－autonomous mammalian circadian clock［J］．Proc Natl Acad Sci USA，2009，106(27):11107－11112．

［12］Gekakis N，Staknis D，Nguyen HB et al．Role of the CLOCK protein in the mammalian circadian mechanism［J］．Science，1998，280(5369):1564－1569．

［13］Ueda HR，Hayashi S，Chen W，et al．System－level identification of transcriptional circuits underlying mammalian circadian clocks［J］．Nat Genet，2005，37(2):187－192．

［14］Bell－Pedersen D，Cassone VM，Earnest DJ，et al．Circadian rhythms from multiple oscillators:lessons from diverse organisms［J］．Nat Rev Genet，2005，6(7):544－556．

［15］Liu AC，Tran HG，Zhang EE，et al．Redundant function of REV－ERBα and β and non－essential role for Bmal1 cycling in transcriptional regulation of intracellular circadian rhythms［J］．PLoS genetics，2008，4(2):e1000023．

［16］Sato TK，Panda S，Miraglia LJ，et al．A functional genomics strategy reveals Rora as a component of the mammalian circadian clock［J］．Neuron，2004，43(4):527－537．

［17］Glynn EF，Chen J，Mushegian AR．Detecting periodic patterns in unevenly spaced gene expression time series using Lomb－Scargle periodograms［J］．Bioinformatics，2006，22(3):310－316．

［18］Rosato E．Circadian rhythms:Methods and protocols:Springer Science＆Business Media，2007．

［19］Sellix MT，Menaker M．Circadian clocks in the ovary［J］．Trends Endocrinol Metab，2010，21(10):628－636．

［20］Ahumada－Solórzano SM，Carranza ME，Pedernera E，et al．Local expression and distribution of growth hormone and growth hormone receptor in the chicken ovary:Effects of GH on steroidogenesis in cultured follicular granulosa cells［J］．General and comparative endocrinology，2012，175(2):297－310．

［21］Woods KL，Porter TE．Ontogeny of prolactin－secreting cells during chick embryonic development:effect of vasoactive intestinal peptide［J］．Gen Comp Endocrinol，1998，112(2):240－246．

S83

A

1007－1474(2016)04－0023－04

2016－05－27

省农科院博士启动基金(2014)

李亮(1988—)，男，硕士，研究方向:分子遗传育种。

E－mail:llisicau@outlook．com

*通讯作者:伍革民(1972—)，男，副研究员，研究方向为家禽繁殖。