侯艳茹,马晓冰,苏 琳,赵雅娟,罗玉龙,赵丽华,靳 烨*
(内蒙古农业大学食品科学与工程学院,内蒙古 呼和浩特 010018)
苏尼特羊是内蒙古地区优秀的肉羊种群,其肉质具有细嫩、味美多汁、易消化等特点,受到广大消费者的喜爱[1]。饲养方式是影响肉品品质的重要因素,Fluharty等[2]的研究表明,合理的舍饲育肥能够提高动物的生长育肥性能,还可以改善肉质。本团队研究发现,放牧条件下苏尼特羊肉的色泽和嫩度都优于圈养条件,且营养成分更丰富[3-4],这说明饲养方式对肉品品质有所影响。一磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是蛋白激酶级联的下游组件,属于代谢敏感的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,其主要功能是根据机体的能量需求调节整个机体的能量平衡[5-6]。AMPK能够调节机体的糖代谢,糖酵解是引起动物宰后肌肉pH值下降的主要原因,而动物宰后的pH值变化速度与幅度可以影响肌肉的色泽、嫩度、系水力、蒸煮损失等品质指标[7-9],所以动物宰后糖酵解的程度直接影响肉质的好坏。饲养方式会对肉品品质产生影响,而AMPK能够通过调节动物宰后糖酵解的程度而影响肉质。所以,研究饲养方式对动物宰后AMPK活性以及糖酵解指标的影响,通过调控AMPK的活性来改变糖酵解的进程进而影响肉质,无疑是改善肉品品质的新思路。
本研究以不同饲养条件下(放牧和圈养)12 月龄苏尼特羊背最长肌为实验材料,对AMPK活力、AMPK基因mRNA相对表达量以及糖酵解指标进行测定,并分析了AMPK与糖酵解指标之间的相关性,旨在为通过调控AMPK活性改善宰后肉品品质提供依据。
选取来自内蒙古巴彦淖尔市海流图镇12 月龄苏尼特羊放牧和圈养各10 只,其中每种饲养方式公母各半,体质量(43.56±6.24)kg,胴体质量(21.29±4.69)kg。宰后1 h内取背最长肌,切成100 mg小块,立即放入无酶无菌冻存管中,投入液氮中冷冻保存,然后置于-80 ℃冰箱中,作为实验用材料。
RNAiso Plus RNA提取裂解液、PrimeScriptTMRT reagent Kit反转录试剂盒、SYBR Premix Ex TaqTM实时荧光定量试剂盒 大连宝生物工程有限公司;DNase/RNase-free无菌水 北京天根生物技术有限责任公司;绵羊磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶(p-AMPK)酶联免疫吸附检测试剂盒、己糖激酶测定试剂盒、乳酸测定试剂盒、肌/肝糖原测定试剂盒、总蛋白定量测定试剂盒(二喹啉甲酸比色法) 南京建成生物工程研究所;Tris-HCl缓冲液、D-甘露醇 美国Amresco公司;乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid,EDTA)、乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸(ethylenebis(oxyethylenenitrilo)tetraacetic acid,EGTA) 美国Sigma公司;二硫苏糖醇(DL-dithiothreitol,DTT) 德国Merck公司;氟化钠、焦磷酸钠 天津永大化学试剂厂;浓硫酸、氯化钠国药集团化学试剂有限公司;以上试剂均为分析纯。
pH-STAR型胴体pH值直测仪 德国Matthaus公司;TC-P2A全自动测色色差计 上海生物生化实验仪器公司;CL-M嫩度仪 上海精密科学仪器有限公司;5417R低温台式冷冻离心机 德国Eppendorf生物公司;CFX96TM实时定量聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)仪、凝胶成像分析系统 美国Bio-Rad公司;BG-power 3500型稳压稳流电泳仪、水平电泳槽北京百晶生物技术有限公司;PCR扩增仪 北京北方华奥贸易有限责任公司;TU-1810紫外-可见分光光度计北京普析通用仪器有限责任公司;LRH-250生化培养箱上海一恒科学仪器有限公司;XHF-DY高速分散器宁波新芝生物科技股份有限公司。
1.3.1 AMPK的活力测定
取保存于-80 ℃冰箱的样品约0.3 g,按照1∶5(m/V)的比例加入保存于4 ℃冰箱的冷冻匀浆液(0.25 mol/L的D-甘露糖、5 mmol/L的焦磷酸钠、0.05 mol/L的Tris-HCl缓冲液(pH 7.4)、1 mmol/L的DTT、1 mmol/L的EGTA、1 mmol/L的EDTA、50 mmol/L的氟化钠),在3 000 r/min的条件下冰浴匀浆。4 ℃、10 000 r/min冷冻离心5 min,取上清液用于AMPK活力的测定。AMPK活力的测定步骤以及计算参照绵羊p-AMPK酶联免疫检测试剂盒说明书进行。
1.3.2 AMPK基因相对表达量的测定
1.3.2.1 总RNA的提取及检测
依据RNAiso Plus试剂盒的说明书对肌肉中总RNA进行提取[10]。将提取的总RNA置于核酸蛋白分析仪上检测其质量浓度和纯度(A260nm/A280nm)。并用1%(质量分数,下同)的琼脂糖凝胶电泳检测所提取的总RNA的完整性。
1.3.2.2 反转录
按照反转录试剂盒说明书进行反转录操作,将合成的cDNA质量浓度稀释至50 ng/μL。将反转录得到的产物置于-20 ℃冰箱中保存备用[11]。
1.3.2.3 引物序列来源及合成
PRKAA1、PRKAA2、PRKAG3以及GAPDH(内参基因)基因引物序列参照马晓冰的设计[12],由华大科技基因有限公司合成(表1)。
表1 实时荧光PCR引物序列Table 1 Primers used for real-time PCR
1.3.2.4 实时荧光PCR扩增
本实验按照CFX96TM实时荧光PCR检测系统的二步法进行操作。以1.3.2.2节所合成的cDNA为模板,使用实时荧光定量试剂盒进行实时荧光PCR扩增[11]。反应体系为:SYBR Premix Ex Taq II(2×)12.5 µL;上、下游引物(10 µmol/L)各1.0 µL;DNA模板(50 ng/μL)2.0 µL;dH2O 8.5 µL;共25.0 µL。实时荧光PCR条件为:95 ℃预变性30 s;95 ℃变性5 s,58 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,共35 个循环;72 ℃延伸10min。产物保存于4 ℃冰箱。
1.3.2.5 实时荧光PCR产物检测
使用1%的琼脂糖凝胶电泳,在120 V的电压下进行电泳检测,使用凝胶成像仪拍照分析。
1.3.2.6 基因相对表达量的计算
本实验采用2−ΔΔCt计算法对实时荧光定量PCR数据进行处理和分析,2−ΔΔCt为相对表达量,ΔΔCt=(处理组目的基因Ct值-处理组内参基因Ct值)-(未处理组目的基因Ct值-未处理组内参基因Ct值)[13]。
1.3.3 糖酵解指标的测定
己糖激酶活力的测定按照己糖激酶测定试剂盒的说明书进行操作;乳酸含量的测定按照乳酸测定试剂盒的说明书进行操作;肌糖原含量测定按照肝/肌糖原测定试剂盒的说明书进行操作。
1.3.4 肉品品质相关指标的测定
1.3.4.1 pH值的测定
在屠宰后45 min时,使用胴体直测式pH计测胴体初pH值,记为pH1;静置排酸24 h后测胴体最终pH值,记为pH24。
1.3.4.2 色泽的测定
使用TC-P2A全自动色差仪对肉色进行测定,L*值表示亮度,b*值为黄度,a*值表示红度。每个样品选取3 个位置,重复测定后取平均值。
1.3.4.3 嫩度的测定
沿肌肉方向取2.5 cm×3.0 cm×5.0 cm的肌肉块,用自封袋密封后水浴加热(75 ℃、45 min),冷却至室温后沿着肌纤维的方向将肉块切成3 cm×1 cm×1 cm的条状,使用CLM-3型嫩度仪对剪切力值进行测定。
利用SPSS 19.0数据分析软件进行统计分析,所有数值以表示。以P<0.05表示差异显著。
表2 不同饲养方式下的肉质指标(n=10)Table 2 Meat traits under different feeding conditions (n= 10)
由表2可知,放牧条件下苏尼特羊背最长肌的剪切力值显著大于圈养条件(P<0.05),这可能与不同饲养方式下骨骼肌肌纤维的发育、肌肉脂肪的含量以及水分含量有关[3,14]。放牧条件下苏尼特羊背最长肌的L*值、a*值以及b*值均大于圈养条件,其中L*值和b*值差异显著(P<0.05)。两种饲养方式的pH1值和pH24值差异不显著(P>0.05),研究表明不同饲养方式下18 月龄卫山羊羯羊的pH24值差异不显著[15],与本实验结果一致,这可能是因为pH值还受到其他因素的共同影响。
2.2.1 饲养方式对AMPK活力的影响
本实验用AMPK磷酸化水平代表AMPK活力,不同饲养方式12 月龄苏尼特羊背最长肌的AMPK活力分别为:放牧条件(8.83±1.07)ng/mL、圈养条件(9.51±1.30)ng/mL。结果表明,放牧条件下苏尼特羊AMPK活力低于圈养条件下,但两种饲养方式差异不显著。AMPK活力会受到运动、缺氧、缺血、应激等多种因素的影响[16-18],圈养条件下,苏尼特羊背最长肌AMPK活力高于放牧条件,推测原因可能是由于圈养的羊和放牧的羊相比,宰前应激反应比较大,导致AMPK的活力升高。但两种饲养方式AMPK活力差异不显著(P>0.05),说明饲养方式对AMPK活力影响较小。
2.2.2 AMPK基因相对表达量测定结果
2.2.2.1 总RNA提取结果
背最长肌肌肉组织中提取的总RNA经1%琼脂糖凝胶电泳检测,凝胶成像结果如图1所示(以其中3 个样品为例)。
图1 总RNA电泳图Fig. 1 Agarose gel electrophoresis of total RNA
如图1所示,提取的总RNA 3 条条带(28S、18S、5S)完整且清晰明亮,说明所提取的总RNA并无降解。经核酸蛋白分析仪检测,A260nm/A280nm均在1.8~2.1之间,说明提取的总RNA的纯度高,并未被污染,可用于后续的反转录实验。
2.2.2.2 实时荧光PCR产物结果
图2 各基因PCR产物电泳图Fig. 2 Agarose gel electrophoresis of the genes
内参基因和各目的基因经实时荧光PCR反应后,得到大量扩增产物,经1%琼脂糖凝胶电泳检测后,凝胶成像结果如图2所示。图中4 个基因的条带单一且清晰明亮,说明经PCR反应后得到的扩增产物单一,没有引物二聚体和非特异性产物,将目的基因的片段与DL1000 DNA Marker比较,其条带大小与所设计的引物目的产物片段大小相一致,说明所设计的引物反应性能良好,符合实时荧光PCR实验要求,经实时荧光PCR后的产物为本实验所需产物。
2.2.2.3 AMPK基因表达规律
AMPK以异源三聚体的形式存在于生物体中,由α、β、γ3 种亚基构成,其中α是催化亚基,β和γ是调节亚基[19]。每个亚基又存在不同的亚型,如α1和α2,β1和β2,γ1、γ2和γ3[20]。由于α是催化亚基,所以目前对AMPK α1和α2这两个亚基的功能等方面的相关研究比较多,因为γ3亚基在骨骼肌中具有高表达[21],且有研究表明PRKAG3基因与糖代谢有关[22-23],所以本实验选择分别编码α1、α2和γ3亚基的PRKAA1、PRKAA2和PRKAG3基因来分析AMPK的mRNA相对表达量。不同饲养方式下苏尼特羊的PRKAA1、PRKAA2以及PRKAG3基因相对表达量如图3所示。
图3 AMPK部分亚基基因表达水平Fig. 3 Gene expression of some subunits of AMPK
如图3所示,不同饲养条件下,苏尼特羊PRKAA1和PRKAG3基因的相对表达量均为圈养条件高于放牧条件,且差异显著(P<0.05),而PRKAA2基因相对表达量为放牧条件显著大于圈养条件(P<0.05)。AMPK α1亚基主要在脂肪细胞中表达[24],由于圈养苏尼特羊比放牧苏尼特羊含有更多的脂肪组织,这可能导致编码AMPK α1亚基的PRKAA1的相对表达量增高。研究表明耐力训练会导致AMPK α2亚基蛋白和基因相对表达量显著增加[25]。较圈养羊而言,放牧的苏尼特羊处于长期运动的生长状况下,可能会导致编码AMPK α2亚基的PRKAA2基因相对表达量显著增加。放牧条件PRKAG3基因相对表达量显著小于圈养条件,可能是由于PRKAG3基因在ⅡB型肌纤维中表达量较高[26],而圈养条件下苏尼特羊背最长肌的ⅡB型肌纤维数量要高于放牧条件[3]。以上结果表明,饲养方式对AMPK的基因相对表达量有显著影响。
表3 不同饲养方式糖酵解指标(n=10)Table 3 Glycolysis indicators under different feeding conditions (n= 10)
不同饲养条件下苏尼特羊背最长肌宰后糖酵解指标测定结果如表3所示,苏尼特羊背最长肌己糖激酶的活力为圈养条件高于放牧条件,但两种饲养方式差异不显著(P>0.05);乳酸含量也为圈养条件大于放牧条件,且差异显著(P<0.05);放牧条件下肌糖原含量高于圈养条件,但差异不显著(P>0.05)。不同饲养方式会对AMPK的活力以及基因相对表达量有所影响,研究表明AMPK活力会进一步影响糖酵解指标[27],这就造成了糖酵解指标在不同饲养方式下的差异。
2.4.1 AMPK活力与糖酵解指标及肉品品质的相关性
表4 AMPK活力与糖酵解指标及肉品质的相关性Table 4 Correlation coefficients between relative AMPK activity and glycolysis indices and meat quality
由表4可知,AMPK活力与己糖激酶活力以及乳酸含量均呈显著正相关(P<0.05),与肌糖原含量相关程度很低(P>0.05),与剪切力、色泽以及pH值均呈负相关(P<0.05)。Shen Qingwu W.等[28]向小鼠体内腹腔注射AMPK的抑制剂——复合物C,研究显示复合物C抑制了宰后小鼠背最长肌中AMPK的活力以及糖酵解进程。这说明AMPK可以调控宰后动物肌肉的糖酵解。
2.4.2 AMPK基因相对表达量与AMPK活力、糖酵解指标以及肉品品质的相关性
表5 AMPK基因相对表达量与AMPK活力、糖酵解指标及肉品质的相关性Table 5 Correlation coefficients between relative expression of AMPK gene and AMPK activity, glycolysis and meat quality
由表5可知,PRKAA1、PRKAA2和PRKAG3基因相对表达量均与AMPK活力呈正相关,其中PRKAG3基因相对表达量均与AMPK活力呈显著正相关(P<0.05),说明这3 个基因的相对表达量与AMPK活力变化趋势相一致。PRKAA1和PRKAG3基因相对表达量与己糖激酶活力呈正相关,其中PRKAG3基因相对表达量与己糖激酶活力呈显著正相关(P<0.05),而PRKAA2基因相对表达量与己糖激酶活力呈负相关,但相关程度较低。PRKAA1和PRKAG3基因相对表达量均与乳酸含量呈显著正相关(P<0.05)。3 个基因的相对表达量与肌糖原含量均呈负相关,但相关程度较低。PRKAG3基因相对表达量与剪切力呈显著负相关(P<0.05),有研究对PRKAG3基因的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)关联性进行分析,表明T2885C这个SNP与剪切力有密切的联系,可以作为未来肉牛选育的辅助标记[29],这说明PRKAG3基因的相对表达量对肌肉的嫩度有所影响。
以上结果表明,PRKAA1和PRKAG3基因的相对表达量对糖酵解指标有一定的影响,而PRKAA2基因的相对表达量对糖酵解指标影响较小,即AMPK α1亚基和AMPK γ3亚基在机体内相对表达量高时,AMPK活力增加,AMPK活化后促使糖酵解的关键酶己糖激酶的活力增加,从而加速动物宰后糖酵解的进程,使得乳酸大量堆积。乳酸是影响动物宰后pH值的重要因素,pH值又是影响肉品品质的关键指标,这说明AMPK可以通过调控动物宰后糖酵解的进程从而对肉品品质产生影响。也有相关研究表明不同条件下肉质会发生改变,可能是由于AMPK对糖酵解的关键酶己糖激酶、果胶酯酶和乳酸脱氢酶活力的调节,进而改变了糖酵解的速率和程度,最终对肉品品质产生影响[30-31]。
通过对苏尼特羊放牧和圈养两种方式下AMPK活力、AMPK mRNA相对表达量以及糖酵解指标进行测定,发现圈养条件下PRKAA1以及PRKAG3基因表达均显著高于放牧条件,并且AMPK的活力、己糖激酶活力和乳酸含量也高于放牧条件。说明PRKAA1以及PRKAG3基因相对表达量升高会使AMPK的活力增加,AMPK被激活后直接磷酸化糖酵解通路中的关键酶己糖激酶,使己糖激酶活力增加,从而促进糖酵解进程,产生大量乳酸,导致宰后动物肌肉的pH值下降,对肉品品质产生一定影响。因此,未来可通过调控AMPK的活力以改善不同饲养方式下的肉质。
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