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2020“颐和”青年奖 候选名单
农业农村部动物营养与饲料学科群重点实验室下属单位推荐青年学者
段叶辉博士
农业农村部中南动物营养与饲料科学观测实验站推荐青年学者
中国科学院亚热带农业生态研究所副研究员
人物简介

2010年6月毕业于青海大学,获农学学士学位;2013年6月毕业于中国科学院大学,获农学硕士学位;2018年毕业于中国科学院大学,获农学博士学位。毕业后在中科院亚热带农业生态研究所印遇龙院士团队从事科研工作,被聘为副研究员。

主要从事仔猪肌肉生长发育与营养调控研究。先后主持国家和省部级等科研项目5项;以第一/通讯作者在Trends Pharmacol Sci、Obes Rev、FASEB J、Aging (Albany NY)、J Anim Sci等国际主流期刊发表论文33篇(其中IF>5的有6篇,最高IF为11.523);参编著作3部;申请发明专利6项,其中获授权4项。为科技部“猪生理代谢与机体健康创新团队”的核心成员,获第三届中国畜牧兽医学会动物营养学分会青年学者讲坛优胜奖和2018年度帝斯曼缤纷科技-动物营养科学中国青年学者优胜奖。

 

成果介绍

1. 阐明了低蛋白质日粮平衡支链氨基酸(BCAA)提高氮营养素利用并促进仔猪肌肉生长的分子机制

低蛋白质日粮添加前四种限制性氨基酸后,BCAA尤其是Ile和Val容易出现缺乏,导致BCAA比例失衡,严重阻碍其吸收利用,导致动物采食量和生长性能降低,因而不能满足理想蛋白质氨基酸模式需求。申请人研究了含不同BCAA比例(Leu:Ile:Val = 1:1:1、1:0.75:0.75、1:0.51:0.63、1:0.25:0.25)的低蛋白质日粮对10-30 kg猪机体营养代谢和肌肉组织生长的影响及其机制。发现把NRC 2012标准日粮蛋白质水平降低三个百分点并平衡BCAA比例(Leu:Ile:Val = 1:0.25:0.25 ~ 1:0.75:0.75),可通过调控脂联素-AMPK-mTOR信号通路抑制脂肪合成、促进脂肪分解和氧化,增强“肌肉-脂肪”组织间的互作,脂肪分解产生的能量用于肌肉生长,并改善肠道结构和功能,从而改善猪的生长性能、提高饲料氮营养素利用率。

 

2. 解析了低蛋白质日粮条件下亮氨酸代谢物β-羟基-β-甲基丁酸(HMB)促进肌肉组织高效利用氮营养素的分子机制

BCAA家族中的Leu在蛋白质代谢过程中发挥着重要作用,HMB作为Leu的中间代谢产物,是Leu发挥蛋白质代谢调控功能的核心物质,且安全性高、无毒副作用、生产成本低。然而,低蛋白质日粮添加HMB是否可调控肌肉组织对氮营养素的利用尚不清楚。申请人系统比较了Leu及其代谢物HMB对猪肌肉组织蛋白质代谢的调控作用及其机制。发现低蛋白质日粮添加HMB可显著增加猪的血液胰岛素含量和肌肉组织蛋白质合成速率,降低血液尿素氮含量和肌肉组织蛋白质降解速率,从而提高氮营养素的利用率、促进肌肉生长,其效果甚至优于Leu,且HMB的添加量比Leu更少。分析血液和肌肉组织游离氨基酸谱发现,低蛋白质日粮添加HMB并不会引起BCAA比例失衡。利用肌细胞饥饿模型,进一步揭示了HMB对肌细胞蛋白质分解代谢的调控作用优于Leu,且其机制涉及PI3K/Akt信号通路。

 

3. 揭示了HMB通过改善肠道微生物组成降低脂肪率的分子机制

脂肪沉积过多会引发动物的脂肪肝等代谢性疾病,也会降低畜产品品质和饲料利用率。申请人研究发现日粮补充HMB可显著降低巴马香猪的脂肪率。为进一步探索其内在的分子机制,以高脂诱导肥胖小鼠为模型,对肠道微生物进行测序并检测微生物代谢物短链脂肪酸含量。通过相关性分析发现,肠道有益菌拟杆菌门(bacteroidetes)与丙酸含量呈显著正相关,且丙酸含量与白色脂肪组织重量呈反比。HMB可改善肠道微生物组成,提高拟杆菌门和丙酸含量,从而降低机体脂肪率。本研究首次阐明了HMB改善机体脂质代谢的机制,为后续HMB改善猪肉品质研究提供了营养策略。

成果代表性论文或发明专利

代表性成果1——论文:

论文一:支链氨基酸日粮配比对猪生长性能和血液氨基酸谱的影响

摘要:支链氨基酸(BCAA)包括亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)和缬氨酸(Val),在蛋白质代谢中起着关键作用。本研究旨在探讨BCAA日粮配比对生长猪生长性能及血清氨基酸谱的影响。选择40头杂交猪(大白猪×长白猪,9.85±0.35kg),随机分为5组:阳性对照组日粮中粗蛋白(CP)含量为20%,Leu:Ile:Val比值为1:0.51:0.63,其余四组日粮中CP含量均降至17%,Leu:Ile:Val比值分别为1:1:1、1:0.75:0.75、1:0.51:0.63和1:0.25:0.25。各处理中BCAA总量相等,Leu、Ile、Val含量随日粮比例的变化而变化。20%CP日粮组与17%CP日粮组的猪生长性能无显著差异(P > 0.05)。然而,不同的Leu:Ile:Val比例可影响17%CP日粮猪的最终体重(P < 0.05)、平均日增重(ADG;P < 0.05)和饲料比(P = 0.06)。1:0.75:0.75(17%CP)、1:0.51:0.63(17%CP)和1:0.51:0.63(20%CP)组猪的最终体重和日增重均高于1:0.25:0.25(17%CP)组。饲喂1:0.75:0.75(17%CP)日粮的猪比饲喂1:1:1(17%CP)日粮的猪料重比低。各处理间的平均采食量无差异。日粮中添加不同比例的BCAA对血清Ile、Val、半胱氨酸和α-氨基己二酸的含量有一定的影响(P < 0.05)。结果表明,低蛋白日粮(17%)中添加BCAA,可使生长猪的生长性能达到正常蛋白组水平。在1:0.25:0.25~1:0.75:0.75范围内,最适的Leu:Ile:Val能改善低蛋白日粮生长性能和血清氨基酸谱。

关键词:支链氨基酸,生长猪,生长性能,血液氨基酸

 

论文二:低蛋白日粮补充支链氨基酸对生长猪骨骼肌游离氨基酸谱及蛋白质代谢相关基因表达的影响

摘要:揭示日粮对蛋白质代谢相关基因表达的影响,将有助于进一步阐明支链氨基酸(BCAAs)平衡的重要性,支链氨基酸包括亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)和缬氨酸(Val)。因此,我们以生长猪为研究对象,探讨日粮不同BCAA比例对肌肉蛋白质代谢的影响。Leu:Ile:Val比值分别为1:0.51:0.63(20%粗蛋白,CP)、1:1:1:1(17%CP)、1:0.75:0.75(17%CP)、1:0.51:0.63(17%CP)和1:0.25:0.25(17%CP)。结果表明,与对照组相比,低蛋白日粮(BCAA比为1:0.75:0.75~1:0.25:0.25)提高了肌肉游离氨基酸(AA)浓度和AA转运蛋白的表达,显著激活了mTORC1信号通路,降低血清尿素氮含量和肌肉蛋白降解相关基因mRNA表达(P < 0.05)。综上所述,在低蛋白日粮(17%CP)中,Leu:Ile:Val比值在1:0.25:0.25-1:0.75:0.75之间时,有利于游离AA的吸收和利用,促进蛋白质代谢和肌肉生长。

关键词:支链氨基酸比例,游离氨基酸,氨基酸转运载体,mTORC1信号通路,低蛋白日粮,生长猪

 

论文三:低蛋白日粮补充β-羟基-β-甲基丁酸酯而非α-酮异丁酸酯和过量亮氨酸刺激生长猪骨骼肌蛋白质代谢

摘要:本研究旨在探讨低蛋白日粮补充亮氨酸(Leu)及其代谢产物α-酮异丁酸酯(KIC)和β-羟基-β-甲基丁酸酯(HMB)对生长猪肌肉蛋白质代谢的影响。将32头大白猪×长白猪(9.55±0.19kg)分为4组(基础日粮、L-Leu、KIC-Ca、HMB-Ca)。结果表明:与对照组相比,日粮中添加KIC和过量Leu显著降低比目鱼肌重量(P < 0.05),而添加HMB则使比目鱼肌重量增加和蛋白质合成率以及Akt磷酸化水平升高(P < 0.05)。日粮处理对背最长肌重量无显著影响(P > 0.05)。总之,低蛋白日粮中补充HMB而非KIC或过量Leu,可能是刺激肌肉组织(尤其是氧化型肌纤维)蛋白质正平衡的营养信号,且HMB这些作用可能与Akt信号有关。

关键词:β-羟基-β-甲基丁酸,蛋白质合成,蛋白质降解,Akt,骨骼肌,生长猪

 

论文四β-羟基-β-丁酸甲酯比亮氨酸更能抑制饥饿诱导的C2C12肌管蛋白降解

摘要:亮氨酸(Leu)及其代谢产物α-酮异丁酸酯(KIC)和β-羟基-β-甲基丁酸酯(HMB)是蛋白质代谢的有效调节因子。本研究旨在比较Leu、KIC和HMB对蛋白质降解的抑制作用,并探讨其作用机制。结果表明:HMB的抑制作用(0.38±0.04)强于Leu(0.76±0.04)和KIC(0.56±0.04,P < 0.01),在LY294002(1.48±0.02)和雷帕霉素(1.96±0.02,P < 0.01)的作用下,HMB的抑制作用明显减弱。在胰岛素存在下,HMB的抑制作用(0.34±0.03)仍优于Leu(0.60±0.04)和KIC(0.57±0.08,P < 0.05)。有趣的是,LY294002处理明显减弱HMB对蛋白质降解的抑制作用,而雷帕霉素处理未能发挥同样的作用。因此,在有无胰岛素存在的情况下,HMB抑制蛋白质降解均优于Leu和KIC,这种抑制作用可能依赖于PI3K/Akt信号通路,而与胰岛素无关,mTOR信号仅在没有胰岛素的情况下参与HMB的这种抑制作用。

关键词:β-羟基-β-甲基丁酸,胰岛素,蛋白质降解,PI3K/Akt信号,C2C12肌管

 

论文五亮氨酸抑制蛋白降解需要在C2C12肌管中转化为β-羟基-β-甲基丁酸酯

摘要:本研究旨在探讨亮氨酸(Leu)对饥饿诱导蛋白质降解的抑制作用是否由其代谢产物β-羟基-β-甲基丁酸酯(HMB)介导,并探讨其作用机制。结果表明:低浓度的Leu(0.5mm)对蛋白质降解和细胞耗氧率(OCR)有明显的促进作用。然而,这些效果不如HMB。此外,HMB能够分别增加/减少MyHC-I/MyHC-IIb蛋白表达的比例。在KICD转染的细胞中,Leu对蛋白质降解的抑制作用和对细胞OCR和MyHC-I蛋白表达的促进作用,达到了与HMB一样的效果,然而Leu的这些作用被KICD的特异性抑制剂mesotrone恢复到KICD转染前的水平。总之,在饥饿模型中,HMB是Leu发挥抑制肌肉蛋白质降解的关键物质,其机制可能与肌肉细胞线粒体氧化能力的提高有关。

关键词:β-羟基-β-甲基丁酸,蛋白质降解,线粒体功能,亮氨酸,C2C12肌管

 

论文六肠道菌群介导膳食β-羟基-β-甲基丁酸酯(HMB)对高脂饮食所致肥胖的保护作用

摘要:肥胖增加了患胰岛素抵抗和糖尿病的风险,是一个主要的公共健康问题。我们前期研究表明,日粮β-羟基-β-甲基丁酸酯(HMB)可以改善猪模型的脂质代谢。然而,目前尚不清楚HMB调节脂质代谢的机制是否与肠道微生物有关。在本研究中,我们发现HMB可以减轻体重,减轻棕色脂肪组织(BAT)的白化,改善高脂饮食(HFD)小鼠的胰岛素抵抗。16S rRNA高通量测序表明,HMB能显著逆转HFD喂养小鼠的肠道菌群失调,包括肠道菌群的多样性以及类杆菌和硬壁菌的相对丰度。此外,HMB组小鼠微生物移植可减轻HFD诱导的小鼠脂质代谢紊乱。此外,喂食HFD的小鼠表现出较低的短链脂肪酸,而服用HMB则增加丙酸的产生。相关性分析表明,丙酸产量与拟杆菌门的相对丰度之间存在显著相关性。丙酸钠治疗也能减轻HFD引起的脂质代谢紊乱。总之,我们的研究结果表明,HMB可能作为一种有益添加剂来逆转HFD诱导的肥胖,其潜在机制与肠道微生物相关,特别是拟杆菌门介导的丙酸生成有关。在今后的研究中,应进一步证实HMB对人体的有益作用,并将其推广到人体模型中。

关键词:HMB,肥胖,胰岛素抵抗,肠道微生物,丙酸

 

代表性成果2——发明专利

专利一:β-羟基-β-甲基丁酸系物质在制备缓解断奶仔猪免疫应激及促肌肉生长饲料中的应用

专利二:D-半乳糖诱导的断奶仔猪慢性氧化应激模型的构建方法

 

代表性成果3——获奖证书

代表性成果2——发明专利

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