综述：鱼类营养基因组学：破译可持续水产养殖与改善营养效益的遗传密码

本综述系统阐述了鱼类营养基因组学（Nutrigenomics）这一新兴交叉学科，其通过基因组学（Genomics）、转录组学（Transcriptomics）、蛋白质组学（Proteomics）等组学（Omics）技术，揭示营养素与基因表达的互作机制。文章重点探讨了如何利用RNA测序（RNA sequencing）、CRISPR等先进工具优化饲料配方、提升代谢效率（Metabolic efficiency）和免疫响应（Immune response），以替代鱼粉鱼油，降低环境足迹，最终生产出富含Omega-3（如EPA、DHA）等对人类健康有益的高品质水产品，为可持续水产养殖（Aquaculture）提供战略方向。

　　

鱼类营养基因组学：破译可持续水产养殖与改善营养效益的遗传密码

引言

水产养殖是全球增长最快的食品生产领域之一，是高质量蛋白质可持续供应的重要支柱，对全球粮食安全至关重要。然而，随着全球对水产品需求的不断增长，自然资源有限、环境可持续性以及产品营养质量等问题也日益凸显。在此背景下，鱼类营养基因组学作为一个新兴的 interdisciplinary 领域，通过研究膳食营养素与基因表达的相互作用，为最大化鱼类健康、发育和饲料效率提供了全新视角。

营养基因组学

营养基因组学致力于研究膳食营养素如何调控基因组，进而影响生物体的生长、健康和新陈代谢。它诞生于20世纪90年代末营养科学与基因组学的发展，如今已成为水产研究的关键领域，使研究者能够更深入地理解鱼类对特定膳食成分响应的分子机制，从而制定更为精确的物种特异性投喂策略。

其应用是广泛且革命性的。该领域通过识别参与营养物质利用、免疫响应或应激耐受的基因和通路，来改善饲料效率和整体鱼类健康。此外，营养基因组学使得能够配制富含植物基或昆虫来源的替代饲料，从而减少对源自有限水生资源的鱼粉和鱼油的依赖，减轻环境压力。同时，它还有助于改善水产养殖产品的营养成分，提高诸如Omega-3脂肪酸等营养保健元素的含量，提升鱼类作为人类食品的品质。从基因组学到代谢组学等多种组学技术已被应用于渔业和水产养殖 sector。

鱼类营养基因组学：现状

基因组工具与技术

基因组工具与技术正在飞速进步，为推进鱼类营养基因组学研究提供了强大手段，填补了基因-营养素互作知识空白。测序技术（全基因组测序和RNA测序）使得能够识别参与不同鱼类生长、代谢和免疫响应的重要基因和调控通路。高通量测序，特别是RNA测序，促进了理解不同膳食条件下的差异基因表达，从而有助于膳食优化。CRISPR及其他基因编辑工具已成为功能基因组学研究的强大技术，因为它们能够精确操控与饲料效率、疾病抗性和应激耐受相关的基因。此外，转录组学和蛋白质组学能够分别对mRNA和蛋白质表达进行全面的分析，从而有助于全面理解膳食成分对鱼类生理的影响。

关键营养通路

为了获取和消耗蛋白质、碳水化合物、脂质、维生素和矿物质等必需营养素，水生生物进化出了多种涉及消化和吸收的营养通路。只有识别并优化鱼类相关的营养通路，研究饮食与基因表达关系的营养基因组学才能取得成功。

脂质代谢是主要关注领域之一，因为脂质是许多鱼类的主要能量来源，尤其是在生长或繁殖发育加速时期。专注于与脂肪酸合成、延长和去饱和相关基因的营养基因组学研究受到特别重视，这些对于丰富水产养殖产品的Omega-3含量至关重要。同样广泛的研究集中在蛋白质合成和氨基酸利用通路上，主要针对调节肌肉生长和修复的基因，特别是对高蛋白膳食有需求的肉食性物种。

在一项针对投喂高脂饲料的杂交石斑鱼的研究中，检查了肝脏脂质积累。研究结果表明，高膳食脂肪含量会导致石斑鱼脂质堆积和脂质代谢减少，证明了胆汁酸如何调节鱼类脂质代谢。碳水化合物代谢是另一个重点研究方面，特别是针对草食性和杂食性物种。营养基因组学研究表明，肉食性鱼类由于淀粉酶和葡萄糖激酶基因表达水平低，其碳水化合物利用能力较差。根据单核RNA测序结果，投喂高碳水化合物饲料的大口黑鲈表现出肝脏能量代谢紊乱，并激活了与氧化应激和肝纤维化相关的通路。全基因组重测序与RNA测序结合显示，包括fabp6、lpcat2、pla2g1b和磷酸戊糖途径基因（fbp1a、pgd）在内的数个重要基因，与碳水化合物膳食和温度波动下大口黑鲈的生长性能有关，突出了遗传对碳水化合物诱导的生长调控的控制。

主要养殖物种的营养基因组学研究

重要的营养基因组学研究已在经济上重要的养殖物种中展开，提供了针对特定鱼类的基因型与膳食成分相互作用的基因组和代谢组信息。例如，鲑鱼的研究主要涉及脂质代谢和免疫响应，在识别和表征参与Omega-3脂肪酸生物合成和病原体抗性的基因方面取得了重大进展。作为一种多用途物种，罗非鱼已成为研究替代饲料原料（如植物基膳食）对营养物质利用和生长性能影响的模型。在鲶鱼中，已识别出与低氧耐受和饲料效率相关的营养基因组学通路，有助于培育更具韧性的品系。同样，鲤鱼的研究集中在碳水化合物代谢的调控基因上，因为它们有潜力有效利用植物基饲料，因而成为水产养殖中的可持续选择。

鱼苗培育中的营养基因组学

在水产养殖中，苗种培育期间的营养对可持续发展和提高产量、疾病抗性及气候韧性起着关键作用。在鱼苗培育中，活饵料如轮虫和卤虫因其营养需求而被主要使用。这些活饵料富含微量营养素、磷脂和脂肪酸，有助于

保护胆汁酸。有研究为 Pike silverside 鱼苗配制了含22%脂质和52%蛋白质的微颗粒饲料。他们报告了脂质和蛋白质配方饲料中差异基因表达谱，以及这些饲料中凋亡、DNA损伤修复和氧化应激基因的过表达，导致了鱼苗生长和存活率不理想。因此，他们建议降低饲料配方中的脂质含量。另一项研究通过对热带 gar（Atractosteus tropicus）幼体阶段进行 de novo 转录组测序，开发了营养基因组学标记。他们的研究揭示了胚胎-幼体阶段许多差异表达的基因，包括与细胞周期相关、消化、肌肉发育和行为反应相关的基因被上调。还有研究通过RNAseq和qPCR阐明了首次投喂猎物类型（桡足类、轮虫/卤虫）对大西洋鳕鱼幼体骨骼肌生成、生长动态、初级抗氧化系统和代谢的影响。研究结果表明，像桡足类这样移动更快的猎物会刺激幼体增加游动活动。这种增强的活动促进了肌肉细胞（分层增生）内的糖酵解和氧化磷酸化通量，从而提高了能量生产。然而，增加的肌肉活动可能导致活性氧（ROS）水平升高，这需要通过猎物的营养质量来平衡。此外，在Pike silverside微颗粒饲料中添加α-硫辛酸可通过调节线粒体生物发生、增强细胞能量、ROS和DNA修复来提高幼体存活率并改善饲料效率。

营养基因组学促进可持续水产养殖

饲料效率的遗传选育

饲料效率的遗传改良是可持续水产养殖的关键驱动力。识别负责高效饲料转化的基因和遗传标记，并通过选育计划开发具有改进生长效率的鱼类品系，自然依赖于营养基因组学。例如，调控脂质和蛋白质利用代谢通路的基因与几种养殖鱼类改进的生长性能相关。对此类基因的检查为营养基因组学提供了基础。营养基因组学的应用不仅将降低饲料成本，还将通过减少水产养殖作业中的废物输出来减轻环境压力。这种方法符合该行业在不破坏生态平衡的情况下提高生产力的目标。营养基因组学在水产养殖中的不同应用如图所示。

通过基因组见解优化饲料

营养基因组学有助于根据不同物种的遗传需求量身定制饲料，从而显著提高饲料转化效率和整体健康。例如，有研究指出，了解鱼类对某些膳食成分的遗传反应有助于配制适合其代谢需求的饲料，从而实现最佳生长和营养吸收。营养基因组学还为替代饲料来源开辟了途径，包括植物基蛋白和昆虫餐，有助于减少水产养殖业对鱼粉和鱼油的依赖，这两者都是有限且环境不可持续的。对饲料的研究表明，使用定制的植物基饲料可以维持生产者的生长速率、饲料效率和鱼类健康（例如在罗非鱼和鲤鱼中）。

疾病抗性与免疫响应

营养基因组学专注于定义营养与遗传之间的联系，在这一关系中扮演重要角色，解释了鱼类如何通过膳食调整获得抗病表型。通过分析膳食免疫刺激后的基因表达模式，营养基因组学还能够识别促进鱼类免疫系统响应的营养方法，这有助于减少对抗生素和若干化学处理的需求。富含益生菌、益生元或植物源生物活性分子的功能性饲料已能有效改变免疫相关基因（如细胞因子和TLRs）的表达，并提高鲑鱼和虾对病原体的抵抗力。功能性饲料的使用满足了消费者对可持续和无抗生素水产养殖产品日益增长的需求。

改善人类健康的营养成果

Omega-3脂肪酸的富集

营养基因组学通过基因操作改变了鱼类Omega-3脂肪酸富集的局面。识别和控制与脂肪酸合成、延长和去饱和相关的基因，使得能够开发出二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）水平高得多的鱼类品系。Omega-3脂肪酸在人类心血管健康中扮演重要角色，可降低心脏病风险并改善认知功能和生活质量。在这方面，转基因策略也被用来刺激鱼类去饱和酶基因的表达，从而生产出天然富含低炎症性脂肪酸的转基因鱼，为人类提供了可持续、健康的膳食选择。

减少水产养殖产品中的污染物

水产养殖中的一个主要关切是毒物（例如重金属和农药）在鱼类组织中的生物积累。新兴营养基因组学领域的遗传干预可能通过减少有毒物质的吸收和滞留来产生管理解决方案。遗传学也解释了此类污染物的代谢和解毒过程，研究发现了参与代谢和解毒过程的基因，使得可能设计出具有较低污染物积累能力的基因优化鱼。这不仅提高了产品安全性，还确保了符合严格的食品安全标准，最终通过提供安全的水产养殖产品改善了人类健康。这些发展在确保水产养殖成为未来有效且可接受的食品来源方面发挥了至关重要的作用。

定制鱼类产品以满足营养需求

各地的膳食需求各不相同，营养基因组学的多功能性使科学家能够对鱼类产品进行基因修饰，以改善地理营养需求的调控。遗传选育为水产养殖提供了调节重要营养素（如维生素、矿物质和脂肪酸）组成的工具，这导致鱼类经过生物工程改造可以缓解特定人群的某些营养缺乏。例如，努力提高鱼类硒含量或增加维生素A前体，在世界上这些营养素普遍缺乏的地区具有对抗营养缺乏症的潜力。通过采用这种基于精准的方法，鱼类产品不仅可以符合全球膳食期望，还可以满足地方营养需求，远远超出作为富含蛋白质食物的绝佳替代品的范畴。水产养殖是解决营养不良和公共卫生问题的优秀方案。

鱼类和甲壳类中的营养基因组学

多项研究具体展示了营养基因组学的应用。一项研究评估了用植物油替代鱼油对大西洋鲑鱼的影响。通过肝脏（脂质代谢的中心器官）转录组分析评估基因表达变化，发现两种饲料均有显著影响。替代导致脂肪酸生物合成、炎症和氧化应激相关基因表达发生显著变化。例如，fasn（脂肪酸合酶）、cox2和pparα（过氧化物酶体增殖物激活受体α）等基因上调，表明脂质代谢发生转变。

另一项研究显示了膳食维生素C对凡纳滨对虾免疫反应的影响。在虾投喂含不同水平维生素C的饲料后，对血淋巴细胞（虾肠道中最丰富的免疫细胞）进行了转录组分析。补充维生素C后，观察到抗氧化防御（如sod和cat）和免疫反应（如Toll样受体和对虾素）相关基因表达上调。这提高了虾对细菌感染，特别是副溶血弧菌的抵抗力。这些结果显示了维生素C在改善虾的先天免疫和环境应激抵抗力方面的作用。

一项研究评估了用植物衍生蛋白（例如豆粕）替代鱼粉（FM）在斑马鱼饲料中的效果。为了研究代谢和免疫反应，对肝脏和肠道进行了转录组分析。植物基饲料显著影响了参与营养物质代谢的基因表达，特别是那些涉及氨基酸和脂质代谢的基因。诸如ppara、fabp2、mttp（微粒体甘油三酯转移蛋白）和cyp7a1（胆固醇7α-羟化酶）等基因的差异表达表明脂质稳态发生改变。此外，植物基饲料导致轻度肠道炎症，促炎细胞因子水平升高表明了这一点。

还有研究通过向虹鳟投喂补充不同形式硒（有机 vs 无机）的抗氧化饲料，并分析肝脏和肌肉中的基因表达，检验了硒改变氧化应激的潜力。有机硒（硒代蛋氨酸）显著上调了包括gpx1（谷胱甘肽过氧化物酶1）和sod2（超氧化物歧化酶2）在内的抗氧化基因，从而减少了氧化应激标志物。结果强调了硒在增强鱼类抗氧化防御和普遍健康方面的作用。

一项研究使用海带多糖探索其对皱纹盘鲍免疫反应的影响。对血淋巴细胞和肝胰腺进行了转录组评估。

一项研究探讨了膳食益生菌（鼠李糖乳杆菌）对虹鳟肠道基因表达的影响。研究使用微阵列技术研究基因表达谱。研究显示益生菌上调了肠道屏障功能相关基因，如粘蛋白和紧密连接蛋白。此外，益生菌还增加了免疫相关基因（如细胞因子和TLRs）的表达，表明免疫反应得到改善。

一项研究确定了不同微藻物种对太平洋牡蛎的影响。研究人员发现，富含球等鞭金藻的饲料上调了与能量代谢相关的基因，包括编码糖酵解和三羧酸（TCA）循环酶的基因。

另一项研究确定，接受维生素C强化饲料的罗非鱼改善了抗氧化基因如SOD（超氧化物歧化酶）和CAT（过氧化氢酶）的表达。研究观察到应激反应基因如HSP70（热休克蛋白70）下调，表明应激耐受性增强。

鱼类营养基因组学方法概述总结见下表。

挑战与伦理考量

技术挑战

存在技术挑战阻碍了营养基因组学在水产养殖中的实施。遗传工具和技术的高成本，例如RNA测序和CRISPR，是限制其使用的关键因素，特别是在发展中国家。此外，数据及其在生物信息学中的管理是一个主要瓶颈。基因组学产生了大量数据，必须使用分析性和计算密集型工具进行分析和解释，而许多水产养殖研究设施并不具备这些条件。这些技术限制代表了在水产养殖中大规模接受营养基因组学的巨大障碍。

伦理关切

水产养殖通过基因修饰等现代技术在增加食品供应方面发挥了重要作用。然而，公众认知仍然是该领域的一个主要关切。许多消费者仍然对转基因生物（GMOs）可能的安全性和可持续性持怀疑态度，这阻碍了它们在食品供应链中的采用。此外，选育和基因修饰伴随着对生物多样性保护的关切，因为高产品系通常可能以牺牲野生鱼类遗传多样性为代价。在增加水产养殖产量与保护遗传资源之间找到平衡是一个必须严格审查的基本伦理问题。

环境影响

转基因鱼被释放到野外并与当地鱼类种群繁殖也存在潜在风险。如果转基因鱼逃逸，它们可能会在资源上与野生种群竞争，或与本地物种杂交，产生意想不到的生态后果。此外，基因工程鱼被认为具有竞争替代的潜力，这将破坏现有的食物网和水生生态系统，而这些在追求环境可持续性是必要的。这些风险凸显了强有力的监管框架和遏制措施的重要性，以尽量减少基因修饰鱼在水产养殖中潜在的环境后果。

结论

鱼类营养基因组学是一门革命性的科学，探索膳食成分与基因表达之间的分子对话，具有显著改变水产养殖格局的潜力。本研究确定了一些基因组工具的关键突破，包括RNA测序、CRISPR和各种多组学方法，这些使得识别饲料效率、免疫响应优化和营养优化背后的遗传通路成为可能。另一方面，营养基因组学最近也被称为水产养殖中快速发展的科学之一，它促进了替代饲料的使用，改善了产品的营养质量，并有助于减少环境影响。在考虑营养基因组学如何通过新颖的方法帮助改善可持续性的全球挑战时，这一点尤其相关，即在不耗尽我们资源的情况下生产更高效的水产养殖。营养基因组学正在彻底改变水产养殖，使其环境友好且经济可行，其方法是开发满足遗传需求的物种特异性饲料，并通过功能性饲料提高疾病抵抗力。营养基因组学只是冰山一角；个性化营养的未来在召唤，我们还有很长的路要走，有很多需要准备，但这确实应该是一个高度优先事项，需要研究者、行业和个人之间进行更多的全球跨行业合作，以建设这个旨在创造更健康未来的产业。通过投资于负担得起的基因组技术、 interdisciplinary 方法和伦理框架，使每个人都能享受到基于营养的基因组创新带来的好处，营养基因组学将继续在促进水产养殖的可持续创新方面保持其重要性，提供支持全球粮食安全和环境可持续性的可持续战略。

未来方向

鱼类营养基因组学的演变将源于新技术的融合以及为实现水产养殖可持续方法的集体行动。人工智能（AI）和机器学习（ML）技术正在改变营养基因组学研究，通过分析复杂的基因组数据集来预测基因-营养素相互作用并优化饲料配方。它们还可以帮助研究膳食变化如何影响生理过程，从而实现对鱼类代谢通路的建模和模拟。此外，多组学方法（如基因组学、蛋白质组学和代谢组学）的出现将创造积累的数据，开始推动更全面的视角，结合基因、蛋白质和代谢物的复杂相互作用，这些可以转化为量身定制的营养策略，以提高鱼类性能和产品质量。

因此，研究者、行业和政策制定者之间的合作对于营养基因组学在水产养殖中的有效应用是必要的。伙伴关系可以提供一个机制来开发成本效益高的技术，采用可持续的饲料替代品，并创建监管框架以负责任地指导基因组工具的使用。学术界和工业界以及其他利益相关者之间在转移和实施先进方法和解决方案方面存在重大合作空间，当辅以监管框架时，这最终将是普遍接受营养基因组学以帮助创造