综述：淡水养殖系统中多不饱和脂肪酸在三营养级间的生物合成：现有知识与展望

《International Journal of Molecular Sciences》：Polyunsaturated Fatty Acid Biosynthesis Across Three Trophic Levels in Freshwater Aquaculture: Current Knowledge and Perspectives Evangelia Ivanova, Ivayla Dincheva, Ilian Badjakov and Vasil Georgiev

本综述系统阐述了淡水养殖食物网中多不饱和脂肪酸（PUFA）的生物合成、调控与营养级传递。从微藻的基础合成途径，到浮游动物的选择性保留与生物转化，再到鱼类的代谢调控机制，文章整合了分子、生化与生态学视角。重点讨论了关键的酶（如FADs2、ELOVL）、通路（如Δ6、PKS）及调控因子，并强调了利用多组学与生物技术（如CRISPR、选育）增强PUFA产量的潜力，为解决水产养殖对有限鱼油的依赖提供了科学策略。

　　

引言

多不饱和脂肪酸（PUFA），特别是长链ω-3脂肪酸二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA），是水生生物必需的营养素，在生长、繁殖、神经发育和免疫功能中起着关键作用。在淡水生态系统和水产养殖系统中，这些脂质的可利用性取决于水生食物网内复杂的相互作用，其中PUFA由初级生产者合成并传递至更高的营养级。历史上，水产饲料依赖有限的鱼油和鱼粉来提供现成的EPA和DHA。然而，该行业的快速扩张迫使人们转向更可持续的陆地植物性原料。由于许多鱼类内源将C₁₈前体生物转化为EPA和DHA的能力有限，这种饮食替代常导致鱼组织中LC-PUFA的稀释。因此，深入研究淡水系统中PUFA的生产、传递与代谢调控机制，对于发展可持续、优质的水产养殖至关重要。

2. 微藻中PUFA生物合成的分子机制

微藻是构成水生食物网基础的多样化单细胞光合生物，拥有包括去饱和酶和延长酶在内的完整酶学机器，能够从头合成EPA和DHA等必需PUFA。其脂肪酸合成始于乙酰辅酶A（acetyl-CoA），在乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）催化下转化为丙二酰辅酶A，随后通过II型脂肪酸合酶（FAS）系统进行迭代延伸，最终产生棕榈酸（C16:0）和硬脂酸（C18:0）等饱和脂肪酸。

PUFA的合成主要通过两种途径：需氧途径和厌氧途径。在占主导地位的需氧途径中，饱和前体经过连续的脱饱和与延长形成LC-PUFA。该过程始于硬脂酸在Δ9位置引入双键形成油酸，随后通过Δ12和Δ15去饱和酶（为脊椎动物所缺乏）将其转化为亚油酸和α-亚麻酸。前端去饱和酶（如Δ6/Δ5、Δ4）和延长酶（ELOVL）协同工作，增加双键并延长碳链。例如，传统的Δ6途径将ALA转化为硬脂四烯酸，再延长和脱饱和形成EPA和DHA。

某些海洋微藻则采用另一种厌氧聚酮合酶（PKS）途径。与需氧途径不同，该系统是氧不依赖的，能效更高，因为它需要更少的NADPH来生产LC-PUFA。PKS复合体是一个包含β-酮脂酰合酶、β-酮脂酰还原酶、脱水酶和烯酰还原酶结构域的大型多功能酶。该途径在延伸过程中将双键插入不断增长的酰基链，直接利用丙二酰辅酶A从头合成DHA和EPA，无需单独的脱饱和酶和分子氧。

微藻中脂质相关基因的调控通过复杂的转录和信号网络对非生物胁迫高度敏感。转录调控主要由bZIP、MYB、bHLH和Dof等几大类转录因子（TF）协调，它们作为关键代谢传感器，结合靶基因启动子中的顺式作用元件来调控脂质代谢途径。环境胁迫如温度波动和营养可用性进一步通过特定诱导机制细化这种调控。例如，应对冷胁迫时，微藻通过“同粘性适应”增加膜PUFA含量以维持流动性，这通常由脱饱和酶基因的转录诱导驱动。相反，高温胁迫会抑制脂肪酸去饱和酶的表达和活性，以减少膜不饱和程度。在氮或磷饥饿条件下，微藻通常将碳通量从生长和蛋白质合成转向储存脂质积累。

3. 浮游动物中的分子生物转化与选择性保留

淡水浮游动物是占据中间营养级的关键初级和次级消费者，在从初级生产者向更高营养级传递能量和必需生物分子的过程中扮演着重要的中间桥梁角色。由于浮游动物依赖微藻作为主要食物来源，其群体健康和营养成功与否与现有浮游植物的生化组成有着根本联系。

浮游动物对膳食脂质的处理在不同类群间差异显著。枝角类动物（如溞）表现出快速的脂质周转，实验证据表明，大型溞在转换食物两天后可以替换超过50%的总脂肪酸。虽然浮游动物主要从食物中获取脂质，但它们具备将C₁₈前体生物转化为长链PUFA的关键能力。特定类群的模式也很明显：枝角类主要专注于EPA的保留，而桡足类则无论饮食如何变化，都保持高水平的DHA以维持膜结构。

膳食PUFA的可利用性是调控浮游动物生长和免疫相关基因表达的主要调节因子。在大型溞中，EPA的供应直接影响类花生酸途径，该途径对信号传导、繁殖和免疫功能至关重要。与类花生酸相关的基因转录响应在溞的免疫防御中起着重要作用。当缺乏膳食C₂₀-PUFA的溞被病原菌挑战时，特定的信号通路会被激活，以维持类花生酸的产生。充足的膳食花生四烯酸和EPA还能提高繁殖力，表明PUFA的可利用性可以缓冲繁殖与免疫之间的权衡。

浮游动物展现出一种分子“缓冲”能力，使其即使在膳食质量较差时也能维持必需PUFA的最佳水平。实验性的膳食转换研究表明，从高质量膳食转换为中等质量膳食的溞，能在其膜结构中优先保留最重要的脂肪酸（特别是EPA和花生四烯酸）长达14天。这种缓冲功能就像一个稳态过滤器，减弱了来自波动性初级生产者的环境扰动影响。由于产卵是雌体脂质储备的主要消耗，溞会优先将EPA分配给卵，确保子代中的浓度高于母体体组织中的浓度。通过这种稳态中继，浮游动物有效地稳定了生化能量流，减轻了初级生产者不稳定性的影响，支持了敏感鱼苗的存活、生长和神经发育。

4. 淡水鱼的代谢通路与遗传调控

鱼类合成LC-PUFA的能力受栖息地和进化历史的显著影响。与海洋硬骨鱼相比，淡水和溯河产卵物种（如鲤鱼和虹鳟）通常拥有更完整的分子机器，可以将C₁₈前体转化为生理上至关重要的C₂₀和C₂₂LC-PUFA。这种生物合成能力的多样性是对不同环境中脂肪酸可利用性的进化适应。

脂肪酸去饱和酶2（FADs2）基因已被确定为LC-PUFA生物合成途径中的关键限速酶和主要瓶颈。在大多数硬骨鱼中，FADs1基因（Δ5去饱和酶）已丢失，这促使了FADs2基因显著的功能多样化。在淡水鱼中，FADs2通常表现出多功能去饱和酶活性，包括Δ6、Δ5和Δ8能力。这种多功能性使这些鱼类能够绕过与FADs1缺失相关的酶学限制。

内源性LC-PUFA生物合成基因的表达非常灵活，并受膳食脂质来源的调节。高水平的膳食LC-PUFA，特别是DHA，对该生物合成途径产生强烈的反馈抑制。现已证实，DHA而非EPA，是抑制Δ6 FADs2等关键基因表达的主要代谢信号。相反，当鱼类饲喂富含C₁₈前体但缺乏LC-PUFA的植物油日粮时，这种转录抑制得到缓解，导致生物合成基因通常观察到上调，这是维持膜稳态的一种生理适应。

这种转录调控是由作为特定转录因子和核受体配体的膳食脂肪酸介导的。甾醇调节元件结合蛋白（SREBPs），特别是SREBP1，被认为是硬骨鱼中脂肪生成和LC-PUFA生物合成的关键调节因子。虽然过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）可被PUFAs激活并调节脂肪酸氧化和脂质稳态相关基因，但它们在协调生物合成途径上调方面的作用不太一致。PPARs可能调节其他生理反应，如免疫功能、应激耐受性和类花生酸代谢，而非在所有物种或生命阶段直接驱动核心生物合成基因。

5. 多组学方法揭示水生系统中的PUFA代谢

传统生化方法可以描述脂肪酸组成，但对控制PUFA生物合成和营养级传递的调控机制提供有限见解。基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的整合，能够实现对营养-基因相互作用和代谢调控的系统层面理解。通过将遗传潜力、基因表达、蛋白质丰度和代谢物谱联系起来，多组学方法可以识别参与PUFA生产的关键酶、调控途径和代谢节点。

基因组学和转录组学分析对鉴定脂肪酸去饱和酶和延长酶至关重要，这些酶催化PUFA生物合成中的连续去饱和和延长步骤。比较基因组学揭示了这些基因在不同物种间的变异，反映了代谢能力和进化适应的差异。许多淡水鱼保留了从C₁₈前体合成LC-PUFA的完整酶学通路，而许多海洋物种则更依赖膳食LC-PUFA。基因拷贝数变异也影响代谢能力，例如三刺鱼淡水种群中FADs2拷贝数增加与增强的DHA合成相关。

转录组学通过揭示条件依赖性的基因表达，提供了PUFA通路调控的动态视图。在鱼类中，富含植物油的日粮通常会诱导去饱和酶和延长酶基因的上调，作为对低膳食LC-PUFA的补偿反应。温度也调节表达，冷胁迫会增加去饱和酶转录以维持膜流动性。然而，转录本丰度并不总是对应于蛋白质水平或酶活性，因为存在转录后和翻译后调控。

在微藻中，整合的多组学数据集解析了PUFA生物合成的三步结构：乙酰辅酶A供给、通过脂肪酸合酶-延长酶-去饱和酶或PKS途径进行的延长/脱饱和，以及三酰甘油（TAG）组装。多组学筛选已识别出替代的LC-PUFA途径和调控节点，包括乙酰辅酶A羧化酶、二酰甘油酰基转移酶和NADPH生成反应，调节这些节点可增加EPA和DHA的积累。

在浮游动物中，基因组学发现表明，一些无脊椎动物类群拥有使其能够从头合成PUFA的甲基末端去饱和酶，修正了关于水生食物网中严格膳食依赖的假设。转录组学研究进一步将膳食EPA的可利用性与类花生酸信号传导和卵黄生成相关基因的表达变化联系起来，将分子调控与繁殖性能联系起来。

代谢组学通过定量分析脂肪酸前体、中间体和终产物，提供了代谢状态的功能性读出。结合化合物特异性稳定同位素分析，代谢组学能够追踪碳流动，并区分PUFA的直接膳食传递和内生生物转化。蛋白质组学则通过确认酶的丰度和识别调控活性的翻译后修饰来补充转录组学，揭示了在环境胁迫下脂质生物合成和β-氧化之间的转换。

6. 增强PUFA生物合成的遗传与生物技术方法

遗传和生物技术策略已成为增强淡水水产养殖物种中LC-PUFA生物合成的有力工具，补充了从组学方法中获得的见解。

选择性育种方法，特别是标记辅助选择，利用了与脂质代谢相关的天然遗传变异。鲤鱼fads2和elovl5基因簇内的编码区和启动子区单核苷酸多态性，与EPA等PUFA含量的变异相关，突显了它们作为遗传改良计划靶点的潜力。大西洋鲑等物种的遗传力研究进一步表明，LC-PUFA生物合成能力部分受遗传控制，支持了通过选择育种增强内源生产的可行性。

转基因和基因组编辑技术使得对LC-PUFA生物合成途径的直接操作成为可能。转基因方法通过引入异源去饱和酶和延长酶基因，增加了LC-PUFA的产量。从马苏大麻哈鱼和秀丽隐杆线虫等生物中获得的基因，已在斑马鱼、鲤鱼和日本黄姑鱼等模式物种中表达，增强了LC-PUFA的生物合成。使用CRISPR/Cas9进行基因组编辑验证了关键酶的功能重要性，敲除斑马鱼和大西洋鲑的elovl2会导致DHA水平降低和多不饱和脂肪酸延长受损。

营养基因组学方法代表了调节内源性LC-PUFA合成的间接策略。用植物油替代鱼油的膳食，可诱导fads2和elovl基因的代偿性上调，反映了对膳食LC-PUFA可用性降低的代谢可塑性。这种响应是由转录介导的，如fads和elovl基因在低膳食LC-PUFA可用性下上调所反映，而SREBPs被更广泛地认为是脂肪生成、胆固醇生物合成和LC-PUFA生物合成的关键调节因子。

在微藻中，生物技术改良策略包括随机诱变、适应性实验室进化，以及旨在提高脂质生产力和LC-PUFA产量的靶向方法。随机诱变能够产生大量突变体文库。靶向基因工程和合成生物学方法为精确控制微藻中的代谢途径提供了可能。CRISPR/Cas9等基因组编辑工具及其高级变体，包括碱基编辑和CRISPRi/CRISPRa系统，实现了靶向修饰和基因表达的调控。RNA干扰可实现转录后基因沉默，而代谢工程策略则侧重于过表达关键酶和破坏竞争途径以增强脂质积累。