麥康森教授：愛爾蘭國立大學博士， 中國工程院院士， 國家傑出青年基金獲得者， 曾任中國海洋大學水產學院院長， 中國海洋大學副校長， 教育部長江學者獎勵計畫特聘教授， 國際鮑魚學會理事和國際魚類營養協會委員會委員。
我們共同探討水產動物營養焦點和熱點問題， 為推動水產養殖動物發展做出努力。 隨著全球水產養殖不斷發展， 水產養殖從增量型轉行為品質型、安全型。 然而， 集約水產養殖的問題日益突出， 比如說環境污染、超高密度養殖、蛋白源缺乏及使用不當不可避免地影響到了水產動物的健康、消化吸收的健康。
今天， 我看到行業裡的許多老朋友新朋友聚在一起交流學習， 我感到非常開心， 說明我們水產行業的發展越來越快， 越來越健康。
今天， 利用這個機會跟大家交流一下我們國家的93課題“魚類蛋白質高效利用的調控機制”的一些研究結果。 我們知道在過去養殖活動中， 用價值低的魚直接去喂價值較高的魚， 由於營養研究的發展， 我們把這些價值低的魚做成魚粉， 然後做成顆粒飼料去投喂， 這反應了食物鏈的規律， 大魚吃小魚， 小魚吃小蝦。
現在到底有多少海洋漁業資源用於水產養殖？目前為止， 全世界的海洋漁業捕撈總量大概是9,000萬噸， 其中20%用於製作魚粉， 6.2%是來自水產品加工的副產品製作魚粉， 每年製作魚粉需要消耗量是2,400萬噸，
水產養殖的快速發展， 從資料上顯示， 我們用2,900萬噸的魚卻養出了7,000萬噸的水產品， 投入產出比非常可觀。 而在中國這個資料更好， 用的成本更低， 投入產出比大概是1:3到1：4之間， 即投入1噸的小雜魚能產出3~4噸的魚。 中國在世界漁業捕撈量來看， 1990~2020年間中國捕魚業產量基本在8,000~9,000萬噸之間，
由於厄爾尼諾現象影響， 經常造成產量的波動， 預期未來還會有所下降。 在這8,000~9,000萬噸的魚裡， 雖然每年用於製作魚粉的比例最高達到30%， 但是隨著全球人口的增加， 對食物的需求種類越來越多， 用於做魚粉的魚比例是穩步下降的。 現在降到20%左右用於做魚粉。
隨著人口的不斷增加， 用於做魚粉的魚的比例會越來越低， 但是隨著水產養殖的不斷增加， 對魚粉的需求會越來越多。 資料顯示從1980~2013年， 全球水產養殖產量的變化， 尤其是90年代以後， 發展速度越來越快， 如果根據水產養殖的特性， 發展趨勢嚴重依賴魚粉， 對魚粉的需求將會越來越高， 那麼與之前提過的魚用於做魚粉的比例越來越低的現狀形成一種特殊矛盾。
這個方向必然會這樣走， 但是這樣走必然會帶來一系列問題。 因為我們養的魚長期以來都是攝食魚粉的，突然要用豆粕、棉粕、菜粕、DDGS來取代魚粉。魚在進化過程中從沒有食用過，必然存在一系列問題，比如適口性差，代謝混亂，消化吸收率低，營養不平衡，缺乏營養健康因數，原來魚粉當中缺乏的活性物質等，嚴重影響魚類生長和消化道的健康。
所以，飼料真正能夠取代魚粉必須有系統的解決辦法，簡單來說，必須解決攝食、消化道健康、如何提高蛋白質吸收和合成代謝問題以及蛋白質合成代謝相關的能量代謝等一系列問題。通過這些途徑來解決替代蛋白源的問題，適口性、消化道健康、增加蛋白質的吸收和合成代謝。首先，我們必須瞭解其調控機制，如何能提高，它在代謝過程中的一些信號調控的規律才能找出方法，這些是我們課題中的任務，下面由我來介紹一下我們研究取得的一些成果。
中國養殖種類很多，按食性分，可以分為肉食性魚類、雜食性魚類和草食性魚類。我們要用非魚粉蛋白源來替代魚粉，是如何影響魚類攝食的？我們必須回答一個問題，即不同食性的魚類是由什麼決定對食物的選擇？
中國草魚養殖產量在世界最大，每年超過500萬噸，尤其在珠三角地區養殖產量和消費量都居首位。草魚在生長過程中的食性是變化的，身長3公分之前是肉食性的，以浮游動物為食；長到6公分的時候，它既吃浮游動物又吃浮游植物，甚至一些大型植物（浮萍等）；長到9公分之後，完全吃高等植物，吃草。可見，在一條魚的生長史中食性是變化的，從肉食性逐步過渡到草食性。
而食性為什麼會發生變化？變化的原因是什麼？由什麼調控著它的食性發生變化的？
舉個例子，中國國寶熊貓在分類學上是食肉目動物、熊科，在熊貓的兄弟姐妹中沒有一個吃素的，唯獨熊貓變得完全吃素，對肉不感興趣。在大自然環境當中，熊貓是吃竹子的，不吃肉，一個食肉目的動物不吃肉，是上帝開的玩笑？熊科動物熊貓屬於食肉動物，卻完全吃素是哪裡出了差錯？
我們對食物的選擇很容易想到味覺受體。通過研究發現，熊貓味覺中的其中一種感知鮮味受體T1R1（即動物感覺食物味道是否鮮美的受體）發生了突變，使得熊貓感覺不到肉的美味。這是在著名的《Nature》（LiRetal.Nature,2010）上面發佈的一篇相關文章，讓我們想到，魚類也很有可能是由於它的味覺受體的基因不同導致食性的不同。
我們用三種不同食性的魚類做實驗，分別是草食性的草魚、雜食性的斑馬魚和肉食性的鱖魚，比較它們味覺受體基因的不同之處。實驗證明，素食動物的甜味基因受體T1R3進行對比，從數量和長度上高度保守，即不同動物之間差異不大。但是，它們的鮮味基因T1R1進行對比，發現肉食性鱖魚相對於草魚和斑馬魚缺失了六個內含子，而且內含子序列在雜食性和草食性魚裡跟鱖魚比也比較短。由此得出，三種不同食性的魚類味覺基因受體序列有顯著差異。
而草魚一生的食性是變化的，按照實驗結果推理，它的味覺基因受體的表達應該也是變化的。研究證明，草魚的鮮味基因在身長3公分之前是高度表達，而在身長9公分之後其表達量急劇下降。它的甜味基因T1R3雖然有下降，但下降幅度很小。所以草魚的食性發生變化是由於基因表達的變化。
我們進一步研究發現，草魚的另一個甜味基因T1R2在基因組裡與斑馬魚對比是加倍的，出現片段的重複，即在草魚裡跟甜味相關的基因表達會更加強。
從這一研究結果我們有了一個思路，如何提高魚類對非魚粉飼料的採食量？——即改良飼料的適口性的一些飼料。
我們要在飼料裡添加一些能夠刺激鮮味受體的物質，在水產飼料裡面運用很廣泛，即誘食劑。誘食劑的本質就是添加一些能引起食欲、對鮮味感知受體的接受物質。另一方面，要知道產生降低攝食量、適口性的物質，我們現在都知道，基本上來自於植物的中間代謝產物，即營養拮抗因數。一般我們會採取對原料進行加工，通過生物發酵的方法來減少這些導致攝食量下降的物質。
現在研究結果為我們提供了一種創新型思路，營養學家把原因找出來了，就交給育種專家，能不能讓肉食性魚類把鮮味基因受體敲掉，讓石斑魚、鱖魚以後都改成吃草，對肉不感興趣，像熊貓一樣。從科學來講，是完全有可能的，這個任務要交給育種專家，培育出原本食肉將來改為吃草的新品種。
現在虹鱒選育方面已經發現有些品系可以遺傳對植物原料的接收和不依賴魚粉的品系，現在選育得非常成功。但卻是從傳統思路選育，我們提出是否可以通過基因工程的辦法敲除來抑制相關基因受體的表達，就可以達到目的。
下一個問題，消化道健康。如果不用魚粉必將導致一系列問題，例如魚腸炎、拉稀，然後導致免疫力、抗病力下降，生長受阻。我們在給魚類投喂不同原料以後，腸消化道組織發生明顯變化，比如用魚粉飼料餵養的魚消化道上皮、絨毛非常健康，而用植物蛋白飼料餵養就會產生大量的空泡，粘膜固有層發生組織學變化。
大豆是如何影響消化道健康的？這個問題非常複雜，植物蛋白裡存在了數量眾多營養拮抗因數，在一個營養拮抗因數裡存在許多亞單位，到底如何作用是一個非常複雜的問題，需要長時間、大量的人力物力投入。
研究表明，大豆裡球蛋白亞單位7S和11S，通過氧化作用，即通過對消化道上皮的脂肪、蛋白質進行嚴重地氧化，導致消化道健康受影響。比如說，我們研究魚類裡的7S或11S會導致一系列跟氧化有關的這些因數的變化。我們說，主要是通過脂質過氧化和蛋白質氧化來破壞了魚腸結構的完整性，導致腸炎和消化吸收能力下降，降低生長性能。
我們在大塘裡養殖很難觀測到魚體的消化道破壞之後產生腸炎的問題，而工廠化養殖就會比較容易看，比如北方的大菱鮃養殖，水淺而清。如果飼料好，魚糞便很成型。通過排汙系統，糞便都能被帶走，水很乾淨。發生腸炎之後，整個一池魚都拉稀，水沒法處理，變得渾濁，並且對過濾系統造成過大負荷無法恢復。腸炎是在給魚投喂非傳統原料來代替魚粉之後經常會遇到的問題。
草魚本來是吃草的魚，它吃草沒有問題，但是假如我們現在在珠江三角洲都用人工飼料去養草魚。我們用一些非傳統原料，不是草類原料，比如說在草魚料裡面加豆粕，也會產生腸炎。但是我們發現，草魚這些草食性魚類對付這些營養拮抗因數還是有一手的。也就是說，它的消化道對由營養拮抗物質導致的腸炎，它的自愈能力很強。
實驗證明，在含有豆粕的飼料裡面，草魚基本通過兩個星期內能夠適應豆粕這種原料，能夠產生自愈的過程。我們跟蹤它的抗炎因數、促炎因數和子包因數之間的表達，可以把這14天分成潛伏期、發病期和顯著期三個過程。一開始抗炎因數和促炎因數處於勢均力敵的階段，之後抗炎因數慢慢佔據優勢逐步恢復。可見，很多魚類自身可能存在一種機制，可以對原料適應和發炎自愈的過程。但是，養殖魚的種類太多，食性非常複雜，對非魚粉蛋白源的添加量和營養拮抗因數的水準以及炎症自愈的可能性，都有很多問題需要進一步研究。
另一方面，動物的消化道裡還有另一群大量微生物，即細菌內生態，而生態環境的穩定會影響消化道裡微生物的穩定，當我們以不同的原料做飼料的時候是否會影響魚類消化道裡的微生物組成？消化道裡的微生物組成既可能存在負面的病原微生物，更有可能是長期進化形成的與之共生的有益微生物。這種微生物組成的變化對消化道健康的影響是否存在？
我們拿大菱鮃、虹鱒做實驗，用豆粕取代魚粉，研究它的消化道裡微生物組成情況。試驗證明，在這兩條魚裡，如果用豆粕取代魚粉，將會增加一些病原菌的比例，尤其是那些引起腸炎的病原菌的比例。所以，用豆粕取代魚粉的時候，會增加產生腸炎的可能性。但是我們同時也可以看到，有一些益生菌的數量也會增加。這種現象在海水魚和淡水魚中都存在。
益生菌對宿主的代謝、營養物質的吸收、代謝有正面影響。更重要的是，它可能對動物腸道免疫也有正面影響。最有可能這種有益的微生物來自魚消化道本身，說明它在魚類消化道內定植生長。我們從草魚消化道裡分離了一系列菌株，發現其中一種我們叫作GC-21，它有很高的與腸道粘膜的結合能力、定植能力，它還能夠誘導草魚產生抗炎因數的作用。我們發現這個GC-21不同的細胞期都有比較良好的表現，這個微生物株很容易在草魚的消化道裡定植，從另一個角度來看，它對抗炎因數也能夠產生比較豐富的量。說明它可能是將來我們作為益生素的良好候選微生物，也可以作為疫苗活體及其他治療物質的載體。
第四個問題看，魚粉裡含有生物活性物質，如果用植物蛋白替代魚粉之後，這些活性物質就不存在了。以前在魚粉充足的時候，這些物質也許你沒有感覺到它有多重要，因為從營養學來看並不是必需的物質，但是當用植物原料時，它們就變得必不可少，比如牛磺酸、羥脯胺酸，這些氨基酸不是必需氨基酸。原來用魚粉作為原料時，魚體又能自行合成，還是滿足需要的，但是當沒有魚粉的時候，植物蛋白裡的含量很低或者根本沒有，魚自身合成的量無法滿足需要。所以人們發現，以植物蛋白為主的飼料裡，如果不添加牛磺酸就會引起肝臟發綠，魚生長就會不好。
我們研究在魚體裡什麼跟牛磺酸的合成有關？不同種類的魚合成能力是否有差異？研究發現，淡水魚虹鱒和海水魚牙鮃都是肉食性魚類，但是淡水魚虹鱒的合成能力比海水魚牙鮃強，但是二者的合成能力都不能滿足自身需要。我們找出了牛磺酸合成的關鍵點，也首次在細胞酶的結構裡發現之所以合成能力不強的原因，就是基因表達出了問題，例如羥脯胺酸與膠原蛋白、結締組織的合成有關係，如果結締組織好，從魚的體質來看，它的食用價值即咀嚼性、組織結構也許更受人們的歡迎。如果在植物性原料的飼料裡添加羥脯胺酸，不但可以改善魚的生長，還可以改善它組織裡的羥脯胺酸含量，更重要的是改善了肌肉的結構，讓其與品質相關的各項指標都有改善。
還有一個更大的問題，大家都知道用植物蛋白為原料餵養的魚不如用魚粉餵養的魚長得好，說明蛋白合成的效率下降。那蛋白質合成過程是怎麼回事？是什麼在影響？我們可以把蛋白質合成比喻成建房子，氨基酸就是建築材料，建築材料充足了，效率才會高。從營養學來看，氨基酸充足了、平衡了，合成的量就大。工地上會有包工頭知道鋼筋水泥是否齊全，是否開工。而在蛋白質合成中誰在觀察、誰在感知這些氨基酸的量是否平衡呢？這就是“營養感知”的問題。
營養感知如何對蛋白質合成產生影響？通過消化，蛋白質會進入氨基酸庫，而氨基酸庫感知相應部分內分泌系統以及相關的一些活性物質，就會產生信號的傳導，會調節相關基因的表達，來指導氨基酸的合成。就如工頭下命令開不開工，合不合成，整個過程有哪些將領在調節是一個道理。
對魚類的營養它是怎麼運作的呢？我們有兩個極端做法，一是營養平衡，喂魚，二是不喂它，於是產生了固有氨基酸的量和比例發生變化。人們發現如果用魚粉做飼料會產生氨基酸過高的風險，但是用植物蛋白做飼料的話氨基酸濃度會比魚粉低得多。我們用陸生動物的思維，你不夠我就添加晶體氨基酸進去看行不行，但我們發現就算是添加了晶體氨基酸，它的氨基酸峰值也達不到魚粉的水準，這是關鍵點。
如果蛋白質合成需要一個氨基酸峰值，則有些原料達得到這個域值，有些原料達不到。為什麼添加氨基酸還達不到呢？因為吸收不同步，晶體氨基酸很快就都吸收了，而別的蛋白質需要消化才能吸收，存在時差，兩個峰值的濃度無法疊加，所以達不到這個域值。雖然飼喂的氨基酸濃度高的時候會推動合成代謝，但不喂時，氨基酸濃度不夠的時候卻會促進分解代謝。所以，試用以後氨基酸水準可以理解成波浪，如果波浪沒達到峰值的話就無法啟動蛋白質的合成代謝。這樣表述的話也許會形象一些。
如果這樣推理，那麼我們尋找分子生物學的證據是否也是這樣的，尋找之後發現確實是這樣的。魚粉蛋白源的氨基酸的平均峰值、非魚粉蛋白質氨基酸峰值，當它峰值足夠的時候，跟初信號通路系統是密切相關的，並且跟它相關的初信號不同關鍵環節因數的基因表達都能體現出顯著提高；當氨基酸濃度不夠的時候，會導致氨基酸應激通路的表達，跟它相關的因數表達都會提高，就會導致分解代謝。而初始信號是通路信號的表達，它的提高會導致蛋白質合成代謝。所以我們提供了分子生物學的證據。
剛才我們經常提到一些營養拮抗因數，我們也找到了營養拮抗因數、氨基酸平衡。我們都知道必需氨基酸在水產動物必須有10種，10種之間不但要有而且要保持平衡，我們也找到平衡與否和蛋白質合成、初信號系統或者應激通路系統有關係，平衡與否有關係。營養拮抗物質的存在作用也存在，比如敏氨酚、磷激素是如何作用的，那麼敏氨酚主要作用于應激通路系統，而磷激素不是作用蛋白質合成通路，它是作用於內分泌調節系統。所以不同營養拮抗物質，它的作用機理是不一樣的。
如果代謝系統對營養物質的感知能力會導致合成能力的不同，那我們是否可以干預感知能力，讓它對營養物質更敏感？就是讓包工頭感知到我們的原料可以開工了。過去人類健美時運用一種物質可以促進肌肉合成顯得更健美，這種物質就是HMB——三肌酸鹽，輔加三肌酸鹽的健美效果會更好。如果運用到魚類有沒有這種效果呢？我們發現，如果把HMB添加到飼料裡能夠讓魚類生長顯著增加，從3.23提高到3.42，肌肉硬度從368提高到461，咀嚼性從127提高到166，彈性從0.8提高到1.13，即HMB可以增加蛋白質的合成，在哺乳類動物裡讓舊細胞增大，但是在魚類裡根源不同，是促進舊細胞分裂。
除了營養以外，在生物代謝過程中一個很重要的途徑就是內分泌調控。那魚類裡的哪些內分泌調控因數跟生長有關係？研究發現，在12個研究的內分泌因數裡找出3w跟個體生長有關的有SOCS、MSTN、POMC。我們研究，這和魚有關係嗎？在哺乳類動物裡面，在小鼠裡如果敲除了SOCS2，它就會健康地生長，比正常的老鼠個頭要大。在魚裡面有這種情況嗎？我們非常有意思地發現，在魚裡面敲除的不是SOCS2，而是SOCS1，這條魚的純合子不大但是它的雜合子會比正常的要大，比純合子都大，這條魚也會長大。但敲除的因數與哺乳類動物有所不同，產生的原因是消耗了腹部的脂肪，有更多的脂肪被消耗作為能量，更多的蛋白質作為蛋白質合成。實驗證明，敲除SOCS之後是有利於組織脂肪的運轉跟利用，並刺激IGF-1的啟動、糖的異生和脂肪氧化分解功能，促進了蛋白質的合成。
另一個是關於維生素D的研究，過去我們都知道，維生素D跟鈣、磷吸收有關，跟生物礦化有關。我們發現，如果敲掉了維生素D纖聚化的因數，會導致對維生素依賴的魚佝僂症，即魚的骨骼發育不完整、不正常，有些人會以為是影響鈣、磷的吸收了，其實不是。魚類在敲除維生素D之後血鈣、血磷並未發生變化，而是導致了典型的生長激素的抵抗綜合症，敲掉了以後，生長激素合成是大幅度增加的，卻減少了肝臟的ST5的蛋白質的磷酸化，導致了脂肪代謝異常，讓這個基因缺失的腹部脂肪大幅度增長。
我們還發現一個問題，維生素D缺乏的時候，原本以為敲掉它就會導致脂肪分解，而維生素D缺乏卻是增強了SOCS的表達，開關更強了，抑制了脂肪的分解代謝，讓脂肪積累在腹部和肝臟當中無法分解耗能使用，所以蛋白質要作為能量來使用。飼料廠也許會為了降低成本而減少飼料當中的魚粉、魚油、維生素和礦物質等含量，而維生素D主要是來自魚粉、魚油等動物性原料，植物性原料是基本沒有的。當飼料中沒有蛋白、沒有魚油的時候，又不添加維生素，就會加重這一過程，導致魚出現脂肪肝、大肚子、魚體又短又胖等問題，都是由於飼料配方不合理。除了魚粉、魚油還應該額外地添加維生素D3。
水產動物與陸生動物不同，水產動物對糖的利用能力比陸生動物差得多，比如魚類裡主要作為能耗的ATP是來自於蛋白質，卻很少來自糖和脂肪，而高等動物是以脂肪和糖為主的。如果要提高魚類蛋白分解的利用率，就需要提高蛋白質合成，減少來自蛋白質的能量，增加來自脂肪和糖的能量。
首先，我們需要理清魚類脂肪代謝的關鍵控制點在哪裡，才能知道如何提高脂肪的利用能力。在陸生高等動物裡脂肪代謝的途徑是比較清楚的，而魚類代謝功能途徑的關鍵控制點我們還不是很清楚，所以我們需要明確魚類代謝的關鍵點。如果我們用高脂飼料喂魚，會產生什麼問題？飼料裡的脂肪進入魚體之後並沒有用於供能，而主要沉積於脂肪組織，此過程主要由PPARγ介導的脂肪細胞不斷增殖脂肪細胞來完成，並伴隨著肝臟和肌肉中PPARα表達量的下降。高脂進來，一個表達增加，一個表達下降，增加的是脂肪細胞的增值，下降的是影響了脂肪的分解代謝。所以，我們就明確了PPAR家族是潛在脂肪功能代謝的調配料。我們因此找到了這種關係，PPARα是促進魚的脂肪分解，PPARγ是促進魚體脂肪沉澱。我們明確了這種關係以後，就找出相應的分子生物學機理和組織學的證據。所以問題就是，我們如何來調控PPARγ、PPARα的表達就可以達到控制脂肪代謝功能的目的。
我們在研究脂肪代謝的時候最困惑的問題就是，要測量魚的脂肪必須把魚殺了，搗碎，然後抽汲，如果要研究脂肪的變化就比較困難。我們有個想法，如何能測量活著的魚的脂肪含量及變化？我們知道人類在做健康檢查的時候需要用到核磁共振來判斷是否有脂肪肝以及脂肪含量的多少，我們就想利用核磁共振成像技術對活體魚類進行脂肪組織檢測和視覺化研究，對不同魚類的脂肪分佈以及立體空間的佔有都可以進行定量計算，魚體做完麻醉，測量以後還能繼續存活。我們還可以把魚類脂肪分佈的三個圖像進行研究，例如草魚和羅非魚的脂肪分佈都是在腹部腸系膜，大菱鮃的脂肪分佈在鰭條的基部而不在腹部，所以大菱鮃的鰭條特別好吃，全是脂肪。但是我們做營養學研究，拿一條魚做核磁共振成本很高，所以希望做儀器研究的人員能製作一台魚的核磁共振機，也能達到這個目的。最後謝謝支援我們研究工作的單位！
（本文是小編根據麥康森在“國際水生動物健康與營養免疫技術研討會”上的報告錄音整理，如有表述不準確的地方，歡迎大家留言多提寶貴意見。再次感謝麥康森院士的精彩分享！）
【關鍵字】：麥康森 飼料蛋白 高效利用 調控機制 肉食性 吃素 水產養殖
因為我們養的魚長期以來都是攝食魚粉的，突然要用豆粕、棉粕、菜粕、DDGS來取代魚粉。魚在進化過程中從沒有食用過，必然存在一系列問題，比如適口性差，代謝混亂，消化吸收率低，營養不平衡，缺乏營養健康因數，原來魚粉當中缺乏的活性物質等，嚴重影響魚類生長和消化道的健康。所以，飼料真正能夠取代魚粉必須有系統的解決辦法，簡單來說，必須解決攝食、消化道健康、如何提高蛋白質吸收和合成代謝問題以及蛋白質合成代謝相關的能量代謝等一系列問題。通過這些途徑來解決替代蛋白源的問題，適口性、消化道健康、增加蛋白質的吸收和合成代謝。首先，我們必須瞭解其調控機制，如何能提高，它在代謝過程中的一些信號調控的規律才能找出方法，這些是我們課題中的任務，下面由我來介紹一下我們研究取得的一些成果。
中國養殖種類很多，按食性分，可以分為肉食性魚類、雜食性魚類和草食性魚類。我們要用非魚粉蛋白源來替代魚粉，是如何影響魚類攝食的？我們必須回答一個問題，即不同食性的魚類是由什麼決定對食物的選擇？
中國草魚養殖產量在世界最大，每年超過500萬噸，尤其在珠三角地區養殖產量和消費量都居首位。草魚在生長過程中的食性是變化的，身長3公分之前是肉食性的，以浮游動物為食；長到6公分的時候，它既吃浮游動物又吃浮游植物，甚至一些大型植物（浮萍等）；長到9公分之後，完全吃高等植物，吃草。可見，在一條魚的生長史中食性是變化的，從肉食性逐步過渡到草食性。
而食性為什麼會發生變化？變化的原因是什麼？由什麼調控著它的食性發生變化的？
舉個例子，中國國寶熊貓在分類學上是食肉目動物、熊科，在熊貓的兄弟姐妹中沒有一個吃素的，唯獨熊貓變得完全吃素，對肉不感興趣。在大自然環境當中，熊貓是吃竹子的，不吃肉，一個食肉目的動物不吃肉，是上帝開的玩笑？熊科動物熊貓屬於食肉動物，卻完全吃素是哪裡出了差錯？
我們對食物的選擇很容易想到味覺受體。通過研究發現，熊貓味覺中的其中一種感知鮮味受體T1R1（即動物感覺食物味道是否鮮美的受體）發生了突變，使得熊貓感覺不到肉的美味。這是在著名的《Nature》（LiRetal.Nature,2010）上面發佈的一篇相關文章，讓我們想到，魚類也很有可能是由於它的味覺受體的基因不同導致食性的不同。
我們用三種不同食性的魚類做實驗，分別是草食性的草魚、雜食性的斑馬魚和肉食性的鱖魚，比較它們味覺受體基因的不同之處。實驗證明，素食動物的甜味基因受體T1R3進行對比，從數量和長度上高度保守，即不同動物之間差異不大。但是，它們的鮮味基因T1R1進行對比，發現肉食性鱖魚相對於草魚和斑馬魚缺失了六個內含子，而且內含子序列在雜食性和草食性魚裡跟鱖魚比也比較短。由此得出，三種不同食性的魚類味覺基因受體序列有顯著差異。
而草魚一生的食性是變化的，按照實驗結果推理，它的味覺基因受體的表達應該也是變化的。研究證明，草魚的鮮味基因在身長3公分之前是高度表達，而在身長9公分之後其表達量急劇下降。它的甜味基因T1R3雖然有下降，但下降幅度很小。所以草魚的食性發生變化是由於基因表達的變化。
我們進一步研究發現，草魚的另一個甜味基因T1R2在基因組裡與斑馬魚對比是加倍的，出現片段的重複，即在草魚裡跟甜味相關的基因表達會更加強。
從這一研究結果我們有了一個思路，如何提高魚類對非魚粉飼料的採食量？——即改良飼料的適口性的一些飼料。
我們要在飼料裡添加一些能夠刺激鮮味受體的物質，在水產飼料裡面運用很廣泛，即誘食劑。誘食劑的本質就是添加一些能引起食欲、對鮮味感知受體的接受物質。另一方面，要知道產生降低攝食量、適口性的物質，我們現在都知道，基本上來自於植物的中間代謝產物，即營養拮抗因數。一般我們會採取對原料進行加工，通過生物發酵的方法來減少這些導致攝食量下降的物質。
現在研究結果為我們提供了一種創新型思路，營養學家把原因找出來了，就交給育種專家，能不能讓肉食性魚類把鮮味基因受體敲掉，讓石斑魚、鱖魚以後都改成吃草，對肉不感興趣，像熊貓一樣。從科學來講，是完全有可能的，這個任務要交給育種專家，培育出原本食肉將來改為吃草的新品種。
現在虹鱒選育方面已經發現有些品系可以遺傳對植物原料的接收和不依賴魚粉的品系，現在選育得非常成功。但卻是從傳統思路選育，我們提出是否可以通過基因工程的辦法敲除來抑制相關基因受體的表達，就可以達到目的。
下一個問題，消化道健康。如果不用魚粉必將導致一系列問題，例如魚腸炎、拉稀，然後導致免疫力、抗病力下降，生長受阻。我們在給魚類投喂不同原料以後，腸消化道組織發生明顯變化，比如用魚粉飼料餵養的魚消化道上皮、絨毛非常健康，而用植物蛋白飼料餵養就會產生大量的空泡，粘膜固有層發生組織學變化。
大豆是如何影響消化道健康的？這個問題非常複雜，植物蛋白裡存在了數量眾多營養拮抗因數，在一個營養拮抗因數裡存在許多亞單位，到底如何作用是一個非常複雜的問題，需要長時間、大量的人力物力投入。
研究表明，大豆裡球蛋白亞單位7S和11S，通過氧化作用，即通過對消化道上皮的脂肪、蛋白質進行嚴重地氧化，導致消化道健康受影響。比如說，我們研究魚類裡的7S或11S會導致一系列跟氧化有關的這些因數的變化。我們說，主要是通過脂質過氧化和蛋白質氧化來破壞了魚腸結構的完整性，導致腸炎和消化吸收能力下降，降低生長性能。
我們在大塘裡養殖很難觀測到魚體的消化道破壞之後產生腸炎的問題，而工廠化養殖就會比較容易看，比如北方的大菱鮃養殖，水淺而清。如果飼料好，魚糞便很成型。通過排汙系統，糞便都能被帶走，水很乾淨。發生腸炎之後，整個一池魚都拉稀，水沒法處理，變得渾濁，並且對過濾系統造成過大負荷無法恢復。腸炎是在給魚投喂非傳統原料來代替魚粉之後經常會遇到的問題。
草魚本來是吃草的魚，它吃草沒有問題，但是假如我們現在在珠江三角洲都用人工飼料去養草魚。我們用一些非傳統原料，不是草類原料，比如說在草魚料裡面加豆粕，也會產生腸炎。但是我們發現，草魚這些草食性魚類對付這些營養拮抗因數還是有一手的。也就是說，它的消化道對由營養拮抗物質導致的腸炎，它的自愈能力很強。
實驗證明，在含有豆粕的飼料裡面，草魚基本通過兩個星期內能夠適應豆粕這種原料，能夠產生自愈的過程。我們跟蹤它的抗炎因數、促炎因數和子包因數之間的表達，可以把這14天分成潛伏期、發病期和顯著期三個過程。一開始抗炎因數和促炎因數處於勢均力敵的階段，之後抗炎因數慢慢佔據優勢逐步恢復。可見，很多魚類自身可能存在一種機制，可以對原料適應和發炎自愈的過程。但是，養殖魚的種類太多，食性非常複雜，對非魚粉蛋白源的添加量和營養拮抗因數的水準以及炎症自愈的可能性，都有很多問題需要進一步研究。
另一方面，動物的消化道裡還有另一群大量微生物，即細菌內生態，而生態環境的穩定會影響消化道裡微生物的穩定，當我們以不同的原料做飼料的時候是否會影響魚類消化道裡的微生物組成？消化道裡的微生物組成既可能存在負面的病原微生物，更有可能是長期進化形成的與之共生的有益微生物。這種微生物組成的變化對消化道健康的影響是否存在？
我們拿大菱鮃、虹鱒做實驗，用豆粕取代魚粉，研究它的消化道裡微生物組成情況。試驗證明，在這兩條魚裡，如果用豆粕取代魚粉，將會增加一些病原菌的比例，尤其是那些引起腸炎的病原菌的比例。所以，用豆粕取代魚粉的時候，會增加產生腸炎的可能性。但是我們同時也可以看到，有一些益生菌的數量也會增加。這種現象在海水魚和淡水魚中都存在。
益生菌對宿主的代謝、營養物質的吸收、代謝有正面影響。更重要的是，它可能對動物腸道免疫也有正面影響。最有可能這種有益的微生物來自魚消化道本身，說明它在魚類消化道內定植生長。我們從草魚消化道裡分離了一系列菌株，發現其中一種我們叫作GC-21，它有很高的與腸道粘膜的結合能力、定植能力，它還能夠誘導草魚產生抗炎因數的作用。我們發現這個GC-21不同的細胞期都有比較良好的表現，這個微生物株很容易在草魚的消化道裡定植，從另一個角度來看，它對抗炎因數也能夠產生比較豐富的量。說明它可能是將來我們作為益生素的良好候選微生物，也可以作為疫苗活體及其他治療物質的載體。
第四個問題看，魚粉裡含有生物活性物質，如果用植物蛋白替代魚粉之後，這些活性物質就不存在了。以前在魚粉充足的時候，這些物質也許你沒有感覺到它有多重要，因為從營養學來看並不是必需的物質，但是當用植物原料時，它們就變得必不可少，比如牛磺酸、羥脯胺酸，這些氨基酸不是必需氨基酸。原來用魚粉作為原料時，魚體又能自行合成，還是滿足需要的，但是當沒有魚粉的時候，植物蛋白裡的含量很低或者根本沒有，魚自身合成的量無法滿足需要。所以人們發現，以植物蛋白為主的飼料裡，如果不添加牛磺酸就會引起肝臟發綠，魚生長就會不好。
我們研究在魚體裡什麼跟牛磺酸的合成有關？不同種類的魚合成能力是否有差異？研究發現，淡水魚虹鱒和海水魚牙鮃都是肉食性魚類，但是淡水魚虹鱒的合成能力比海水魚牙鮃強，但是二者的合成能力都不能滿足自身需要。我們找出了牛磺酸合成的關鍵點，也首次在細胞酶的結構裡發現之所以合成能力不強的原因，就是基因表達出了問題，例如羥脯胺酸與膠原蛋白、結締組織的合成有關係，如果結締組織好，從魚的體質來看，它的食用價值即咀嚼性、組織結構也許更受人們的歡迎。如果在植物性原料的飼料裡添加羥脯胺酸，不但可以改善魚的生長，還可以改善它組織裡的羥脯胺酸含量，更重要的是改善了肌肉的結構，讓其與品質相關的各項指標都有改善。
還有一個更大的問題，大家都知道用植物蛋白為原料餵養的魚不如用魚粉餵養的魚長得好，說明蛋白合成的效率下降。那蛋白質合成過程是怎麼回事？是什麼在影響？我們可以把蛋白質合成比喻成建房子，氨基酸就是建築材料，建築材料充足了，效率才會高。從營養學來看，氨基酸充足了、平衡了，合成的量就大。工地上會有包工頭知道鋼筋水泥是否齊全，是否開工。而在蛋白質合成中誰在觀察、誰在感知這些氨基酸的量是否平衡呢？這就是“營養感知”的問題。
營養感知如何對蛋白質合成產生影響？通過消化，蛋白質會進入氨基酸庫，而氨基酸庫感知相應部分內分泌系統以及相關的一些活性物質，就會產生信號的傳導，會調節相關基因的表達，來指導氨基酸的合成。就如工頭下命令開不開工，合不合成，整個過程有哪些將領在調節是一個道理。
對魚類的營養它是怎麼運作的呢？我們有兩個極端做法，一是營養平衡，喂魚，二是不喂它，於是產生了固有氨基酸的量和比例發生變化。人們發現如果用魚粉做飼料會產生氨基酸過高的風險，但是用植物蛋白做飼料的話氨基酸濃度會比魚粉低得多。我們用陸生動物的思維，你不夠我就添加晶體氨基酸進去看行不行，但我們發現就算是添加了晶體氨基酸，它的氨基酸峰值也達不到魚粉的水準，這是關鍵點。
如果蛋白質合成需要一個氨基酸峰值，則有些原料達得到這個域值，有些原料達不到。為什麼添加氨基酸還達不到呢？因為吸收不同步，晶體氨基酸很快就都吸收了，而別的蛋白質需要消化才能吸收，存在時差，兩個峰值的濃度無法疊加，所以達不到這個域值。雖然飼喂的氨基酸濃度高的時候會推動合成代謝，但不喂時，氨基酸濃度不夠的時候卻會促進分解代謝。所以，試用以後氨基酸水準可以理解成波浪，如果波浪沒達到峰值的話就無法啟動蛋白質的合成代謝。這樣表述的話也許會形象一些。
如果這樣推理，那麼我們尋找分子生物學的證據是否也是這樣的，尋找之後發現確實是這樣的。魚粉蛋白源的氨基酸的平均峰值、非魚粉蛋白質氨基酸峰值，當它峰值足夠的時候，跟初信號通路系統是密切相關的，並且跟它相關的初信號不同關鍵環節因數的基因表達都能體現出顯著提高；當氨基酸濃度不夠的時候，會導致氨基酸應激通路的表達，跟它相關的因數表達都會提高，就會導致分解代謝。而初始信號是通路信號的表達，它的提高會導致蛋白質合成代謝。所以我們提供了分子生物學的證據。
剛才我們經常提到一些營養拮抗因數，我們也找到了營養拮抗因數、氨基酸平衡。我們都知道必需氨基酸在水產動物必須有10種，10種之間不但要有而且要保持平衡，我們也找到平衡與否和蛋白質合成、初信號系統或者應激通路系統有關係，平衡與否有關係。營養拮抗物質的存在作用也存在，比如敏氨酚、磷激素是如何作用的，那麼敏氨酚主要作用于應激通路系統，而磷激素不是作用蛋白質合成通路，它是作用於內分泌調節系統。所以不同營養拮抗物質，它的作用機理是不一樣的。
如果代謝系統對營養物質的感知能力會導致合成能力的不同，那我們是否可以干預感知能力，讓它對營養物質更敏感？就是讓包工頭感知到我們的原料可以開工了。過去人類健美時運用一種物質可以促進肌肉合成顯得更健美，這種物質就是HMB——三肌酸鹽，輔加三肌酸鹽的健美效果會更好。如果運用到魚類有沒有這種效果呢？我們發現，如果把HMB添加到飼料裡能夠讓魚類生長顯著增加，從3.23提高到3.42，肌肉硬度從368提高到461，咀嚼性從127提高到166，彈性從0.8提高到1.13，即HMB可以增加蛋白質的合成，在哺乳類動物裡讓舊細胞增大，但是在魚類裡根源不同，是促進舊細胞分裂。
除了營養以外，在生物代謝過程中一個很重要的途徑就是內分泌調控。那魚類裡的哪些內分泌調控因數跟生長有關係？研究發現，在12個研究的內分泌因數裡找出3w跟個體生長有關的有SOCS、MSTN、POMC。我們研究，這和魚有關係嗎？在哺乳類動物裡面，在小鼠裡如果敲除了SOCS2，它就會健康地生長，比正常的老鼠個頭要大。在魚裡面有這種情況嗎？我們非常有意思地發現，在魚裡面敲除的不是SOCS2，而是SOCS1，這條魚的純合子不大但是它的雜合子會比正常的要大，比純合子都大，這條魚也會長大。但敲除的因數與哺乳類動物有所不同，產生的原因是消耗了腹部的脂肪，有更多的脂肪被消耗作為能量，更多的蛋白質作為蛋白質合成。實驗證明，敲除SOCS之後是有利於組織脂肪的運轉跟利用，並刺激IGF-1的啟動、糖的異生和脂肪氧化分解功能，促進了蛋白質的合成。
另一個是關於維生素D的研究，過去我們都知道，維生素D跟鈣、磷吸收有關，跟生物礦化有關。我們發現，如果敲掉了維生素D纖聚化的因數，會導致對維生素依賴的魚佝僂症，即魚的骨骼發育不完整、不正常，有些人會以為是影響鈣、磷的吸收了，其實不是。魚類在敲除維生素D之後血鈣、血磷並未發生變化，而是導致了典型的生長激素的抵抗綜合症，敲掉了以後，生長激素合成是大幅度增加的，卻減少了肝臟的ST5的蛋白質的磷酸化，導致了脂肪代謝異常，讓這個基因缺失的腹部脂肪大幅度增長。
我們還發現一個問題，維生素D缺乏的時候，原本以為敲掉它就會導致脂肪分解，而維生素D缺乏卻是增強了SOCS的表達，開關更強了，抑制了脂肪的分解代謝，讓脂肪積累在腹部和肝臟當中無法分解耗能使用，所以蛋白質要作為能量來使用。飼料廠也許會為了降低成本而減少飼料當中的魚粉、魚油、維生素和礦物質等含量，而維生素D主要是來自魚粉、魚油等動物性原料，植物性原料是基本沒有的。當飼料中沒有蛋白、沒有魚油的時候，又不添加維生素，就會加重這一過程，導致魚出現脂肪肝、大肚子、魚體又短又胖等問題，都是由於飼料配方不合理。除了魚粉、魚油還應該額外地添加維生素D3。
水產動物與陸生動物不同，水產動物對糖的利用能力比陸生動物差得多，比如魚類裡主要作為能耗的ATP是來自於蛋白質，卻很少來自糖和脂肪，而高等動物是以脂肪和糖為主的。如果要提高魚類蛋白分解的利用率，就需要提高蛋白質合成，減少來自蛋白質的能量，增加來自脂肪和糖的能量。
首先，我們需要理清魚類脂肪代謝的關鍵控制點在哪裡，才能知道如何提高脂肪的利用能力。在陸生高等動物裡脂肪代謝的途徑是比較清楚的，而魚類代謝功能途徑的關鍵控制點我們還不是很清楚，所以我們需要明確魚類代謝的關鍵點。如果我們用高脂飼料喂魚，會產生什麼問題？飼料裡的脂肪進入魚體之後並沒有用於供能，而主要沉積於脂肪組織，此過程主要由PPARγ介導的脂肪細胞不斷增殖脂肪細胞來完成，並伴隨著肝臟和肌肉中PPARα表達量的下降。高脂進來，一個表達增加，一個表達下降，增加的是脂肪細胞的增值，下降的是影響了脂肪的分解代謝。所以，我們就明確了PPAR家族是潛在脂肪功能代謝的調配料。我們因此找到了這種關係，PPARα是促進魚的脂肪分解，PPARγ是促進魚體脂肪沉澱。我們明確了這種關係以後，就找出相應的分子生物學機理和組織學的證據。所以問題就是，我們如何來調控PPARγ、PPARα的表達就可以達到控制脂肪代謝功能的目的。
我們在研究脂肪代謝的時候最困惑的問題就是，要測量魚的脂肪必須把魚殺了，搗碎，然後抽汲，如果要研究脂肪的變化就比較困難。我們有個想法，如何能測量活著的魚的脂肪含量及變化？我們知道人類在做健康檢查的時候需要用到核磁共振來判斷是否有脂肪肝以及脂肪含量的多少，我們就想利用核磁共振成像技術對活體魚類進行脂肪組織檢測和視覺化研究，對不同魚類的脂肪分佈以及立體空間的佔有都可以進行定量計算，魚體做完麻醉，測量以後還能繼續存活。我們還可以把魚類脂肪分佈的三個圖像進行研究，例如草魚和羅非魚的脂肪分佈都是在腹部腸系膜，大菱鮃的脂肪分佈在鰭條的基部而不在腹部，所以大菱鮃的鰭條特別好吃，全是脂肪。但是我們做營養學研究，拿一條魚做核磁共振成本很高，所以希望做儀器研究的人員能製作一台魚的核磁共振機，也能達到這個目的。最後謝謝支援我們研究工作的單位！
（本文是小編根據麥康森在“國際水生動物健康與營養免疫技術研討會”上的報告錄音整理，如有表述不準確的地方，歡迎大家留言多提寶貴意見。再次感謝麥康森院士的精彩分享！）
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