糖胺聚糖在锰调控鸡蛋蛋壳超微结构中的作用及机制

Eggshell quality is one of the most important economic and apparent charactertistics of laying hen eggs. In China, the yearly breakage rate of the eggs ranged from 6% to 8%, which cost huge lost to laying hen industry. Nutritional modulation is an efficient way to improve eggshell quality. Our previous research showed that dietary supplemental manganese (Mn) can increase the content of glycosaminoglycans (GAGs) in the shell, alter shell ultrastructure, and thus improving egg quality. The current project will focus on the mechanism underlying the effects of manganese regulating eggshell ultrastructural properties on the basis of GAGs. To identify the militating pattern of GAGs under Mn modulation, the eggshell formation process will be elaborately divided to dynamically tracking its space-time displacement in the obstetric canal, and therefore investigate the sequential patterns of the distribution and composition of GAGs and eggshell ultrastructural properties by using chromatography/electrophoresis and scanning electron microscope/X-ray diffraction methods, respectively. Furthermore, the metabolism of GAGs and its associated proteins will be analyzed. The major associated proteins will be identified by using label-free protein quantification and mass-spectrometry. The key genes involved in GAGs metabolism will be screened using gene chip technique and bioinformatics, and thus clarify the mechanism of Mn regulating GAGs metabolism. The current project will disclose the functional mechanism of Mn regulating GAGs in the formation phase of eggshell ultrastructure, and provide scientific evidence and practical techniques for Mn application in eggshell quality improvement.

蛋壳品质是鸡蛋重要的经济和外观性状。我国鸡蛋的破损率达6%-8%，蛋壳破损问题严重影响蛋鸡业效益。营养是调控蛋壳品质的重要途径。项目组前期研究发现日粮锰可提高蛋壳糖胺聚糖含量，改变蛋壳微观结构，进而改善蛋壳品质。项目针对锰调控蛋壳微观结构作用机制不清的科学问题，以糖胺聚糖为核心，将蛋壳形成过程精细划分，动态追踪蛋壳形成各阶段在产道中不同部位游走的时空位移，采用色谱/电泳法和扫描电镜/X-射线衍射技术研究糖胺聚糖分布组成和蛋壳超微结构变化的时序规律，确定糖胺聚糖在锰调控蛋壳超微结构的作用方式；然后围绕糖胺聚糖自身代谢及其协同蛋白深入研究，采用无标记蛋白定量和质谱技术鉴定糖胺聚糖的核心协同蛋白，通过基因芯片技术和生物信息学手段筛选糖胺聚糖代谢通路的关键基因和调控途径，确定锰调控糖胺聚糖的精确机制。本项目可揭示锰调控糖胺聚糖在蛋壳超微结构形成过程中的作用机制，为锰的合理应用和蛋壳品质改善提供理论依据。

蛋壳品质降低导致的蛋壳破损问题会给家禽生产和蛋品行业造成巨大的经济损失。微量元素锰不仅是蛋壳的化学组分，也参与调控蛋壳超微结构的形成，进而影响蛋壳的力学特性。本项目针对蛋壳品质改善及日粮中微量元素锰水平和来源的合理选用问题，探讨了日粮锰调控蛋壳品质及超微结构的机制。项目首先观测了日粮锰源及水平对产蛋鸡蛋壳力学特性、超微结构及有机物组成的影响，筛选出不同锰源调控蛋壳品质的最佳剂量；其次，通过研究蛋壳形成过程中超微结构层特征及力学特性的变化，确定了锰发挥调控作用的关键阶段、作用位点和蛋壳结构层。结果表明，无机锰和有机锰均可通过提高蛋壳钙化层中糖胺聚糖含量，提高蛋壳有效层厚度，降低乳突层厚度，从而提高蛋壳厚度和强度。有机锰还可通过提高基质膜中糖胺聚糖含量，降低乳突宽度从而提高蛋壳韧性。日粮中添加锰改善了蛋壳形成过程中的力学特性和超微结构，使成核密度和乳突密度增加，乳突宽度和厚度降低，有效层厚度和总厚度提高,表明日粮锰参与调控蛋壳的整个形成过程。乳突层和栅栏层是锰调控蛋壳超微结构的关键部位。我们采用RNA转录组测序方法，进一步研究了矿化初期日粮锰调控乳突形成的关键基因和代谢通路，发现日粮添加锰上调了蛋壳腺内编码蛋白聚糖、糖蛋白、钙结合蛋白以及参与蛋白糖基化和聚糖代谢的基因表达。此外，我们分析了日粮锰对蛋壳腺和蛋壳糖胺聚糖代谢及基质蛋白的影响，结果表明锰通过促进输卵管壳腺部糖胺聚糖合成代谢酶的表达增加了壳腺糖胺聚糖合成以及蛋壳中糖胺聚糖的含量。综上，日粮锰可通过调控蛋壳腺内蛋白糖基化和聚糖代谢，提高蛋白聚糖和糖蛋白的表达，增加蛋壳乳突密度，改善超微结构从而提高蛋壳品质。上述研究初步探明了锰调控鸡蛋蛋壳超微结构形成的机理，可为生产中锰水平和来源的合理选用提供依据，为蛋壳品质的研究提供新的思路。