有无光照对黑水虻幼虫生长性能、粗蛋白、粗脂肪和脂质代谢相关基因的影响

■黄中佐 叶柏平 曾小宇 王 波*

（1.中国农业大学动物科学技术学院，动物 营养学国家重点实验室，北京 100193；2.湖南艾布鲁环保科技股份有限公司，湖南 长沙 420356）

豆粕、鱼粉等饲料原料短缺严重制约了我国畜牧 业的发展，除研发低蛋白日粮技术外，开发新型蛋白质饲料原料也十分重要。昆虫的营养价值高，富含蛋白质、微量元素和能量，可以作为优质的饲料原料来源[1]。其中，黑水虻（Hermetia illucens）可以利用餐厨垃圾、畜禽粪便等有机质来生产虫体优质蛋白质和脂肪[2]，是联合国粮农组织指定的资源昆虫之一。黑水虻幼虫的蛋白质和脂肪可以部分或全部替代豆粕、鱼粉和植物油等蛋白质和脂肪原料[3]，在畜牧生产领域有着广泛的应用前景。

黑水虻幼虫虫体约含有52%的蛋白质和28%的油脂。不同的饲料种类和生产目的对于黑水虻幼虫虫体成分有着不同的需求，有必要在黑水虻饲养过程中通过控制饲养条件来控制黑水虻幼虫虫体中的蛋白质和脂肪比例。培养基质的成分比例是影响黑水虻幼虫虫体成分的主要因素[4-5]，日粮浓度越高，黑水虻幼虫的粗脂肪含量越高，而日粮浓度对黑水虻幼虫的粗蛋白含量影响较小。除了培养基质外，光照条件也是影响黑水虻幼虫发育的重要因素。有研究表明[5]，适当减少光照时间和光照强度可以促进黑水虻幼虫的生长，但是光照对于黑水虻幼虫虫体成分的影响尚不明确。

因此，本研究比较了有无光照对黑水虻幼虫生长速度与虫体成分的差异，同时评估了不同光照条件下黑水虻对培养基质的生物质转化效率，旨在为黑水虻的饲料利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 黑水虻的饲养

黑水虻虫卵由湖北省某黑水虻繁育基地提供。在虫卵时期分成两组，分别在光照强度为黑暗（0 lx，黑暗组）和光照（13 860 lx，光照组）的人工光照培养箱中孵化，孵化温度为28 ℃，孵化相对湿度为70%，孵化培养基质为水分含量为70%的雏鸡饲料[6]（主要营养水平见表1）。

表1 雏鸡饲料的主要营养水平（以干物质为基础，%）

饲养至6日龄后，光照组和黑暗组分别随机挑选360 只体重约为20 mg 的黑水虻幼虫，各分成12 个重复，每个重复30只。所有黑水虻幼虫都饲养在体积为600 cm3的带盖透明塑料容器中（10 cm×10 cm×6 cm），容器侧壁有60 个直径0.05 cm 的通风孔。在人工光照培养箱中生长至12 日龄后，将黑水虻幼虫冷冻处死，一部分样品用于基因表达分析，一部分样品烘干至恒重后用于化学成分分析。黑水虻生长过程中每天称量虫体体重，实验结束统计培养基质干物质消耗量。

1.2 黑水虻幼虫生物质转化性能评估

采用以下公式对黑水虻幼虫的生长性能和生物质转化性能进行评估[7-10]。虫体体重增加值用于计算生长速率（GR）。黑水虻幼虫消耗培养基质中有机物的效率通过计算摄食率（SR）来确定，通过计算饲料转化率（FCR）来评估饲料转化为虫体生物量的效率，此外，还计算了消化饲料的转化效率（ECDF）。

1.3 黑水虻成分分析

黑水虻幼虫样品在65 ℃干燥至恒重后，粉碎用于虫体成分检测。采用德国Elementar rapid N Ⅲ快速测氮仪（Dumas燃烧测氮）测定粗蛋白含量；采用全自动脂肪分析仪ANKOM XT10i（索氏提取法）测定粗脂肪含量。

1.4 黑水虻RNA分离、反转录和实时定量PCR

取50 mg 黑水虻样品加入1 mL Trizol 进行裂解。使用苯酚-氯仿法和异丙醇沉淀法从样品中分离出RNA。使用上海碧云天生物技术有限公司的高保真cDNA第一链合成试剂盒合成cDNA。在MyiQ2TM双色实时PCR 检测系统中通过实时定量聚合酶链式反应（RT-PCR）测量不同光照条件下黑水虻幼虫脂质代谢基因的相对mRNA水平，包括乙酰辅酶A羧化酶（Acetyl-CoA carboxylase，ACC）、脂肪酸合成酶（Fatty acid synthase，FAS）、脂肪酶（Lipase，LIP）和酰基辅酶A脱氢酶（Acyl-CoA dehydrogenase，ACD），使用18S作为参考基因，使用2-ΔΔCt方法计算相对mRNA表达量，并将荧光定量数据的结果归一化。参考引物序列见表2[11]。

表2 RT-PCR引物序列

1.5 统计分析

所有实验数据统计分析和绘图使用Graph Pad Prism 8.0.2软件完成，对所有实验数据进行T检验，结果以“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 有无光照对黑水虻幼虫生物质转化相关指数的影响（见表3）

表3 有无光照对黑水虻幼虫生物质转化相关指数的影响（以干物质为基础，n=12）

如表3 所示，相比于黑暗组，光照组黑水虻幼虫GR显著降低0.002 g/d（P＜0.05）。除此之外，黑暗组与光照组的SR、FCR、ECDF均无显著差异（P＞0.05）。

2.2 有无光照对黑水虻幼虫生长曲线的影响（见图1）

图1 有无光照对黑水虻幼虫生长曲线的影响

如图1所示，在8日龄之前，两组黑水虻幼虫的虫体体重无显著性差异（P＞0.05），在9日龄时，黑暗组黑水虻幼虫的虫体体重极显著高于光照组（P＜0.01）。在9日龄后，黑水虻幼虫的虫体体重显著高于光照组（P＜0.05）。

2.3 有无光照对黑水虻幼虫干物质、粗蛋白和粗脂肪含量的影响（见表4）

表4 有无光照对黑水虻幼虫干物质、粗蛋白和粗脂肪含量的影响（以干物质为基础，n=12，%）

由表4所示，黑暗组和光照组的黑水虻幼虫干物质含量无显著差异（P＞0.05），光照组黑水虻幼虫的粗蛋白含量相较于黑暗组显著升高了1.24个百分点（P＜0.05），光照组黑水虻幼虫的粗脂肪含量相较于黑暗组显著降低1.62个百分点（P＜0.05）。

2.4 有无光照对黑水虻幼虫脂质代谢相关基因表达水平的影响（见图2）

如图2所示，黑暗组黑水虻幼虫脂质代谢相关基因ACC、FAS、ACD和LIP的mRNA 表达量均显著高于光照组（P＜0.05）。

图2 有无光照对黑水虻脂质代谢相关基因（ACC、FAS、ACD、LIP）mRNA相对表达量的影响

3 讨论

3.1 有无光照对黑水虻幼虫生物质转化相关指数的影响

黑水虻具有食谱广、食量大和转化率高等采食特点，在处理畜禽排泄物与有机废物方面有应用潜能。陈丽等[12]发现黑水虻幼虫对鸡粪与猪粪的SR 达到29.3%和28.8%。本实验发现，黑水虻幼虫在黑暗与光照条件下对雏鸡饲料的SR 分别为41.05%和36.18%，这可能与黑水虻幼虫在黑暗环境下采食时间显著延长有关[13]。Bosch 等[14]研究评估了黑水虻幼虫对78种有机资源的转化效率，发现黑水虻幼虫的FCR为1.3～32.8。Gold等[15]发现采食各种有机质后黑水虻幼虫粗蛋白含量为32%～58%，粗脂肪含量为15%～39%。本实验发现，黑暗组与光照组的黑水虻幼虫对雏鸡饲料的FCR为9.48和7.89，其中具体的影响机制尚不清楚。此外，黑暗组与光照组的ECDF无显著差异。

3.2 有无光照对黑水虻幼虫生长曲线的影响

赵竟伽等[16]发现，黑水虻幼虫在人工碘钨灯光照强度为2 000 lx时生长发育较黑暗环境更迟缓，这与本实验的结论相似。光照也会影响饲料含水量，黑暗环境减少饲料水分挥发与热量散失，稳定的饲养环境可能更有利于黑水虻幼虫采食与生长。同时，有研究证明光周期与热量需求在昆虫发育过程中存在互作效应，短光照下昆虫对热量需求更小[17]，黑暗环境可能降低黑水虻幼虫发育所需要的热量。总之，黑暗环境可能通过提高采食量、提供稳定环境、降低热量需求以促进黑水虻幼虫生长。

3.3 有无光照对黑水虻幼虫干物质、粗蛋白和粗脂肪含量的影响

多项研究证明培养基的成分会影响黑水虻幼虫成分[18-19]，但光照对黑水虻幼虫虫体成分的影响研究较少。在本研究中，黑暗组与光照组相比，12 日龄黑水虻幼虫虫体的粗蛋白含量降低，粗脂肪含量升高，这与窦永芳[5]的结果相似。Giannetto 等[11]研究发现，粗灰分含量随黑水虻幼虫的发育逐渐增加，黑暗环境下黑水虻幼虫生长发育较快，可能导致蛹化提前，使粗灰分含量增加较快，粗蛋白含量积累不足。同时，相比于黑暗组黑水虻幼虫的采食时间延长，光照组黑水虻幼虫采食时间较短，基础代谢与饲料热增耗较低，可能导致其代偿性生长较充分，脂肪沉积少。

3.4 有无光照对黑水虻幼虫脂质代谢相关基因表达水平的影响

光照是影响昆虫生长发育的重要因子，光照条件的改变会影响昆虫的行为活动或生活习性。Zhu等[20]对卷心菜甲虫研究发现，光照通过影响生物钟基因Period与Timeless表达来调节脂肪酸合成分解，促进脂肪沉积。长时间光照和黑暗都可能干扰黑水虻幼虫的生活习性和规律代谢活动，本实验发现黑暗组黑水虻幼虫脂质代谢基因（ACC、FAS、ACD、LIP）的mRNA 表达均上调，说明黑水虻幼虫在黑暗条件下，可能通过提高脂质代谢活动促进脂肪沉积以维持生理稳态。

4 结论

黑暗环境有利于黑水虻幼虫生长和脂肪沉积，光照环境有利于黑水虻幼虫蛋白质的沉积。