Research of the Simulated Microgravity Effects in Two-axis Rotating Bioreactor and Micro-carrier Movement in the Fluid
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摘要: 为了解释旋转生物反应器的微重力效应, 研究微重力流体中微载体的运动规律。以有效重力加速度远小于地表重力加速度, 微载体在水溶液中的“近似静止”这2种方法, 验证旋转生物反应器的模拟微重力效应。结合自行研制的旋转生物反应器灌流系统环境, 运用等效截面分析法对微载体运动位移和速度进行分析, 得出在流体环境下运动规律, 并通过计算离心力, 得到细胞瓶内氧合膜的理想实验半径。研究表明微载体由中心按一定规律向外径向运动, 直至触碰到壁面。为了取得较好试验结果, 氧合膜半径为小尺寸参数, 范围在0.373 30.804 2cm。Abstract: For studying the simulated microgravity in rotating bioreactor and the movement of micro-carrier in the microgravity fluid, two methods were applied to verify the effect of simulated microgravity in rotating bioreactor:keeping the effective acceleration of gravity far less than the surface gravity acceleration, or the " approximate static" condition for micro-carrier in the aqueous solution.In the self-developed perfusion system in rotating bioreactor, the motion displacement and speed of micro-carrier were analyzed to find out the movement rules of micro-carrier in the aqueous solution, and the ideal radius of membrane oxygenator in cell bottle was decided by centrifugal force calculating.The results showed that micro-carrier moved from center to outside following a certain rule until touching the wall.To get better test results, the radius of membrane oxygenator was set to be a small parameter between 0.3 733-0.8 042 cm.
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Keywords:
- simulated microgravity /
- perfusion system /
- micro-carrier movement
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0. 引言
【研究意义】近几年来，随着人们消费水平和生活质量的逐步提高，我国肉类消费市场中禽肉的消费趋势已悄然改变，以樱桃谷鸭为代表的快大型肉鸭市场占有率逐年下滑，而肉质鲜美、风味独特的优质中小型肉鸭越来越受消费者的喜爱和关注。这种消费趋势的转变促进了我国各地方品种鸭、杂交鸭以及其他优质肉鸭的饲养量不断增加。吉安红毛鸭是江西省吉安市肉蛋兼用型地方品种，以加工板鸭为主要用途，是加工“南安板鸭”的最优原料鸭，现已列入国家畜禽遗传资源保护名录。吉安红毛鸭具有羽毛生长与体重生长同步、瘦肉率高的特点，但其饲料转化率低，养殖成本高，特别是早期生长发育相对缓慢，使得品种纯种选育难以满足市场的增长需求[1-2]。因此，培育出一种肉质及其风味明显优于樱桃谷鸭，生长速度又比麻鸭快的新品系是目前市场的迫切需求，以解决现代肉鸭产业中生长速度和肉品质相矛盾的问题。
【前人研究进展】目前，通过杂交获取杂种优势依然是培育各类符合市场需求农副产品的主要方式，该方式在禽类中的应用也十分广泛。大量的研究表明杂交后代会呈现出明显的杂种优势，其在生长速度、屠宰性能及其他生产性能上均超越父母代个体。在鸡、鸭中均有研究表明杂交后代的屠体重、半净膛率、全净膛率、胸肌重及腿肌重等屠宰性能可显著提高[3-4]。靳笑菊[5] 研究发现将东乡黑鸡与来航鸡杂交后，其后代在生长速度、产蛋性能及蛋品质方面均优于东乡黑鸡和来航鸡。俞亚波等[6-8]利用京海黄鸡和其他肉鸡品系分别进行了二元杂交、三元杂交以及级进杂交，结果显示所有杂交后代在体重、成活率、饲料转换率及生产性能等方面均大大提升。罗曼鹅和扬州鹅的杂交后代在生长性能上也显示出极大的杂种优势[9]。另外，与鸭相关的杂交试验中，王丽霞等[10]利用大型白羽肉鸭（♂）和改良型连城白鸭（♀）杂交，经过5个世代的选育，最终显著提高了群体的均匀度。江宵兵等[11]利用山麻鸭、金定鸭、莆田黑鸭以及闽农白鸭各自的特色，选育出了生产性能稳定的专门化品系。李广周等[12]利用樱桃谷鸭、奥白星鸭以及北京鸭进行二元杂交或三元杂交，其结果显示杂交后代在产蛋率、种蛋受精率、成活率、抗病力等方面均有所提高，且杂交后代的适应性和生长速度也明显提升。缪中纬等[13]以丽佳鸭和连城白鸭为育种素材，采用杂交、横交以及群体继代选育等方法选育3～4个世代，显著提高了生长速度和饲料转化率等。丁后超[14]将旱鸭、建昌鸭、绿头鸭、安顺麻鸭以及连城白鸭分别与樱桃谷鸭进行杂交，发现所有杂交后代均表现出明显的杂种优势，不仅生长速度明显提升，还具有耐粗饲、抗病力强等优点。还有研究表明，樱桃谷鸭与小体型北京鸭的杂交组合可用于培育优质小体型肉鸭[15]，具有生长快、生长周期短等特点的大余白鸭就是利用樱桃谷鸭、狄高鸭与大余麻鸭杂交选育出的优良品种，该品种还具有适应性强、瘦肉率高、胸腿肌发达、肉质好等特点[16]。对肉用型家禽来说，屠宰性能十分重要，而我国的肉鸭（麻鸭）市场随着樱桃谷鸭带来的大幅度冲击逐渐萎缩，因此需要培育多个肉鸭新品种和配套系来提高我国优质肉鸭的生产性能，从而提高市场竞争力。【本研究切入点】吉安红毛鸭是我国现存的肉蛋兼用型地方品种之一，受消费者喜爱，但其存在饲养成本高、生长性能低等问题，这大大限制了其在市场上的发展空间。白改鸭是通过北京公鸭和白色母菜鸭杂交选育而成，具有繁殖性能好、早期生长发育快的特点[17-18]。因此，引进白改鸭对吉安红毛鸭进行遗传改良，有望提高吉安红毛鸭的生长性能。【拟解决的关键问题】本研究以吉安红毛鸭和白改鸭为育种素材，采用级进杂交、横交固定等方式对吉安红毛鸭进行遗传改良，综合分析后代生产性能，筛选出符合市场需求的优质肉鸭产品，充分将种质资源优势转化为商品优势，降低对国外肉鸭品种的依赖程度，同时有效促进板鸭加工产业的发展，提升企业的综合效益，为促进肉鸭产业持续健康发展奠定基础。
1. 材料与方法
1.1 试验动物
以江西省吉水八都有限公司肉鸭养殖基地饲养的白改鸭为父本，国家级吉安红毛鸭保种场的吉安红毛鸭为母本进行杂交，收集种蛋、孵化，杂交方案如图1所示。纯种红毛鸭与引进的白改公鸭杂交产生杂交一代（F1）群体；选择F1代中同一批出壳的健康的红毛雏鸭200只作为母本，与白改公鸭进行杂交，产生杂交二代（F2）群体；选择杂交二代（F2）中的红毛鸭和白羽鸭各自横交固定，产生横交群体。所有鸭采用网床平养、自由采食和饮水，均按常规方式进行饲养管理和免疫。所有杂交二代（F2）试验鸭也均为同日出雏，按种鸭常规免疫程序进行免疫，不同生长发育阶段饲喂相应基础日粮，自由采食、饮水，日常饲养管理措施均按常规进行。饲养至90日龄后，分别在F1代、F2代及横交群体中随机选取红毛鸭60只和白羽鸭60只（公母各30只）进行屠宰性能测定。
1.2 测定项目及方法
对不同日龄F1代（ 0、14、21、50和90日龄）、F2代（ 0、15、21、29、43、52、63、70和90日龄）以及横交群体（ 0、10、21、30、40、50、60、70和90日龄）后代杂交鸭（红毛鸭和白羽鸭各120只，公母各半）进行体重测量，于90日龄时对F1代、F2代及横交群体中的红毛鸭和白羽鸭（各60只，公、母各半）进行屠宰性能测定。
1.3 数据统计分析
试验数据采用Excel建表，采用SPSS19.0统计中的Descriptive程序计算各指标的平均数与标准差，采用t检验方法分析数据差异性。
2. 结果与分析
2.1 杂交后代羽色分离情况
吉安红毛鸭与白改鸭杂交F1代鸭羽色主要表现为红毛和白羽，其中红毛鸭396只，白羽鸭200只，比例约为2∶1。在F1群体中选择红毛鸭（♀）与白改鸭（♂）回交，F2代个体羽色表现为杂色羽、红毛和白羽3个羽色，其中杂色羽鸭145只，红毛鸭199只，白羽鸭156只，比例约为1∶1.2∶1。选留F2代生长速度较快且体型适中的红毛鸭和白羽鸭各自进行横交固定，后代均不出现羽色分离，红毛鸭的后代全部为红毛，白羽鸭的后代全部为白羽。
2.2 杂交后代不同阶段体重测定
分别测定了不同杂交后代中红毛鸭和白羽鸭不同生长阶段的体重，结果显示，在F1代群体（表1）中，红毛和白羽群体鸭体重均随着日龄的增长而迅速增加，且呈现相似的生长规律，平均日增重均在第21日龄达到最大。但在不同生长阶段，红毛鸭日增重和体重均低于白羽鸭，且红毛鸭与白羽鸭的相对生长率达高峰时间不同，白羽鸭在第14日龄时就已经达到最高相对生长率，而红毛鸭却相对较晚，在第21日龄左右才达到最高相对生长率。
表 1 F1代不同日龄体重测定Table 1. Body weights of F1 ducks at different ages日龄
Days/d红毛 Red plumage 白羽 White plumage 体重
Weight/g日增重
Daily weight gain/g相对生长率
The relative growth rate/%体重
Weight/g日增重
Daily weight gain/g相对生长率
The relative growth rate/%0 50.31±3.86 – – 52.13±4.15 – – 14 178.00±30.90 9.12 126.90 333.06±63.25 20.07 269.45 21 449.77±95.62 38.82 152.68 687.12±153.24 50.58 106.31 50 1420.95±239.98 33.49 52.12 1947.50±315.35 43.46 44.28 90 1884.84±142.05 11.60 5.71 2215.95±257.22 6.71 2.41 在F2代群体（表2）中，红毛和白羽群体鸭仍出现不一样的生长速度，其中红毛鸭群体生长速度略低于白羽鸭群体生长速度，因此不同生长阶段，红毛鸭体重均低于白羽鸭个体。
表 2 F2代不同日龄体重测定Table 2. Body weights of F2 ducks at different ages日龄
Days/d红毛 Red plumage 白羽 White plumage 体重
Weight/g日增重
Daily weight gain/g相对生长率
The relative growth rate/%体重
Weight/g日增重
Daily weight gain/g相对生长率
The relative growth rate/%0 49.03±4.34 – – 53.01±2.54 – – 15 310.83 ±46.86 17.45 249.18 321.62±48.45 17.90 236.37 21 597.09±113.30 47.71 107.44 632.45±101.73 51.81 112.75 29 1000.00±120.43 50.36 59.05 1110.00±160.41 59.69 66.07 43 1246.17±180.57 17.58 12.31 1590.00±220.54 34.29 21.62 52 1581.13±220.45 37.22 20.91 1985.25±260.10 43.92 19.33 63 1830.79±230.12 22.70 10.05 2314.54±290.25 29.94 9.05 70 1964.10±250.20 19.04 7.28 2434.04±410.42 17.07 5.16 90 2059.22±298.60 5.66 2.02 2508.59±331.81 3.73 1.07 在横交群体（表3）中，处于同一生长阶段的红毛鸭体重仍始终低于白羽鸭体重，但红毛鸭21日龄相对生长率高于白羽鸭。
表 3 横交后代不同日龄体重测定Table 3. Body weights of fixed hybrid ducks at different ages日龄
Days/d红毛 Red plumage 白羽 White plumage 体重
Weight/g日增重
Daily weight gain/g相对生长率
The relative growth rate/%体重
Weight/g日增重
Daily weight gain/g相对生长率
The relative growth rate/%0 45.00±6.37 – – 47.14±5.89 – – 10 207.17±24.25 16.20 252.00 288.79±32.82 24.17 358.91 21 592.26±72.41 35.01 118.29 622.43±110.13 30.33 73.52 30 871.82±138.15 31.06 36.71 972.95±164.73 38.95 43.80 40 1292.15±187.80 42.03 33.75 1514.73±210.70 54.18 38.98 50 1586.07±246.06 29.39 15.92 1947.20±279.78 43.25 19.99 60 1776.82±276.11 19.08 8.42 2093.73±292.52 14.65 5.27 70 1868.57±183.80 9.18 3.61 2131.11±340.21 3.74 1.25 90 1901.40±215.84 1.64 0.61 2253.04±280.49 6.10 2.00 与F1代红毛鸭相比（表4），F2代红毛鸭早期生长阶段体重极显著提升（P＜0.01），且到上市日龄（90日龄）时，F2代红毛鸭体重也极显著高于F1代红毛鸭（P＜0.01）。另外，所有F2代杂交鸭的初生重与F1代杂交鸭间无显著差异（P＞0.05）。
表 4 杂交后代不同日龄体重比较Table 4. Body weights of hybrid progenies at different ages日龄
Days/d红毛 Red plumage 白羽 White plumage F1代
F1 generationF2代
F2 generation横交群
F2×F2 generationF1代
F1 generationF2代
F2 generation横交群
F2×F2 generation0 50.31±3.86 Aa 49.03±4.34 Aa 45.00±6.37 Bb 52.13±4.15 Aa 53.01±2.54 Aa 47.14±5.89 Bb 21 449.77±95.62 Bb 597.09±113.30 Aa 592.26±72.00 Aa 687.12±153.24 Aa 632.45±101.73 Bb 622.43±110.00 Bb 90 1884.84±142.05 Bb 2059.22±398.60 Aa 1901.40±215.84 Bb 2215.95±275.22 Bb 2479.59±331.81 Aa 2153.04±280.49 Cc 注：同行数据后不同大、小写字母表示相同羽色不同世代间差异显著（P＜0.01）或极显著（P＜0.05）。
Note: Data with different uppercase or lowercase letters on same duck line indicate extremely significant difference at P＜0.01 or significant differences at P＜0.05，The same as Table 5, 6.与F1代红毛鸭相比（表4），横交后代红毛鸭21日龄体重极显著提升（P＜0.01）；与F2代红毛鸭相比，横交后代红毛鸭21日龄体重无显著变化（P＞0.05），这表明通过杂交的方式，红毛鸭早期生长速度得到显著提升，且该性能可通过横交进行固定。另外，横交群后代鸭的初生重均极显著低于F1代和F2代杂交鸭的初生重（P＜0.01），且横交群中红毛鸭的上市日龄体重极显著低于F2代红毛鸭（P＜0.01），但与F1代红毛鸭上市日龄体重间无显著差异（P＞0.05）。
2.3 杂交后代90日龄屠宰性能测定
分别对不同世代鸭90日龄的屠宰性能进行测定，结果（表5、6）显示，F2代红毛鸭的屠体率、胸肌率、瘦肉率以及母鸭的活体重、屠体重、全净膛率相比于F1代红毛鸭群体均有显著或极显著提高（P＜0.05或P＜0.01）；横交群体红毛鸭的屠体率、全净膛率、母鸭的半净膛率以及公鸭的腹脂率均显著或极显著高于F1代红毛鸭（P＜0.05或P＜0.01）；另外，横交群体中所有红毛鸭的半净膛率及红毛公鸭的屠宰率、全净膛率和腹脂率显著或极显著高于F2代红毛鸭（P＜0.05或P＜0.01）。
表 5 杂交后代90日龄红毛鸭屠宰性能分析Table 5. Slaughter performance of 90-d-old red-feather ducks屠宰性能
Slaughter performanceF1代 F1 generation F2代 F2 generation 横交群 F2×F2 generation 公 Male ducks 母 Female ducks 公 Male ducks 母 Female ducks 公 Male ducks 母 Female ducks 活体重 Live body weight /kg 1.99±0.09 a 1.84±0.14 Bb 2.04±0.35 a 2.08±0.23 Aa 1.99±0.23 a 1.79±0.14 Bb 屠体重 Slaughter body weight /kg 1.71±0.09 a 1.59±0.13 Bb 1.82±0.32 a 1.87±0.20 Aa 1.80±0.22 a 1.63±0.13 Bb 屠体率 Dressing percentage/% 86.04±2.07 Bc 86.55±1.93 Bb 89.17±2.22 Ab 90.24±2.46 Aa 90.36±1.20 Aa 91.16±1.29 Aa 半净膛率 Half-eviscerating percentage/% 80.27±2.67 ABab 80.34±1.83 Bb 79.63±2.65 Bb 79.83±2.23 Bb 81.86±2.20 Aa 81.74±2.76 Aa 全净膛率 Eviscerating percentage /% 72.08±2.43 Bb 71.80±1.77 Bb 73.02±1.75 Bb 72.92±3.09 ABa 74.77±1.66 Aa 73.84±2.64 Aa 胸肌率 Breast meat percentage /% 12.99±1.86 Ab 13.03±1.46 ABb 14.04±1.18 Aa 14.07±1.52 Aa 13.70±0.99 ABab 12.84±1.32 Bb 腿肌率 Leg meat percentage/% 10.71±0.98 ABa 10.71±1.09ABab 11.40±0.95 Aa 11.33±1.42 Aa 9.87±0.87 Bb 10.39±0.96 Bb 腹脂率 Abdominal fat percentage /% 1.54±0.84 ABb 1.89±0.86 a 1.35 ±0.95 Bb 1.82±0.72 a 2.41±1.13 Aa 2.22±1.01 a 瘦肉率 Lean meat percentage /% 23.71±1.26 Ab 23.42±2.02 Bb 25.33±1.56 Aa 25.41±2.07 Aa 23.57±1.29 Ab 23.34±1.87 Bb 注：同行数据后不同大、小写字母表示同性别不同世代间差异显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）。表6同。
Note: On same duck line, different uppercase or lowercase letters indicate extremely significant difference at P＜0.01 or significant differences at P＜0.05. The same as Table 6.在杂交后代的白羽鸭群体中（表6）， F2代白羽鸭的胸肌率、瘦肉率及母鸭的活体重、屠体重相比于F1代白羽鸭个体均显著或极显著提高（P＜0.05或P＜0.01）；横交群白羽鸭的屠体率、全净膛率和胸肌率均显著或极显著高于F1代白羽鸭（P＜0.05或P＜0.01），横交白羽公鸭的腹脂率均显著低于F1代白羽鸭（P＜0.05）；另外，横交群白羽鸭屠体率、全净膛率和母鸭的半净膛率也均极显著高于F2代白羽鸭（P＜0.01）。
表 6 不同世代90日龄白羽鸭屠宰性能比较Table 6. Slaughter performance of 90-d-old white-feather ducks屠宰性能
Slaughter performanceF1代 F1 generation F2代 F2 generation 横交群 F2×F2 generation 公 Male ducks 母 Female ducks 公 Male ducks 母 Female ducks 公 Male ducks 母 Female ducks 活体重 Live body weight /kg 2.33±0.25 ABa 2.13±0.23 Bb 2.53±0.39 Aa 2.41±0.22 Aa 2.14±0.30 Bb 2.16±0.27 Bb 屠体重 Slaughter body weight /kg 2.05±0.22 ABab 1.86±0.21 Bb 2.22±0.37 Aa 2.09±0.22 Aa 1.94±0.27 Bb 1.97±0.26 ABab 屠体率 Dressing percentage/% 87.77±1.25 Bb 87.61±1.20 Bb 87.60±2.05 Bb 86.55±2.69 Bb 90.51±2.32 Aa 91.01±1.60 Aa 半净膛率 Half-eviscerating percentage /% 81.20±1.22 Aa 80.97±1.21 Aa 79.20±2.63 Bb 77.92±3.75 Bb 80.55±2.47 ABab 81.03±2.56 Aa 全净膛率 Eviscerating percentage/% 72.82±1.54 ABb 71.98±1.53 ABb 72.24±2.21 Bb 70.69±3.50 Bb 74.16±2.16 Aa 73.67±2.58 Aa 胸肌率 Breast meat percentage/% 13.00±1.80 Bb 12.37±2.10 Ab 14.13±1.42 ABa 14.41±0.91 Aa 14.79±1.33 Aa 13.61±1.42 Aa 腿肌率 Leg meat percentage/% 9.83±1.63 a 9.87±1.10 ABab 10.39±1.19 a 10.49±0.98 Aa 10.25±1.60 a 9.21±2.04 Ab 腹脂率 Abdominal fat percentage/% 2.65±0.81 Aa 2.54 ±0.86 Aa 2.30±1.09 Ab 2.17±0.84 Ab 1.80±1.52 Ac 2.31±1.40 Ab 瘦肉率 Lean meat percentage /% 22.83±3.14 Ab 22.24±1.97 Bb 24.51±1.82 Aa 24.89±1.62 Aa 25.04±2.46 Aa 22.65±2.56 Bb 3. 讨论
我国丰富的地方鸭品种为优质肉鸭的选育工作提供了素材。然而，由于我国地方鸭种缺少系统的选育体系，在瘦肉率、产肉量等经济指标上大大落后于外来鸭种，严重制约了地方鸭种产业化发展和推广进程。在保持优良地方鸭种特色和肉质风味的同时，如何最大程度提高地方鸭种的产肉量是育种成功和产业升级的壁垒。利用地方品种之间或地方品种与大型肉鸭之间杂交进行遗传改良，不仅可提高地方品种的生长和屠宰性能，同时还可保留其较好的地方品种特性。
吉安红毛鸭是江西省特有的地方肉、蛋兼用型鸭品种，在2003年，董闽鲜等[19]通过5个世代的系统选育，形成了体型大小及外貌基本一致的吉安红毛鸭品种。相比其他品种的大型肉鸭，吉安红毛鸭在肉质、风味等方面均表现出更突出的优势，且符合优质肉鸭各项条件。但吉安红毛鸭仍然有生长速度慢等缺点，因此对该品种进一步选育十分必要。
在本研究中，引入白改鸭与吉安红毛鸭进行级进杂交、横交固定，参考江西省地方标准《吉安红毛鸭》中原种红毛鸭的生长速度及产肉性能数据，发现所有杂交红毛鸭（F1代、F2代和横交群）的初生重、生长速度以及屠宰性能等均显著提高，其中红毛鸭的早期（21日龄）生长速度提升最为明显。与F1代杂交鸭相比，F2代红毛鸭的早期（21日龄）生长速度和屠宰性能明显提高，经过横交固定后，横交群体中红毛鸭的早期生长速度和屠宰性能依然显著高于F1代杂交鸭，说明横交固定的方法使得红毛鸭生长速度与屠宰性能趋于稳定。通过该选育，吉安红毛鸭在早期生长速度等方面得到显著提高，这为在红毛鸭生产应用中解决生长速度慢与市场需求大的矛盾奠定基础。但本研究缺少对肉质的测定，杂交是否影响吉安红毛鸭优良的肉品质和其独特的风味还有待进一步考量。
综上所述，吉安红毛鸭与白改鸭间的杂交使后代的早期生长速度和屠宰性能得到改善，表明通过杂交的方式可以改良地方品种，以弥补其不足之处，满足市场需求。
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期刊类型引用(1)
1. 邹梦云，张危红，熊小兰，魏岳，康昭风，唐维国，韦启鹏，谢金防，熊立根，黄江南. 吉安红毛鸭品种介绍与现状研究. 中国畜禽种业. 2024(02): 32-37 . 
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