代謝組學在家養(yǎng)動物遺傳育種中的應用研究

王趁芳

摘要：對家養(yǎng)動物遺傳育種中的代謝組學進行分析，為通過代謝組學進行動物經(jīng)濟性狀遺傳基礎的研究提供依據(jù)。

關鍵詞：家養(yǎng)動物;遺傳育種;代謝組學

中圖分類號：S813.2 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：1007-273X（2020）03-0010-02

代謝組學指的是利用分析化學技術實現(xiàn)生物樣品中大量小分子代謝物的全面鑒定與定量分析，在生物醫(yī)學、畜牧學、營養(yǎng)學等研究中使用。在生理遺傳學、基因組學等研究不斷深入的過程中，大量研究者開始通過代謝組學技術與方法進行動物遺傳育種的研究。

代謝組為轉錄組、蛋白質組、基因組總體表達結果，能夠將組織生化狀態(tài)直接反映出來，表現(xiàn)生命體生理病理變化，在生命復雜系統(tǒng)中具有重要意義。主要特點就是高通量試驗與大規(guī)模計算，基于系統(tǒng)生物學角度對機體代謝變化進行考察。動物基因組變異并不一定會影響動物表型，代謝分子變化會導致變異。簡單來說，基因組學變異要利用相應代謝分子轉化到表型中傳遞。主要是因為科研人員在使遺傳變異與表型關聯(lián)的時候，遺漏了部分變異位點，通過代謝組學數(shù)據(jù)篩查遺漏位點。在代謝組學發(fā)展中，與其他組學數(shù)據(jù)整合研究能夠對動物生命活動復雜調控機制進行解析。

1 ?代謝組學在動物營養(yǎng)研究中的使用

在20世紀90年代中期，代謝組學被廣泛應用于環(huán)境衛(wèi)生、藥物研發(fā)、分子生理病理學等方面。但是，代謝組學技術在動物營養(yǎng)領域的使用才剛開始。在營養(yǎng)與攝食干預不同時，主要研究目標為動物機體中的小分子量代謝產(chǎn)物的改變，使營養(yǎng)素對動物營養(yǎng)的生理機能、添加水平等認知得到加強。

代謝組學技術還能夠應用到營養(yǎng)過剩、穩(wěn)態(tài)控制等方面，營養(yǎng)失衡會導致體內正常代謝的平衡失調，通過單一代謝生物標志物無法展現(xiàn)此過程，但是代謝物組學技術能對系統(tǒng)進行分析，從而將此過程科學地描述出來。氨基酸大量攝取，能夠充分展現(xiàn)靶組織中的有毒代謝物與高濃度氨基酸，使正常代謝的途徑改變，通過代謝組學方法對氨基酸代謝物定量監(jiān)測。Noguchi[1]分析代謝組學技術應用到氨基酸攝入的安全范圍，利用相關性分析的方法能夠分析某代謝產(chǎn)物與攝入的蛋白質、氨基酸，確定適量的氨基酸攝入量。另外，其在研究中還發(fā)現(xiàn)氨基酸代謝譜能夠將特定生理狀態(tài)充分展現(xiàn)出來，充分展現(xiàn)代謝的關系。給予大鼠含2.4%的蛋氨酸日糧，降低了血液中的丁氨酸、丙氨酸，說明在蛋氨酸代謝過程中，會限制高半胱氨酸轉化為丁氨酸、丙氨酸與硫醚。所以，高半胱氨酸能夠對蛋氨酸的過量進行監(jiān)測。

王雪梅[2]利用定量脂質體代謝輪廊技術研究脂質代謝輪廊，充分考察脂質代謝的影響。研究結果顯示，與對照組對比，無法將血漿卵磷脂濃度恢復。膽堿的補充能夠使正常的血漿甘油三酸酯濃度水平恢復，但是并沒有恢復到對照組水平。表示膽堿的補充能夠將PEMT部分功能代替，但PEMR功能也并不是合成卵磷脂的補充途徑。脂質流動在肝臟、血漿中，并且和必要的脂肪酸通過肝臟分化脂蛋白傳輸?shù)街苓叺难骸⒔M織中，與多種病理過程具有密切關系。

2 ?代謝組學在動物遺傳育種中的使用

2.1 ?家養(yǎng)動物的體液關鍵代謝分子

研究家養(yǎng)動物代謝組學是通過質譜技術與核磁技術對血清、血漿、尿液、乳汁、肌肉等樣品代謝分析進行測定，對于乳汁、血清、血漿等研究比較多。劉小利[3]利用代謝組學技術檢測不同樣品與物種，得到1 070個代謝分子，在LMDB數(shù)據(jù)庫中收錄。在不同動物血漿、血清與乳汁中所檢測的代謝分子分別為408、351和422個。

2.2 ?動物代謝遺傳參數(shù)的估計

機體中代謝水平會發(fā)生改變，會受到生活習慣、環(huán)境的影響。所以每個生物樣品代謝組學圖譜只是此個體在指定時間的代謝狀態(tài)。在使代謝分子表達量作為中間性狀進行遺傳學分析過程中，要對遺傳因素的代謝分析表型變異份額掌握，也就是估計代謝分子表達水平的遺傳參數(shù)。

周光瑞等[4]對比利時藍牛、瑞士褐牛、澤西牛、諾曼地牛等大量牛乳樣品進行檢測，表示牛乳中不同長鏈脂肪酸代謝分子遺傳力為0.05～0.38，其遺傳相關位-0.06～0.084。另外，還有相關學者實現(xiàn)了初次泌乳奶牛血清代謝分子進行遺傳參數(shù)估計，表示葡萄糖遺傳力為0.12～0.39，非酯化脂肪酸為0.08～0.35，β-羥基丁酸脂為0.08～0.40。

對豬肌肉中脂肪酸構成與參與多不飽和脂肪酸代謝中去飽和酶延長酶活性指標遺傳參數(shù)進行分析，其長鏈多不飽和脂肪酸遺傳力值超過0.50。

2.3 ?動物代謝分析的全基因組關聯(lián)分析

在實現(xiàn)基因組學研究技術全基因組SNP標記檢測平臺中，對血液、血清、尿液等體液檢測的代謝分子全基因組關聯(lián)進行分析，為代謝組學和基因組學耦合的重點。人類代謝組學mGWAS研究結果豐富，并且已經(jīng)篩選多個代謝分析表達顯著遺傳基因與標記，進一步分析表示此代謝分子為人類疾病生物標記。家養(yǎng)動物mGWAS報道較少，主要為豬、牛方面，主要目的就是利用某代謝分析全基因關聯(lián)對肉質、乳質遺傳標記進行篩選。比如，已經(jīng)篩選的SCD、FASN、DGAT1家族等主要候選基因和牛乳液、肌肉等不同鏈長脂肪酸含量有關系。在動物群體中進行mGWAS樣本量規(guī)模要小于人類研究群體規(guī)模，主要是因為在飼養(yǎng)過程中能夠控制飼養(yǎng)環(huán)境，使動物環(huán)境因素相同。

2.4 ?動物代謝分子鑒定品種

在研究豬、牛等家養(yǎng)動物代謝組學過程中，對動物組織、血清與乳汁等研究材料進行檢測，篩選代謝分子作為區(qū)分品種的生物標記物。錢萬芬等[5]利用代謝組學的方法對比瘦肉型與肥胖型的血清代謝圖譜，表示寧鄉(xiāng)品系豬血清中的脂質、胰高血糖素、胰島素、糖蛋白、不飽和脂質等比瘦肉型豬要高，尿素與葡萄糖比瘦肉型豬要低。徐忠等[6]通過質譜技術對杜洛克豬、大白豬的血清、血漿等分析，一共檢測代謝分子180種，杜洛克豬中的鞘磷脂表達量最高，大白豬中的乙酰鳥氨酸最高。楊紅文等[7]分析表明，利用甘油3-磷酸、甘油-3-磷酸脫氫酶與甘油代謝對瘦肉型大白豬與高脂卡斯塔納豬進行區(qū)分;部分學者通過NMR技術對純種安格斯牛、海福特牛與雜交牛的血漿代謝圖譜進行檢測，表示肉堿、肌酸、馬尿酸等代謝分子表達在兩個品種之間具有明顯的差別。胡孟等[8]通過H-NMP技術對比飼喂同樣日糧和同個日齡公雞血漿，表明甜菜堿、組氨酸與谷氨酰胺等代謝分析表達具有明顯差異。

3 ?小結

代謝組學目前已經(jīng)在疾病預測、功能基因組學、遺傳學、藥物設計等領域中使用，還創(chuàng)新了動物育種技術。比如通過指定生理狀態(tài)標記代謝分子選育動物，或者通過代謝組學信息對動物潛在遺傳差異分析。在代謝組學不斷發(fā)展的過程中，此技術在家養(yǎng)動物選育方面廣泛使用，對闡述復雜生物學機制問題是非常有利的。

參考文獻：

[1] NOGUCHI O. Application of metabolomics in genetic breeding of domestic animals[J].Genetics，2019，41（2）：27-40.

[2] 王雪梅.代謝組學在中草藥研究中的應用[J].甘肅科技，2019（18）：64-68.

[3] 劉小利.淺談代謝組學技術及其在動物醫(yī)學研究中的應用[J].農(nóng)業(yè)與技術，2017，37（12）：79-80.

[4] 周光瑞，季生林，張明芬.新疆褐牛血緣分析和育種對策研究[J].草食家畜，2007（1）：36-38.

[5] 萬錢芬，何慶華，王玉蘭.基于NMR的代謝組學方法研究雞和豬對T-2毒素的急性應答[A].第十八屆全國波譜學學術年會論文集[C].武漢：中國物理學會波譜專業(yè)委員會，2014.

[6] 徐 ?忠，繆園欣，付亮亮，等.大白豬血清5個生化指標全基因組關聯(lián)分析及與飼料效率相關的研究[EB/OL].北京：中國科技論文在線，2017-05-04.

[7] 楊紅文，粟朝芝，王德鳳.豬脂肪甘油酸脂酶（ATGL）基因的表達特性分析[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2012（13）：58-60.

[8] 胡 ?孟，張海軍，王 ?晶，等.L-組氨酸對肉雞生長性能、肌肉品質、血漿抗氧化能力和肌肉咪唑二肽含量的影響[J].動物營養(yǎng)學報，2017，29（8）：2697-2706.