代謝組學(xué)在畜禽遺傳育種中的應(yīng)用分析

金森

（江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)畜牧獸醫(yī)中心 213161）

從20 世紀(jì)70 年代末以來(lái)，隨著改革開(kāi)放的深入，我國(guó)城鄉(xiāng)居民物質(zhì)生活水平快速提升，不僅對(duì)肉蛋奶等傳統(tǒng)畜禽產(chǎn)品的需求量有不斷增加趨勢(shì)，且對(duì)畜禽產(chǎn)品的品質(zhì)也提出更高要求。但目前國(guó)內(nèi)部分優(yōu)良畜禽品種核心種源仍依賴進(jìn)口，全部白羽肉雞祖代、大部分優(yōu)質(zhì)種牛精液和胚胎需從國(guó)外引進(jìn)，有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的畜禽種業(yè)則處于起步階段。

代謝組學(xué)，即應(yīng)用分析化學(xué)技術(shù)全面鑒定和定量分析生物樣品內(nèi)大量小分子代謝物，其在生物醫(yī)學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)等科研領(lǐng)域中均有應(yīng)用，很多學(xué)者陸續(xù)投身到利用代謝組學(xué)技術(shù)和方法研究畜禽育種相關(guān)問(wèn)題。

1 代謝組學(xué)的分類

代謝組學(xué)的研究對(duì)象以相對(duì)分子質(zhì)量低于1000 的小分子物質(zhì)為主，迄今為止，已有114100 個(gè)代謝分子被收進(jìn)人類代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。依照理化性質(zhì)的不同，可以把代謝組學(xué)含有的物質(zhì)分成氨基酸類、肽類、能量類、脂類等；參照代謝分子生成來(lái)源的差異，其有內(nèi)源性與外源性之分；依照研究策略的差異，代謝組學(xué)研究可被分成靶標(biāo)、靶標(biāo)代謝[1]。

2 檢測(cè)平臺(tái)

核磁共振儀（MMR）、質(zhì)譜儀（MS）、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（C-MS）等均是研究高通量代謝組學(xué)的常用儀器，既往國(guó)外有學(xué)者研究了以上檢測(cè)技術(shù)平臺(tái)的特性（見(jiàn)附圖），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MMR 是應(yīng)用最早的基礎(chǔ)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是能快速完成樣品檢測(cè)前期的預(yù)處理工作，且基本不會(huì)損壞試樣；但在靈敏度方面不占優(yōu)勢(shì)，僅能檢出濃度在μmol/L～mmol/L 范圍中的代謝分子。MS 的特點(diǎn)有靈敏度高、轉(zhuǎn)移性強(qiáng)等，能精準(zhǔn)的檢出濃度nmol/L～pmol/L 的分子，近些年中，氣相色譜-質(zhì)譜（GCMS）、液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）技術(shù)在代謝產(chǎn)物領(lǐng)域中逐漸被應(yīng)用，檢測(cè)范圍十分寬廣，但前者應(yīng)用時(shí)制備樣品過(guò)程過(guò)于煩瑣，可能會(huì)導(dǎo)致樣品發(fā)生質(zhì)變，故而推廣受限。

附圖 不同代謝組學(xué)檢測(cè)平臺(tái)的靈敏度

3 代謝組學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 分析畜禽體液的重要代謝分子

既往大部分學(xué)者利用MMR、MS 技術(shù)去檢測(cè)分析血漿、尿液、乳汁等試樣代謝分子，故而開(kāi)展的相關(guān)研究較多。國(guó)內(nèi)有學(xué)者曾應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)不同試樣和物種，共計(jì)獲得了1070 個(gè)代謝分子，將其收錄至LMDB 內(nèi)。在不同畜禽血漿、血清及物質(zhì)內(nèi)檢測(cè)到的代謝分子量分別是408、351、422 個(gè)。

3.2 預(yù)估代謝遺傳參數(shù)

在生活習(xí)慣、客觀環(huán)境等因素的作用下，畜禽機(jī)體內(nèi)的代謝水平會(huì)出現(xiàn)一定變化，故而每個(gè)畜禽樣品的代謝組學(xué)圖譜僅能表現(xiàn)出該個(gè)體在特定時(shí)間中的代謝狀態(tài)。選用代謝分子表達(dá)量作為中間形狀開(kāi)展畜禽遺傳學(xué)分析工作階段，需要精準(zhǔn)掌握代謝分析表型變異的具體數(shù)額，即預(yù)估代謝分子表達(dá)水平對(duì)應(yīng)的遺傳參數(shù)。

有研究人員曾選擇藍(lán)牛、澤西牛、瑞士褐牛等牛乳試樣開(kāi)展檢測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)牛乳內(nèi)不同類型長(zhǎng)鏈脂肪酸代謝分子遺傳力在0.05～0.38 區(qū)間，對(duì)應(yīng)的遺傳相關(guān)為-0.06～0.084。也有學(xué)者成功預(yù)估了首次泌乳奶牛血清代謝分子的遺傳參數(shù)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖、非酯化脂肪酸、遺傳力分別是0.12～0.39、0.080.35、0.08～0.40。也有研究人員預(yù)估了456 頭丹麥荷斯坦奶牛與436 只丹麥澤西牛的牛乳代謝分子遺傳力，發(fā)現(xiàn)乳清酸與遺傳力均高于0.8。

在研究家豬過(guò)程中，重點(diǎn)預(yù)估了和肉質(zhì)性狀有關(guān)的各類型長(zhǎng)鏈脂肪酸的遺傳力，如有人通過(guò)大量研究分析后指出，長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸的遺傳力通常高于0.5。也有研究人員曾將肉雞高、低脂雙向選擇品系作為試樣進(jìn)行研究，預(yù)估了數(shù)項(xiàng)血液生化指標(biāo)的遺傳參數(shù)，總結(jié)發(fā)現(xiàn)，總膽汁酸、肌酐的遺傳力范圍均在0.60～0.85 之間。有人采用MS 技術(shù)檢測(cè)大白豬與杜洛克豬的血漿、血清成分。檢出代謝分子數(shù)達(dá)180 種，前者體內(nèi)乙酰鳥(niǎo)氨酸高表達(dá)，后者高表達(dá)的是鞘磷酸。

3.3 鑒定品種

在分析牛、豬、羊、雞等畜禽代謝組學(xué)時(shí)選擇血清、組織等作為研究樣品材料，挑選出部分代謝分子作為辨識(shí)畜禽品種的生物標(biāo)記物。目前，國(guó)內(nèi)外均發(fā)表了數(shù)篇文獻(xiàn)報(bào)道以上不同品種畜禽在代謝分子表達(dá)上的差異。如He 等應(yīng)用代謝組學(xué)法對(duì)比了肥胖型、瘦肉型家養(yǎng)豬兩者血清代謝圖譜的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)和后者相比較，前者血清內(nèi)胰島素、脂質(zhì)、糖蛋白、丙酮酸鹽、肌酸的水平明顯提升，但其機(jī)體中葡萄糖與尿素含量偏低。也有研究人員利用LC-MS 技術(shù)檢測(cè)來(lái)航雞與商品肉雞的脂肪組織，研究中共計(jì)檢出92 種代謝分子，和商品肉雞相比，F(xiàn)ayoumi 與來(lái)航雞脂肪組織中的肉堿、鳥(niǎo)苷、腺苷含量明顯增多。

3.4 分析代謝分子的全基因組關(guān)聯(lián)

結(jié)合既往基因組學(xué)研究成果，尤其是搭建全基因組SNP 標(biāo)記檢測(cè)平臺(tái)，將血清、尿液等體液檢測(cè)到的代謝分子表達(dá)量設(shè)定成表型值，分析了代謝分子全基因組額度關(guān)聯(lián)性，這是耦合代謝組學(xué)與基因組學(xué)的重要一環(huán)，也是當(dāng)下代謝組學(xué)基于遺傳學(xué)進(jìn)行研究的始發(fā)點(diǎn)，對(duì)代謝分子功能與遺傳控制研究過(guò)程均能起到一定的促進(jìn)作用。結(jié)合既往已發(fā)表的文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，在人類代謝組學(xué)mGWAS 研究方面取得的成績(jī)是豐滿的，但與畜禽mGWAS 研究相關(guān)的報(bào)道偏少，研究對(duì)象以牛、豬為主，如現(xiàn)已證實(shí)，篩選出的DGAT1、FASN、SCD、ELOVL 等基因與牛乳液、肌肉內(nèi)各類不同鏈長(zhǎng)的脂肪酸含量之間存在一定的相關(guān)性；而FASD、ELOVL 等候選基因影響家豬最長(zhǎng)肌中脂肪酸含量的高低。

3.5 和畜禽主要經(jīng)濟(jì)形狀有關(guān)的代謝分子鑒定

代謝組學(xué)所呈現(xiàn)的小分子物質(zhì)的生成和代謝情況能精準(zhǔn)、直接地表現(xiàn)出畜禽生理狀態(tài)及表型，可將其看成是表現(xiàn)出復(fù)雜表型分子的方法。對(duì)于表型數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，能更快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝分子標(biāo)準(zhǔn)化、大批量的分子檢測(cè)分析，故而通過(guò)檢測(cè)能獲得精準(zhǔn)度更高的數(shù)據(jù)信息。篩選和重要經(jīng)濟(jì)形狀或疾病有關(guān)的代謝分析，是目前國(guó)內(nèi)外代謝組學(xué)研究領(lǐng)域中的重點(diǎn)。

在人類代謝組學(xué)研究過(guò)程中，采用對(duì)比參照和處理不同組織質(zhì)檢的代謝組學(xué)區(qū)別，能成功篩選出表征疾病相對(duì)應(yīng)的生物標(biāo)記，也可通過(guò)整合分析代謝組學(xué)和他類組學(xué)的過(guò)程，成功篩選出對(duì)復(fù)雜疾病發(fā)生、發(fā)展過(guò)程形成影響的關(guān)鍵性代謝分析。

在畜禽群體中，目前主要通過(guò)研讀代謝分子和主要經(jīng)濟(jì)性狀二者的關(guān)聯(lián)性或差異性分析方法篩選出生物標(biāo)識(shí)，育種人員也希望在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用以上過(guò)程篩選所得的代謝作為生物標(biāo)記物，并將其用在標(biāo)記輔助選擇范疇中，借此方式提升選擇的精準(zhǔn)度。目前，已成功篩選出部分代謝分子用于標(biāo)記奶牛產(chǎn)奶性狀或疾病，尿碳酸酐酶-IV 可以用在生豬腎病診斷標(biāo)記領(lǐng)域中，雞腹水綜合征可以采用甘油磷脂等進(jìn)行標(biāo)記。隨著畜禽基因組數(shù)據(jù)信息的累積，越來(lái)越多的學(xué)者投身到代謝組學(xué)與基因組、轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)研究領(lǐng)域中，并且試圖建設(shè)了相應(yīng)的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而精準(zhǔn)的篩選出有關(guān)的生物標(biāo)記，更深刻的闡明有關(guān)性狀的遺傳機(jī)制。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，代謝組學(xué)在疾病預(yù)測(cè)、遺傳學(xué)及藥物設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用，并且還創(chuàng)造性的發(fā)明了畜禽育種技術(shù)，如在特定生理狀態(tài)標(biāo)記代謝分子的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)篩選、培育畜禽，或利用代謝組學(xué)信息探析畜禽機(jī)體潛在的遺傳差異。在代謝組學(xué)持續(xù)發(fā)展階段，該項(xiàng)技術(shù)在畜禽育種領(lǐng)域中的應(yīng)用范疇將不斷拓展，為研究分析復(fù)雜度更高的遺傳學(xué)機(jī)制問(wèn)題提供可靠基礎(chǔ)。