代謝組學(xué)分析技術(shù)在動物營養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

王永強(qiáng)，謝紅兵，賀永惠，劉長忠*，張文舉

（1.河南科技學(xué)院動物科技學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003；2.石河子大學(xué)動物科技學(xué)院，新疆石河子 832000）

畜牧業(yè)的快速發(fā)展使中國的飼料資源匱乏、抗生素濫用、飼料安全受到威脅等問題逐步顯現(xiàn)，這對動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)的研究和發(fā)展提出了新要求，因此開發(fā)新型綠色飼料成為未來飼料工業(yè)發(fā)展的必然。然而，飼料營養(yǎng)組成的復(fù)雜性使新型飼料對動物整體的影響及作用機(jī)理研究成為限制動物營養(yǎng)與飼料研究發(fā)展的瓶頸。代謝組學(xué)作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要分支和后基因組時代的產(chǎn)物，其研究對象是生物機(jī)體內(nèi)基因表達(dá)的終端產(chǎn)物，可更直接、靈敏和準(zhǔn)確地反映生物體的整體變化狀況和生理特點(diǎn)，進(jìn)而使復(fù)雜生物體或生物過程的深入研究成為可能，因而代謝組學(xué)越來越受到科學(xué)界的推崇[1]。目前代謝組學(xué)已應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)以及營養(yǎng)學(xué)等多個領(lǐng)域，同時也演變出了醫(yī)學(xué)代謝組學(xué)、微生物代謝組學(xué)、營養(yǎng)代謝組學(xué)等新型分支學(xué)科[2-3]，但目前將代謝組學(xué)分析技術(shù)運(yùn)用于動物營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的研究較為欠缺，尚處于起步階段。因此，本文就目前代謝組學(xué)分析技術(shù)在動物營養(yǎng)學(xué)中的研究與應(yīng)用進(jìn)行綜述，為其在該領(lǐng)域的深入研究提供參考。

1 代謝組學(xué)概述

代謝組學(xué)（Metabonomics/Metabolomics）是Nicholson在Oliver 的代謝組概念基礎(chǔ)上提出的研究生物體被擾動后其代謝產(chǎn)物的種類、數(shù)量及其變化規(guī)律的科學(xué)[4-5]，它通過研究復(fù)雜的生物整體（器官、組織或細(xì)胞）的內(nèi)源性或外源性小分子代謝產(chǎn)物（分子質(zhì)量＜1 000）的代謝表達(dá)譜、代謝途徑及其所受內(nèi)在和外在因素的影響和隨時間變化的規(guī)律，從而更深層次地揭示生物體的代謝特征[6]。作為一種高通量、高靈敏度、高精確度的分析技術(shù)，代謝組學(xué)的研究平臺和研究策略也根據(jù)研究對象和目標(biāo)不斷地完善檢測方法和統(tǒng)計(jì)方法，目前運(yùn)用于動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)領(lǐng)域所涉及的代謝組學(xué)方法主要建立在微生物代謝組學(xué)和營養(yǎng)代謝組學(xué)的基礎(chǔ)上。代謝組學(xué)的研究平臺目前主要包括核磁共振技術(shù)（NMR）、氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）、液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（LCMS）和毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜（CE-MS）[7-9]。利用各分析技術(shù)平臺進(jìn)行代謝組學(xué)研究各有其優(yōu)劣，詳見表1。

2 代謝組學(xué)在動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)中的應(yīng)用研究

從系統(tǒng)全局來研究動物營養(yǎng)將成為對傳統(tǒng)動物營養(yǎng)學(xué)理論和技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)根本性戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變的發(fā)展趨勢，而代謝組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用將是推動系統(tǒng)動物營養(yǎng)學(xué)發(fā)展的最強(qiáng)力工具或助推器[13]。

2.1 飼料營養(yǎng)物質(zhì)代謝及調(diào)控機(jī)理的研究 代謝組學(xué)對成分復(fù)雜的飼料樣本的研究優(yōu)勢在于其將傳統(tǒng)的營養(yǎng)代謝研究發(fā)展為營養(yǎng)代謝途徑、動態(tài)代謝過程以及代謝網(wǎng)絡(luò)的研究，可全面、快速和準(zhǔn)確地反映飼料被動物消化后的所有小分子代謝物的變化過程，并可定性定量這些物質(zhì)在動物體內(nèi)的動力學(xué)變化，從而揭示其調(diào)控作用機(jī)理和營養(yǎng)代謝機(jī)制[14]。用代謝組學(xué)的方法構(gòu)建評估模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生物法，可實(shí)現(xiàn)大量重復(fù)數(shù)據(jù)的采集與分析，這將為新型飼料在精細(xì)養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持[15]。動物飼料及飼養(yǎng)環(huán)境條件變化、營養(yǎng)供給種類及供給量、動物飼養(yǎng)管理等因素所引起的動物體內(nèi)的代謝變化，都可以用代謝組學(xué)方法來進(jìn)行系統(tǒng)的代謝物差異對比及代謝機(jī)理分析；此外，代謝組學(xué)方法也可用于考察營養(yǎng)的適宜供給量，揭示營養(yǎng)物質(zhì)的代謝機(jī)理，對營養(yǎng)素缺乏或過剩造成的危害也可根據(jù)機(jī)體代謝產(chǎn)物的種類、功能和作用途徑等進(jìn)行相關(guān)的機(jī)理分析。He 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，利用代謝組學(xué)技術(shù)有助于解析氨基酸和代謝之間的復(fù)雜關(guān)系，從而確定飲食中氨基酸在維持健康和減少疾病中的作用；Toue 等[17]利用代謝組學(xué)技術(shù)研究了可以反映大鼠蛋氨酸過量的生物代謝標(biāo)識物，并發(fā)現(xiàn)高半胱氨酸是判斷大鼠蛋氨酸是否過量的良好指標(biāo)之一；Matsuzaki 等[18]利用GC-MS 平臺結(jié)合基因芯片技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)過量亮氨酸會導(dǎo)致機(jī)體氮代謝加強(qiáng)，并且發(fā)現(xiàn)尿中出現(xiàn)α-酮異己酸可作為機(jī)體亮氨酸最高上限的特征性標(biāo)記物。以上研究均為代謝組學(xué)在飼料營養(yǎng)物質(zhì)代謝及營養(yǎng)調(diào)控機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)。

表1 代謝組學(xué)主要研究技術(shù)平臺的優(yōu)缺點(diǎn)[10-12]

2.2 飼料或添加劑的營養(yǎng)學(xué)評價(jià) 利用代謝組學(xué)方法可對飼料或添加劑所含有的代謝產(chǎn)物及其對動物消化代謝的影響等進(jìn)行系統(tǒng)評估，這對準(zhǔn)確評價(jià)飼料及添加劑的優(yōu)劣、分析其有益活性成分及評估其飼喂效果等具有重要的意義。聶存喜等[19]利用LC-MS 代謝組學(xué)平臺對不同酵母菌發(fā)酵棉粕的代謝產(chǎn)物進(jìn)行了代謝組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)蛋白飼料經(jīng)過不同酵母發(fā)酵后其營養(yǎng)特性顯著改善，酵母發(fā)酵棉粕中的活性物質(zhì)較對照組顯著增加，尤其是小肽、氨基酸等多種有益代謝產(chǎn)物；Sun 等[20]應(yīng)用基于GC-TOF/MS 的代謝組學(xué)方法評估了飼喂玉米秸與苜蓿日糧對泌乳奶牛泌乳性能和瘤胃代謝的影響，發(fā)現(xiàn)飼喂不同日糧的奶牛的泌乳性能的高低與其瘤胃中氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的代謝通路變化緊密相關(guān)，這對飼料飼養(yǎng)效果的評估和科學(xué)利用有重要的參考價(jià)值；Cheng 等[21]采用基于1H-NMR 的代謝組學(xué)方法研究了飼料中添加本地魚粉、酵母粉、貽貝粉等蛋白飼料替代大西洋魚粉飼喂10 個月后對魚類血漿、肝臟和肌肉等代謝譜的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組魚類血漿或組織中甜菜堿含量較高，三甲胺-n -氧化物和芳香氨基酸含量較低，這對降低飼料成本、改善飼料性能有指導(dǎo)性意義。

2.3 飼料質(zhì)量及安全的檢測與控制 代謝組學(xué)在化學(xué)及毒理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展對飼料品質(zhì)檢測和控制具有重要的指導(dǎo)意義[22]。實(shí)踐證明，在飼料質(zhì)量及安全檢測與控制中，代謝組學(xué)技術(shù)可發(fā)揮其重要的輔助檢測和準(zhǔn)確定位的作用，可全面而準(zhǔn)確地確定飼料中有害因子的生物標(biāo)志物和特異性代謝譜，從而建立生物標(biāo)志物與有害因子之間的量效關(guān)系并建立檢測標(biāo)準(zhǔn)，隨著各種有害因子標(biāo)志性代謝物特征庫的建立和建全，代謝組學(xué)在飼料品質(zhì)檢測和安全控制中的應(yīng)用必將更加便利、快捷和準(zhǔn)確，這對未來飼料的品控及安全檢測意義重大。目前，我國政府也針對于此制訂了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[23]，但還不夠完善。竇春艷等[24]利用代謝組學(xué)方法找到三聚氰胺污染飼料致大鼠腎毒性尿液中的17 種差異代謝物以及腎臟組織中的11 種物質(zhì)為可能特征代謝物；嚴(yán)濤等[25]對灌服玉米赤霉烯酮后的大鼠進(jìn)行了尿液和血液代謝組學(xué)研究，結(jié)果證明玉米赤霉烯酮可影響大鼠的糖酵解、蛋白質(zhì)的生物合成和腸道菌群代謝等，引起機(jī)體的氧化應(yīng)激；De Pascali 等[26]利用代謝組學(xué)對喂給仔豬5 種霉菌毒素的藥物混合物后對仔豬尿液中的代謝物進(jìn)行了差異代謝物分析和準(zhǔn)確評價(jià)；吳玉蘋[27]利用非靶向代謝組學(xué)技術(shù)研究了飼喂含有β2-受體激動劑（克倫特羅、沙丁胺醇、萊克多巴胺等）的飼料的豬只尿液中的殘留，并篩選出了2 種潛在生物標(biāo)志物，即2-吲哚甲酸和氟米龍醋酸酯，這對動物飼料中瘦肉精等違禁藥物的檢測有重要的指導(dǎo)意義。另外，目前我國的飼料摻假現(xiàn)象仍然存在且摻假技術(shù)水平也越來越高，如何能準(zhǔn)確高效地進(jìn)行飼料摻假及其品質(zhì)鑒定就成為飼料質(zhì)量評定一大難題?，F(xiàn)已有代謝組學(xué)技術(shù)在摻假食品的評估鑒定中的應(yīng)用相關(guān)報(bào)道，如Cosima[28]建立了用MALDI-TOF 質(zhì)譜檢測的方法并可有效地檢測羊奶和山羊奶摻假，這對于應(yīng)用代謝組學(xué)檢測摻假飼料等實(shí)踐操作具有重要的指導(dǎo)意義。

2.4 動物營養(yǎng)狀態(tài)的評價(jià)與監(jiān)控、營養(yǎng)代謝病的診斷和發(fā)病規(guī)律研究 動物的營養(yǎng)失衡（營養(yǎng)的缺乏和過剩）對代謝平衡的干擾均會影響動物的健康狀態(tài)[29]。營養(yǎng)失衡將導(dǎo)致體內(nèi)正常的代謝平衡失調(diào)，若長時間處于營養(yǎng)失衡狀態(tài)，則動物可能出現(xiàn)營養(yǎng)代謝病，表現(xiàn)為營養(yǎng)性疾病和代謝障礙性疾病，包括糖、脂肪和蛋白質(zhì)代謝紊亂，礦物質(zhì)和水代謝紊亂，維生素和微量元素缺乏與過多癥等幾個部分等[30]。應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對動物營養(yǎng)狀態(tài)的系統(tǒng)全面和動態(tài)的分析，并對此過程進(jìn)行科學(xué)描述、評價(jià)和監(jiān)控，以便及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)測動物的營養(yǎng)代謝病的隱患，并盡早地解決此類疾病對動物生產(chǎn)的影響，最大程度地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。對患有營養(yǎng)代謝病的動物可利用代謝組學(xué)技術(shù)進(jìn)行特異性標(biāo)志代謝物的篩查，并對其發(fā)病規(guī)律進(jìn)行深入研究。Noguchi 等[31-32]利用代謝組學(xué)技術(shù)研究代謝產(chǎn)物與攝入過量的蛋白質(zhì)和氨基酸的相關(guān)性，確定了氨基酸的安全攝入范圍，該方法對尋找氨基酸過量攝入而發(fā)生代謝響應(yīng)的特征代謝物具有重要意義，其在后續(xù)研究中又發(fā)現(xiàn)氨基酸代謝譜有助于揭示動物的特定生理狀態(tài)；施壽榮[33]利用代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)用技術(shù)發(fā)現(xiàn)脂類物質(zhì)代謝在腹水綜合征肉雞上發(fā)生了異常，二羥基丙酮可能是低溫誘導(dǎo)腹水綜合征肉雞的潛在代謝標(biāo)志物，而甘油磷脂類物質(zhì)氧化生產(chǎn)溶血甘油磷脂類物質(zhì)是早期腹水綜合征肉雞發(fā)病的重要機(jī)制；Hailemariam 等[34]利用基于LC-MS 平臺的代謝組學(xué)技術(shù)分析了圍產(chǎn)前期和圍產(chǎn)后期的奶牛的營養(yǎng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)肉毒堿、丙酰肉毒堿等3 個特異性生物標(biāo)志物可能與奶牛圍產(chǎn)期疾病緊密相關(guān)；李民等[35]以LC-MS為技術(shù)平臺對營養(yǎng)不良的大鼠血漿代謝物進(jìn)行了代謝組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)不良組大鼠血漿中的肉毒堿和色氨酸含量較對照組增加，而亞麻酸、二十二碳六烯酸、花生四烯酸、甜菜堿和棕櫚酰肉堿等含量均降低，這些小分子物質(zhì)與大鼠營養(yǎng)不良緊密相關(guān)。以上研究表明，代謝組學(xué)可作為動物營養(yǎng)不良指標(biāo)和營養(yǎng)代謝病的特異性標(biāo)志代謝物等的有效篩選方法，這也使對動物的營養(yǎng)狀況監(jiān)控和代謝病發(fā)生規(guī)律的研究成為可能。

3 展 望

目前，對動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)的研究已不僅僅是關(guān)注飼喂效果，而更多將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至飼料營養(yǎng)物質(zhì)代謝規(guī)律與作用機(jī)理的探討上，并向著預(yù)測營養(yǎng)過程、控制營養(yǎng)過程、降低營養(yǎng)損耗及排除營養(yǎng)代謝疾病的方向發(fā)展。代謝組學(xué)的發(fā)展方向是集成系統(tǒng)生物學(xué)，即多系統(tǒng)集成，包括多組學(xué)集成聯(lián)合應(yīng)用研究和多平臺集成聯(lián)合應(yīng)用研究，在未來的研究中需要注意以下問題。

3.1 完善研究策略

3.1.1 多組學(xué)集成聯(lián)合應(yīng)用研究 對于復(fù)雜的動物飼料生物樣本進(jìn)行多組學(xué)聯(lián)合應(yīng)用，即在代謝組學(xué)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合蛋白組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)或基因組學(xué)等技術(shù)對生物系統(tǒng)進(jìn)行深入的系統(tǒng)分析[36-37]，可以更系統(tǒng)、更精確、更透徹地對生物代謝物變化的影響機(jī)制進(jìn)行深入的生物數(shù)據(jù)挖掘和代謝調(diào)控機(jī)理的探討，這也是系統(tǒng)生物學(xué)未來發(fā)展的必然趨勢。

3.1.2 多平臺集成聯(lián)合應(yīng)用研究 進(jìn)行代謝組學(xué)研究的不同技術(shù)平臺現(xiàn)仍存在著各自的檢測局限性，為相互取長補(bǔ)短，多檢測平臺聯(lián)合應(yīng)用是一種最有效的方式。如可將NMR 平臺檢測結(jié)合GC-MS 或LC-MS 進(jìn)行動物采食飼料后的血漿代謝組學(xué)檢測，或?qū)颖就ㄟ^GC-MS與LC-MS 平臺聯(lián)合檢測，在多平臺聯(lián)合檢測的基礎(chǔ)上，將多種軟件集成應(yīng)用于代謝數(shù)據(jù)的分析和數(shù)據(jù)挖掘，這不僅提高了代謝物檢測范圍、檢測精度，同時還大大縮短了檢測時間，提高了檢測效率[38-39]。

3.2 建立和完善營養(yǎng)與飼料代謝組學(xué)的研究機(jī)制，促進(jìn)其在飼料工業(yè)中的應(yīng)用 限于成本，目前代謝組學(xué)技術(shù)主要應(yīng)用于疾病診斷領(lǐng)域、藥物開發(fā)領(lǐng)域、食品工業(yè)領(lǐng)域等，但在動物營養(yǎng)與飼料領(lǐng)域的研究較少。動物的營養(yǎng)與飼料品質(zhì)的優(yōu)劣將直接對動物產(chǎn)生影響并間接影響人類的健康，因此未來的研究必將關(guān)注動物福利、動物安全、動物性食品的營養(yǎng)及品質(zhì)等，加強(qiáng)動物的營養(yǎng)與飼料的研究，建立和完善動物營養(yǎng)與飼料代謝組學(xué)的研究機(jī)制和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)就成為未來動物營養(yǎng)與飼料科學(xué)領(lǐng)域研究的重中之重，并且隨著研究的深入開展和平臺技術(shù)的不斷成熟，代謝組學(xué)的檢測費(fèi)用亦會有相應(yīng)降低，因此，其應(yīng)用將越來越普遍。

3.3 代謝組檢測數(shù)據(jù)的分析方法將不斷完善 組學(xué)時代的來臨預(yù)示著大數(shù)據(jù)運(yùn)算分析和進(jìn)行科學(xué)的生物學(xué)解釋已經(jīng)成為未來科學(xué)研究發(fā)展的瓶頸之一，如何從大量數(shù)據(jù)中找出最有價(jià)值的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析、定性、定量和驗(yàn)證將成為新型組學(xué)研究發(fā)展的難點(diǎn)[40]，針對動物的營養(yǎng)與飼料代謝組學(xué)應(yīng)盡快建立和完善其數(shù)據(jù)分析和解釋的科學(xué)方法，這也將是未來飼料代謝組學(xué)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

3.4 建立和完善營養(yǎng)代謝物數(shù)據(jù)庫 未來生物科學(xué)研究和發(fā)展的另一瓶頸就是建立全面、無偏向選擇的、功能完善的全代謝物數(shù)據(jù)庫，代謝組學(xué)正是對這些代謝物進(jìn)行檢測和評定的有效手段。隨著檢測方法標(biāo)準(zhǔn)的建立，動物營養(yǎng)與飼料代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫也將逐步建立并不斷充實(shí)完善，更多更新的生物標(biāo)記物以及新的代謝途徑和代謝網(wǎng)絡(luò)等將被揭曉，飲食與代謝譜以及不同代謝譜與健康和疾病間的關(guān)系也將逐步確立和公布；對動物飼料等進(jìn)行營養(yǎng)價(jià)值評定和質(zhì)量優(yōu)劣的評價(jià)也將更準(zhǔn)確可靠。利用代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫及相關(guān)資源，可以評估動物個體的營養(yǎng)健康狀況并預(yù)測其生長發(fā)育趨勢，并通過飲食、藥物干預(yù)或改變生活習(xí)慣等對個體的營養(yǎng)代謝進(jìn)行調(diào)整，從而促進(jìn)動物的生長發(fā)育，并減少營養(yǎng)性疾病的發(fā)生。