代謝組學(xué)在家養(yǎng)動物遺傳育種中的應(yīng)用研究

王趁芳

摘要：對家養(yǎng)動物遺傳育種中的代謝組學(xué)進(jìn)行分析，為通過代謝組學(xué)進(jìn)行動物經(jīng)濟(jì)性狀遺傳基礎(chǔ)的研究提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：家養(yǎng)動物;遺傳育種;代謝組學(xué)

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

代謝組學(xué)指的是利用分析化學(xué)技術(shù)實(shí)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(xué)、畜牧學(xué)、營養(yǎng)學(xué)等研究中使用。在生理遺傳學(xué)、基因組學(xué)等研究不斷深入的過程中，大量研究者開始通過代謝組學(xué)技術(shù)與方法進(jìn)行動物遺傳育種的研究。

代謝組為轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、基因組總體表達(dá)結(jié)果，能夠?qū)⒔M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(fù)雜系統(tǒng)中具有重要意義。主要特點(diǎn)就是高通量試驗(yàn)與大規(guī)模計(jì)算，基于系統(tǒng)生物學(xué)角度對機(jī)體代謝變化進(jìn)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(dǎo)致變異。簡單來說，基因組學(xué)變異要利用相應(yīng)代謝分子轉(zhuǎn)化到表型中傳遞。主要是因?yàn)榭蒲腥藛T在使遺傳變異與表型關(guān)聯(lián)的時候，遺漏了部分變異位點(diǎn)，通過代謝組學(xué)數(shù)據(jù)篩查遺漏位點(diǎn)。在代謝組學(xué)發(fā)展中，與其他組學(xué)數(shù)據(jù)整合研究能夠?qū)游锷顒訌?fù)雜調(diào)控機(jī)制進(jìn)行解析。

1 ?代謝組學(xué)在動物營養(yǎng)研究中的使用

在20世紀(jì)90年代中期，代謝組學(xué)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境衛(wèi)生、藥物研發(fā)、分子生理病理學(xué)等方面。但是，代謝組學(xué)技術(shù)在動物營養(yǎng)領(lǐng)域的使用才剛開始。在營養(yǎng)與攝食干預(yù)不同時，主要研究目標(biāo)為動物機(jī)體中的小分子量代謝產(chǎn)物的改變，使?fàn)I養(yǎng)素對動物營養(yǎng)的生理機(jī)能、添加水平等認(rèn)知得到加強(qiáng)。

代謝組學(xué)技術(shù)還能夠應(yīng)用到營養(yǎng)過剩、穩(wěn)態(tài)控制等方面，營養(yǎng)失衡會導(dǎo)致體內(nèi)正常代謝的平衡失調(diào)，通過單一代謝生物標(biāo)志物無法展現(xiàn)此過程，但是代謝物組學(xué)技術(shù)能對系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而將此過程科學(xué)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(xué)方法對氨基酸代謝物定量監(jiān)測。Noguchi[1]分析代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用到氨基酸攝入的安全范圍，利用相關(guān)性分析的方法能夠分析某代謝產(chǎn)物與攝入的蛋白質(zhì)、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?qū)⑻囟ㄉ頎顟B(tài)充分展現(xiàn)出來，充分展現(xiàn)代謝的關(guān)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(zhuǎn)化為丁氨酸、丙氨酸與硫醚。所以，高半胱氨酸能夠?qū)Φ鞍彼岬倪^量進(jìn)行監(jiān)測。

王雪梅[2]利用定量脂質(zhì)體代謝輪廊技術(shù)研究脂質(zhì)代謝輪廊，充分考察脂質(zhì)代謝的影響。研究結(jié)果顯示，與對照組對比，無法將血漿卵磷脂濃度恢復(fù)。膽堿的補(bǔ)充能夠使正常的血漿甘油三酸酯濃度水平恢復(fù)，但是并沒有恢復(fù)到對照組水平。表示膽堿的補(bǔ)充能夠?qū)EMT部分功能代替，但PEMR功能也并不是合成卵磷脂的補(bǔ)充途徑。脂質(zhì)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?、組織中，與多種病理過程具有密切關(guān)系。

2 ?代謝組學(xué)在動物遺傳育種中的使用

2.1 ?家養(yǎng)動物的體液關(guān)鍵代謝分子

研究家養(yǎng)動物代謝組學(xué)是通過質(zhì)譜技術(shù)與核磁技術(shù)對血清、血漿、尿液、乳汁、肌肉等樣品代謝分析進(jìn)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(xué)技術(shù)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(jì)

機(jī)體中代謝水平會發(fā)生改變，會受到生活習(xí)慣、環(huán)境的影響。所以每個生物樣品代謝組學(xué)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(dá)量作為中間性狀進(jìn)行遺傳學(xué)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(jì)代謝分子表達(dá)水平的遺傳參數(shù)。

周光瑞等[4]對比利時藍(lán)牛、瑞士褐牛、澤西牛、諾曼地牛等大量牛乳樣品進(jìn)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(guān)位-0.06～0.084。另外，還有相關(guān)學(xué)者實(shí)現(xiàn)了初次泌乳奶牛血清代謝分子進(jìn)行遺傳參數(shù)估計(jì)，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(gòu)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(biāo)遺傳參數(shù)進(jìn)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(guān)聯(lián)分析

在實(shí)現(xiàn)基因組學(xué)研究技術(shù)全基因組SNP標(biāo)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(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，為代謝組學(xué)和基因組學(xué)耦合的重點(diǎn)。人類代謝組學(xué)mGWAS研究結(jié)果豐富，并且已經(jīng)篩選多個代謝分析表達(dá)顯著遺傳基因與標(biāo)記，進(jìn)一步分析表示此代謝分子為人類疾病生物標(biāo)記。家養(yǎng)動物mGWAS報(bào)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(guān)聯(lián)對肉質(zhì)、乳質(zhì)遺傳標(biāo)記進(jìn)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(guān)系。在動物群體中進(jìn)行mGWAS樣本量規(guī)模要小于人類研究群體規(guī)模，主要是因?yàn)樵陲曫B(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(xué)過程中，對動物組織、血清與乳汁等研究材料進(jìn)行檢測，篩選代謝分子作為區(qū)分品種的生物標(biāo)記物。錢萬芬等[5]利用代謝組學(xué)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(zhì)、胰高血糖素、胰島素、糖蛋白、不飽和脂質(zhì)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(zhì)譜技術(shù)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(dá)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(jìn)行區(qū)分;部分學(xué)者通過NMR技術(shù)對純種安格斯牛、海福特牛與雜交牛的血漿代謝圖譜進(jìn)行檢測，表示肉堿、肌酸、馬尿酸等代謝分子表達(dá)在兩個品種之間具有明顯的差別。胡孟等[8]通過H-NMP技術(shù)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(dá)具有明顯差異。

3 ?小結(jié)

代謝組學(xué)目前已經(jīng)在疾病預(yù)測、功能基因組學(xué)、遺傳學(xué)、藥物設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中使用，還創(chuàng)新了動物育種技術(shù)。比如通過指定生理狀態(tài)標(biāo)記代謝分子選育動物，或者通過代謝組學(xué)信息對動物潛在遺傳差異分析。在代謝組學(xué)不斷發(fā)展的過程中，此技術(shù)在家養(yǎng)動物選育方面廣泛使用，對闡述復(fù)雜生物學(xué)機(jī)制問題是非常有利的。

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