張燕偉,蔡春波,孫 迪,安家岐,黃曉宇,牛 瑾,崔子旭,高鵬飛,郭曉紅,李步高,曹果清
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院,太谷 030801)
骨骼肌是哺乳動(dòng)物機(jī)體的重要組成部分,參與動(dòng)物生理及代謝活動(dòng),約占機(jī)體總干重的45%[1]。骨骼肌的基本組成單位是肌纖維,多根肌纖維聚合形成由肌膜包裹的肌纖維束,多條肌纖維束構(gòu)成骨骼肌[2]。骨骼肌肌纖維的直徑、密度和橫截面積與肌肉嫩度具有顯著的相關(guān)性,可影響肉品質(zhì)。骨骼肌肌纖維直徑和橫截面積越小,密度越大,肌肉的嫩度越好,肉質(zhì)品質(zhì)更高[3-4]。根據(jù)收縮速度與能量代謝的差異,骨骼肌肌纖維可以分為4種類型:慢速收縮氧化型(Ⅰ型)、快速收縮氧化型(Ⅱa型)、快速收縮酵解型(Ⅱb型)和中間型(Ⅱx型)[5-6],對(duì)應(yīng)的標(biāo)記基因分別為肌球蛋白重鏈7(myosin heavy chain 7,MYH7)、MYH2、MYH4和MYH1[7],4種類型肌纖維的形態(tài)和能量代謝方式具有較大的差異。Ⅰ型肌纖維直徑和橫截面積小,糖酵解代謝活性低,氧化磷酸化代謝活性高;Ⅱa型肌纖維直徑和橫截面積較小,糖酵解代謝活性較低,氧化磷酸化代謝活性較高;Ⅱb型肌纖維直徑和橫截面積大,糖酵解代謝活性高,氧化磷酸化代謝活性低;Ⅱx型肌纖維屬于Ⅱa型和Ⅱb型肌纖維的過(guò)渡形態(tài),糖酵解和氧化磷酸化活性處于兩者之間[8-9]。
影響哺乳動(dòng)物骨骼肌肌纖維組成的因素很多,包括年齡、品種、肌肉部位、飼養(yǎng)水平及飼養(yǎng)環(huán)境等[10]。豬骨骼肌肌纖維數(shù)目在胚胎期90 d已經(jīng)確定,出生后數(shù)量不會(huì)改變,但是會(huì)增粗和變長(zhǎng)[11]。仔豬骨骼肌中主要以氧化型肌纖維為主,隨著年齡增長(zhǎng),氧化型肌纖維向酵解型肌纖維轉(zhuǎn)化[12]。與國(guó)外豬種相比,中國(guó)地方豬骨骼肌中Ⅰ型肌纖維較多,Ⅱb型肌纖維較少[13]。豬不同部位骨骼肌的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不同,肌纖維的組成也具有較大差異。豬背最長(zhǎng)肌可以使脊柱保持直立,運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較??;而趾長(zhǎng)伸肌位于小腿前側(cè),參與豬后腿直立和行走等功能,運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較大。楊秋梅[14]報(bào)道,6月齡大白豬背最長(zhǎng)肌中慢肌含量為13.5%,快肌為86.5%;趾長(zhǎng)伸肌中慢肌含量為8%,快肌為92%,運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較高的趾長(zhǎng)伸肌的快肌含量高于背最長(zhǎng)肌。
馬身豬是山西省地方豬種,具有肌內(nèi)脂肪含量高、肉質(zhì)品質(zhì)好、耐粗飼、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)良的種質(zhì)特性,但其生長(zhǎng)速度慢、飼料報(bào)酬低、瘦肉率低、皮下脂肪含量高,嚴(yán)重限制其商業(yè)化推廣與應(yīng)用[15-16]。晉汾白豬是以馬身豬、二花臉、大白豬和長(zhǎng)白豬為親本,經(jīng)雜交選育而成的新品種,通過(guò)國(guó)家畜禽遺傳資源委員會(huì)審定,融合了中國(guó)地方豬種和國(guó)外商品豬種的優(yōu)良特性,具有生長(zhǎng)速度快、瘦肉率高和肉質(zhì)品質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn),是一個(gè)優(yōu)良的華系培育品種[17]。本研究以馬身豬、晉汾白豬和杜長(zhǎng)大豬為研究對(duì)象,采集背最長(zhǎng)肌與趾長(zhǎng)伸肌,分別檢測(cè)4種肌纖維類型的標(biāo)記基因(MYH7、MYH2、MYH4、MYH1)、線粒體活性相關(guān)基因(ATP5A1、PGC1-α、PPARβ)、電子傳遞鏈相關(guān)基因(UQCRC2、SDHA、NDUFA9)及糖酵解相關(guān)基因(LDHA、LDHB、GK)的表達(dá)量,探究3個(gè)豬種骨骼肌差異性的分子機(jī)制,以期為豬肉品質(zhì)的研究提供參考數(shù)據(jù)。
1.1.1 樣品采集 選取28 d斷奶杜長(zhǎng)大豬(簡(jiǎn)稱DLY)、晉汾白豬(簡(jiǎn)稱JFW)、馬身豬(簡(jiǎn)稱MS)去勢(shì)公豬各4頭,相同條件下飼養(yǎng),自由采食。6月齡時(shí)屠宰,采集背最長(zhǎng)?。ê?jiǎn)稱LD)和趾長(zhǎng)伸肌(簡(jiǎn)稱EDL),一部分修成1 cm×1 cm×0.5 cm的組織塊,置于4%多聚甲醛固定液中,用于后續(xù)制作石蠟組織切片;另一部分組織-80 ℃保存,用于提取總RNA。
1.1.2 主要試劑及儀器 4%多聚甲醛、二甲苯、石蠟、中性樹膠、HE染色試劑盒均購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司;PrimeScriptTMRT Reagent Kit、SYBR Premix ExTaqTMⅡ均購(gòu)自TaKaRa公司;RNA提取試劑盒購(gòu)自Promega公司。
M60切片機(jī)、HI1220烘片機(jī)、HI1210攤片機(jī)、EG1150H智能生物包埋機(jī)(Leica Biosystems公司);CFX Connect熒光定量PCR儀(Applied Biosystems公司);Centrifuge 5415R高速冷凍離心機(jī)(Eppendorf公司)。
1.2.1 制作石蠟切片 骨骼肌樣品經(jīng)4%多聚甲醛固定24 h后流水沖洗過(guò)夜;使用70%乙醇2 h、80%乙醇2 h、90%乙醇2 h、100%乙醇1 h梯度脫水,脫水完成后,使用二甲苯對(duì)蠟塊進(jìn)行透明處理1 h;將組織塊浸入60 ℃蠟罐中3 h,浸蠟完成后進(jìn)行包埋;借助專用切片機(jī)將其制成5 μm厚度的切片,置于載玻片上47 ℃攤片,貼片后45 ℃烤箱烘片7 h,備用。
1.2.2 HE染色 將烘干的切片置于二甲苯中脫蠟,并在梯度酒精中進(jìn)行逐級(jí)復(fù)水處理;使用蘇木精染液對(duì)細(xì)胞核著色2.5 min,蒸餾水洗1 min返藍(lán)后,將切片放入1%鹽酸酒精溶液中分化10 s,水洗2 min;用伊紅染液對(duì)細(xì)胞質(zhì)著色2.5 min,蒸餾水洗1 min;著色結(jié)束后使用梯度酒精逐級(jí)脫水,二甲苯透明,用中性樹膠封片。每張切片隨機(jī)選擇10個(gè)視野拍攝取圖,保證每個(gè)視野內(nèi)至少包含100根肌纖維。用Image-Pro Plus 6.0軟件進(jìn)行肌纖維直徑、密度、橫截面積的測(cè)量。
1.2.3 RNA提取和cDNA合成 使用RNA提取試劑盒提取組織RNA。加入適量無(wú)菌水溶解RNA,用核酸蛋白檢測(cè)儀測(cè)定RNA濃度。參照反轉(zhuǎn)錄試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行cDNA合成:去除基因組DNA,分別加入gDNA Eraser 1 μL,5×gDNA Eraser Buffer 2 μL,總RNA 500 ng,加RNase-free ddH2O補(bǔ)齊至10 μL,混勻后42 ℃ 2 min;加PrimeScriptTMRT Enzyme Mix 1 μL,RT Primer Mix 1 μL,RNase-free ddH2O 4 μL,5×PrimerScrept Buffer 2 4 μL,總體系20 μL,混勻后37 ℃ 15 min,85 ℃ 15 s,4 ℃保存。
1.2.4 實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè) 采用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)特異性引物,以18S rRNA作為內(nèi)參基因,引物序列見(jiàn)表1。引物均由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
PCR反應(yīng)體系20 μL:SYBR Premix ExTaqTMⅡ 10 μL,上、下游引物各0.6 μL,cDNA 1.5 μL,加無(wú)菌水補(bǔ)足體系。PCR反應(yīng)程序:95 ℃預(yù)變性3 min;95 ℃變性10 s,退火(退火溫度見(jiàn)表1) 20 s,72 ℃延伸30 s,共40個(gè)循環(huán)。采用2-ΔΔCt計(jì)算基因的相對(duì)表達(dá)量。
表1 引物序列信息Table 1 Primer sequence information
1.2.5 統(tǒng)計(jì)分析 采用SPSS 21.0軟件的單因素方差分析和獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析差異顯著性。數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示,P<0.05表示差異顯著,P<0.01表示差異極顯著。
經(jīng)過(guò)HE染色后,3個(gè)豬種的背最長(zhǎng)肌和趾長(zhǎng)伸肌肌纖維的細(xì)胞質(zhì)顯示為紅色,邊界清晰;細(xì)胞核顯示為藍(lán)色,分布在細(xì)胞邊緣(圖1)。
由圖2可知,馬身豬背最長(zhǎng)肌肌纖維直徑和橫截面積均顯著低于晉汾白豬和杜長(zhǎng)大豬(P<0.05),而肌纖維密度顯著高于晉汾白豬和杜長(zhǎng)大豬(P<0.05),晉汾白豬和杜長(zhǎng)大豬背最長(zhǎng)肌肌纖維直徑、密度和橫截面積均無(wú)顯著差異(P>0.05);馬身豬和晉汾白豬趾長(zhǎng)伸肌肌纖維直徑和橫截面積均顯著低于杜長(zhǎng)大豬(P<0.05),而肌纖維密度顯著高于杜長(zhǎng)大豬(P<0.05),馬身豬和晉汾白豬趾長(zhǎng)伸肌肌纖維直徑、密度和橫截面積均無(wú)顯著差異(P>0.05)。
肩標(biāo)不同字母表示差異顯著(P<0.05);肩標(biāo)相同字母表示差異不顯著(P>0.05)Value with different letter superscripts mean significant difference (P<0.05);While with the same or no letter superscripts mean no significant difference (P>0.05)圖2 馬身豬、晉汾白豬、杜長(zhǎng)大豬背最長(zhǎng)肌與趾長(zhǎng)伸肌肌纖維直徑(A)、密度(B)與橫截面積(C)Fig.2 Diameter (A),density (B) and cross-sectional area (C) of myofibers of longissimus dorsi muscle and extensor digitorum longus muscle in MS,JFW and DLY pigs
由表2可知,馬身豬背最長(zhǎng)肌中Ⅰ型肌纖維標(biāo)記基因MYH7的表達(dá)量顯著高于晉汾白豬和杜長(zhǎng)大豬,晉汾白豬背最長(zhǎng)肌中MYH7基因的表達(dá)量顯著低于杜長(zhǎng)大豬(P<0.05);馬身豬背最長(zhǎng)肌中Ⅱb型和Ⅱx型肌纖維的標(biāo)記基因MYH4和MYH1的表達(dá)量均顯著低于晉汾白豬和杜長(zhǎng)大豬,而Ⅱa型肌纖維的標(biāo)記基因MYH2的表達(dá)量顯著高于晉汾白豬和杜長(zhǎng)大豬(P<0.05)。馬身豬和晉汾白豬趾長(zhǎng)伸肌中MYH7基因的表達(dá)量顯著高于杜長(zhǎng)大豬,而MYH4和MYH1基因的表達(dá)量均顯著低于杜長(zhǎng)大豬(P<0.05);馬身豬趾長(zhǎng)伸肌中MYH2基因的表達(dá)量顯著高于晉汾白豬和杜長(zhǎng)大豬,晉汾白豬趾長(zhǎng)伸肌中MYH2基因的表達(dá)量顯著高于杜長(zhǎng)大豬(P<0.05)。兩種肌肉相比,背最長(zhǎng)肌中MYH2和MYH7基因的表達(dá)量顯著或極顯著高于趾長(zhǎng)伸肌,而MYH1和MYH4基因的表達(dá)量顯著或極顯著低于趾長(zhǎng)伸?。≒<0.05;P<0.01)。
由表3可知,馬身豬背最長(zhǎng)肌中ATP5A1、PGC1-α和PPARβ基因的表達(dá)量均顯著低于杜長(zhǎng)大豬,晉汾白豬背最長(zhǎng)肌中PGC1-α和PPARβ基因的表達(dá)量均顯著低于杜長(zhǎng)大豬(P<0.05);馬身豬和晉汾白豬趾長(zhǎng)伸肌中ATP5A1、PGC1-α和PPARβ基因的表達(dá)量均顯著低于杜長(zhǎng)大豬(P<0.05)。馬身豬背最長(zhǎng)肌中PGC1-α和PPARβ基因的表達(dá)量均顯著低于趾長(zhǎng)伸?。≒<0.05),ATP5A1基因的表達(dá)量在兩種肌肉中無(wú)顯著差異(P>0.05);晉汾白豬背最長(zhǎng)肌中ATP5A1和PGC1-α基因的表達(dá)量均顯著低于趾長(zhǎng)伸?。≒<0.01),PPARβ基因的表達(dá)量在兩種肌肉中無(wú)顯著差異(P>0.05);杜長(zhǎng)大豬背最長(zhǎng)肌中ATP5A1、PGC1-α和PPARβ基因的表達(dá)量均極顯著低于趾長(zhǎng)伸?。≒<0.01)。
由表4可知,晉汾白豬背最長(zhǎng)肌中UQCRC2、SDHA和NDUFA9基因的表達(dá)量均顯著低于杜長(zhǎng)大豬和馬身豬,馬身豬中NDUFA9基因的表達(dá)量顯著低于杜長(zhǎng)大豬(P<0.05);杜長(zhǎng)大豬趾長(zhǎng)伸肌中UQCRC2、SDHA和NDUFA9基因的表達(dá)量均顯著高于晉汾白豬和馬身豬(P<0.05),晉汾白豬中UQCRC2和SDHA基因的表達(dá)量均顯著高于馬身豬(P<0.05)。比較電子傳遞鏈相關(guān)基因在背最長(zhǎng)肌和趾長(zhǎng)伸肌中的表達(dá)量發(fā)現(xiàn),除杜長(zhǎng)大豬背最長(zhǎng)肌和趾長(zhǎng)伸肌中NDUFA9基因的表達(dá)量無(wú)顯著差異外(P>0.05),其余均有顯著或極顯著差異(P<0.05;P<0.01),且在背最長(zhǎng)肌中的表達(dá)量高于趾長(zhǎng)伸肌。
由表5可知,馬身豬和晉汾白豬背最長(zhǎng)肌中LDHA、LDHB和GK基因的表達(dá)量均顯著低于杜長(zhǎng)大豬,晉汾白豬背最長(zhǎng)肌中LDHA基因的表達(dá)量顯著高于馬身豬(P<0.05);馬身豬和晉汾白豬趾長(zhǎng)伸肌中LDHA、LDHB和GK基因的表達(dá)量均顯著低于杜長(zhǎng)大豬,晉汾白豬趾長(zhǎng)伸肌中LDHA基因的表達(dá)量顯著高于馬身豬(P<0.05)。3個(gè)品種趾長(zhǎng)伸肌中LDHA、LDHB和GK基因的表達(dá)量均顯著高于背最長(zhǎng)肌(P<0.05)。
剪切力與肉品質(zhì)具有顯著的相關(guān)性,也與骨骼肌肌纖維直徑、密度和橫截面積存在顯著的相關(guān)性。肌纖維直徑越小,密度越大;肌肉剪切力越小,肉品質(zhì)也更好[3]。諶啟亮等[18]測(cè)定了18、36、54、72月齡西門塔爾雜交公牛背最長(zhǎng)肌肌纖維直徑與剪切力并進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)剪切力與肌纖維直徑的相關(guān)系數(shù)為0.833。陳璐等[19]測(cè)定了6個(gè)雜交組合的背最長(zhǎng)肌肌纖維直徑、密度和剪切力,結(jié)果發(fā)現(xiàn)背最長(zhǎng)肌肌纖維直徑與密度之間呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.83,直徑與剪切力呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.966。本研究發(fā)現(xiàn),馬身豬背最長(zhǎng)肌和趾長(zhǎng)伸肌肌纖維直徑和橫截面積均顯著低于杜長(zhǎng)大豬,說(shuō)明馬身豬骨骼肌的剪切力小于杜長(zhǎng)大豬;培育品種晉汾白豬背最長(zhǎng)肌肌纖維直徑和橫截面積與杜長(zhǎng)大豬沒(méi)有明顯差異,而趾長(zhǎng)伸肌肌纖維直徑和橫截面積均小于杜長(zhǎng)大豬,說(shuō)明晉汾白豬和杜長(zhǎng)大豬不同部位骨骼肌剪切力的變化趨勢(shì)并不一致。
不同豬種骨骼肌中4種類型肌纖維的含量及其標(biāo)記基因的表達(dá)量都具有較大的差異。與國(guó)外豬種相比,中國(guó)地方豬的骨骼肌中氧化型肌纖維含量較多,酵解型肌纖維較少[20]。劉凡等[21]研究發(fā)現(xiàn),12月齡林芝藏豬背最長(zhǎng)肌中Ⅱa型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著高于大白豬,而Ⅱb型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著低于大白豬。Guo等[22]研究發(fā)現(xiàn),6月齡馬身豬背最長(zhǎng)肌中Ⅰ和Ⅱa型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著高于大白豬,而Ⅱb和Ⅱx型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著低于大白豬。Hu等[23]研究發(fā)現(xiàn),萊蕪豬背最長(zhǎng)肌Ⅱb型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著低于杜洛克豬,而Ⅱa型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著高于杜洛克豬。對(duì)于動(dòng)物個(gè)體而言,不同部位骨骼肌的肌纖維組成也不同。 楊秋梅[14]通過(guò)組織切片和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸四唑氧化還原酶染色法發(fā)現(xiàn),6月齡杜長(zhǎng)大豬的背最長(zhǎng)肌、半膜肌與半腱肌中Ⅰ型肌纖維的比例分別為10.00%、31.22%和45.44%,Ⅱa型為7.90%、15.56%和15.49%,Ⅱb型為82.03%、53.22%和39.01%,其中背最長(zhǎng)肌中Ⅱb型肌纖維的含量顯著高于半腱肌,Ⅰ、Ⅱa型肌纖維的含量均顯著低于半腱肌。本研究中,馬身豬背最長(zhǎng)肌和趾長(zhǎng)伸肌中Ⅰ與Ⅱa肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著高于杜長(zhǎng)大豬,Ⅱb型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著低于杜長(zhǎng)大豬;培育品種晉汾白豬的背最長(zhǎng)肌Ⅰ型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量低于杜長(zhǎng)大豬,Ⅱb型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量沒(méi)有明顯差異;而趾長(zhǎng)伸?、裥图±w維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著高于杜長(zhǎng)大豬,Ⅱb型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著低于杜長(zhǎng)大豬,兩個(gè)部位骨骼肌的Ⅰ和Ⅱb型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量并不一致,背最長(zhǎng)肌氧化型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量顯著高于趾長(zhǎng)伸肌,而酵解型標(biāo)志基因的表達(dá)量較低。
骨骼肌運(yùn)動(dòng)所需ATP的生成方式有2種:糖酵解和氧化磷酸化。葡萄糖通過(guò)糖酵解代謝分解為丙酮酸,同時(shí)產(chǎn)生少量的ATP。乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)可以催化丙酮酸生成乳酸,其含有2個(gè)亞基:LDHA和LDHB。丙酮酸也可以生成乙酰輔酶A,通過(guò)三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化產(chǎn)生大量的ATP。氧化磷酸化發(fā)生在線粒體中,主要包括呼吸電子傳遞鏈過(guò)程中形成的質(zhì)子電化學(xué)梯度和質(zhì)子電化學(xué)梯度驅(qū)動(dòng)ATP合酶合成的ATP。不同豬種骨骼肌中糖酵解和氧化磷酸化的活性存在較大差異。Chen等[24]研究發(fā)現(xiàn),巴馬豬背最長(zhǎng)肌中LDH活性顯著低于大白豬,而琥珀酸脫氫酶(SDH)與蘋果酸脫氫酶(MDH)活性均顯著高于大白豬。Lefaucheur等[25]研究發(fā)現(xiàn),巴斯克豬半膜肌中LDH活性顯著低于大白豬,而檸檬酸合酶(CS)和β-羥基?;o酶A脫氫酶(HAD)活性均顯著高于大白豬。本研究中,馬身豬和晉汾白豬骨骼肌中LDHA和LDHB基因的表達(dá)量均顯著低于杜長(zhǎng)大豬,而ATP5A1和SDHA基因的表達(dá)量均低于杜長(zhǎng)大豬。本研究結(jié)果與前人報(bào)道并不一致,可能原因是豬ATP5A1和SDH通過(guò)改變蛋白的含量和空間構(gòu)象來(lái)調(diào)控其生物學(xué)活性,mRNA的表達(dá)量并不能真實(shí)反映ATP5A1和SDH酶的活性。Huber等[26]研究發(fā)現(xiàn),豬背最長(zhǎng)肌中LDH的活性顯著高于膈肌,而異檸檬酸脫氫酶(ICDH)活性顯著低于膈肌。本研究發(fā)現(xiàn),趾長(zhǎng)伸肌中LDHA、LDHB和ATP5A1基因的表達(dá)量均高于背最長(zhǎng)肌,SDHA基因的表達(dá)量低于背最長(zhǎng)肌。說(shuō)明不同部位骨骼肌的糖酵解和氧化磷酸化活性也存在較大差異。
3個(gè)豬種相比,馬身豬骨骼肌肌纖維直徑和橫截面積較小,Ⅰ和Ⅱa型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量高;杜長(zhǎng)大豬骨骼肌Ⅱb型肌纖維標(biāo)記基因的表達(dá)量高,氧化磷酸化和糖酵解相關(guān)基因的表達(dá)量均較高。