加快破解農(nóng)業(yè)生物遺傳基礎(chǔ)科學(xué)問題
——訪青年科學(xué)家項目負(fù)責(zé)人喬木

文丨本刊記者 郭鑫

民以食為天，保障國家糧食安全是關(guān)系我國國民經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的全局性重大戰(zhàn)略問題。習(xí)近平總書記多次強調(diào)，要把農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全作為轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式、加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保廣大人民群眾“舌尖上的安全”。

為加快破解農(nóng)業(yè)生物遺傳基礎(chǔ)科學(xué)問題，提升設(shè)計育種能力，保障好“菜籃子”“肉盤子”等畜農(nóng)產(chǎn)品穩(wěn)定供給，2023年4月24日，由湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所牽頭承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃——“基于全景組學(xué)解析豬腸道微生物調(diào)控肉質(zhì)性狀形成的遺傳機制”項目啟動并舉行了實施方案論證會。

另辟蹊徑探索肉質(zhì)性狀遺傳改良新路徑

“國內(nèi)外以往在肉質(zhì)性狀方面的研究主要從宿主的基因入手，雖然取得了一些進展，卻不能很好闡明肉質(zhì)性狀形成的機制。微生物作為宿主的第二基因組，數(shù)量龐大、種類繁多，它們定植于宿主體內(nèi)，在調(diào)節(jié)宿主生理機能、代謝和免疫功能等方面發(fā)揮著非常重要的作用，是影響豬健康和重要經(jīng)濟性狀表型的重要因素之一。”項目負(fù)責(zé)人、湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所研究員喬木介紹，通過研究腸道微生物對動物肌肉發(fā)育和脂肪沉積的影響，可以為肉質(zhì)性狀遺傳改良提供新思路和新路徑。

豬肉是我國居民日常生活“肉盤子”中不可或缺的產(chǎn)品，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，以及人民生活水平的不斷提高，消費者對于優(yōu)質(zhì)豬肉的市場需求激增，而如何有效提高豬肉的品質(zhì)也成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，在分別將金華豬和長白豬的糞菌移植至小鼠腸道中后,與長白豬糞菌受體小鼠相比,金華豬糞菌受體小鼠血清中甘油三酯和脂蛋白脂肪酶活性顯著增加,并且肌肉中脂肪代謝相關(guān)分泌蛋白angiopoietin-like4顯著上調(diào)。而脂肪型豬的菌群移植使得無菌小鼠肌肉中肌球蛋白重鏈7基因表達水平升高，肌球蛋白重鏈4基因表達水平降低,導(dǎo)致小鼠慢肌纖維的比例增多而快肌纖維的比例減少。這兩項研究分別表明腸道微生物可以影響脂質(zhì)代謝，而腸道菌群可以影響肌纖維類型轉(zhuǎn)化。

據(jù)了解，肌纖維直徑、肉色和肌內(nèi)脂肪（Intramuscular Fat，IMF）含量等是影響豬肉品質(zhì)的重要因素。其中，IMF是指沉積在肌束和肌纖維之間的脂肪，一定程度上決定了肉的嫩度、風(fēng)味和多汁性，是影響豬肉品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。目前已知IMF在改善肉質(zhì)方面主要有兩種途徑，一是在肌內(nèi)脂肪氧化時通過溶解肌纖維束來提高肉的嫩度和多汁性；二是當(dāng)肌內(nèi)脂肪中含有較高水平的磷脂時，通過美拉德反應(yīng)產(chǎn)生風(fēng)味物質(zhì)，進而改善肉質(zhì)的口感。因此，通過研究腸道微生物對脂質(zhì)代謝的影響，以及腸道菌群對肌纖維類型轉(zhuǎn)化的影響，可以幫助人們對肉質(zhì)性狀的形成具有更加深入的了解。

當(dāng)前，有關(guān)腸道微生物的研究正引起越來越多研究者的關(guān)注，但在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)還存在很多亟待解決的問題。喬木表示，目前在關(guān)于腸道微生物的研究上，主要面臨四方面問題：一是以往對于豬腸道微生物與宿主性狀相關(guān)性研究主要圍繞微生物的空間變化和結(jié)構(gòu)組成，以及微生物功能挖掘等方面，沒有考慮到二者的互作關(guān)系。二是在樣本采集方面通常是采集糞便，糞便樣本雖然能在某種意義上作為全腸道內(nèi)容物的代表，但由于各腸段中微生物的結(jié)構(gòu)組成和功能作用又有顯著的差異，這意味著使用糞便取代腸道內(nèi)容物作為樣本進行研究存在著局限性。三是目前大多數(shù)實驗多采用不同品種豬進行對比，不能在實驗中完全消除遺傳背景的差異。四是在微生物篩選方面，大多采用16s rDNA的方法，只能測到屬的水平，不能具體到種的水平，且不能反應(yīng)基因表達的差異。

基于上述問題，喬木帶領(lǐng)項目成員從不同發(fā)育階段，不同部位入手，開展多組學(xué)聯(lián)合，全面解析宿主基因與功能菌群及其代謝物在肌肉和脂肪的生長發(fā)育過程中的動態(tài)互作機制，從分子層面精細(xì)繪制豬肌肉發(fā)育及肌內(nèi)脂肪沉積的宿主基因-代謝物-微生物動態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖譜，全景式解析豬肉質(zhì)性狀分子特征特性及遺傳機制。由于肉質(zhì)性狀需要屠宰測定，難以進行活體測定，使得遺傳改良進展緩慢，亟需能有效提高選育準(zhǔn)確性和育種效率的育種新技術(shù)。針對這一情況，項目組創(chuàng)建基于微生物、代謝標(biāo)記物、基因組為一體的豬肉質(zhì)性狀活體評估模型，在經(jīng)歷一系列科技攻關(guān)后，實現(xiàn)了肉質(zhì)性狀的早期、快速、精準(zhǔn)的活體評估，進一步豐富了肉質(zhì)性狀遺傳基礎(chǔ)研究，為肉質(zhì)性狀遺傳改良提供理論與技術(shù)支撐，對優(yōu)質(zhì)豬產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。

“硒都黑豬”

目前，“硒都黑豬”豬種已通過國家畜禽新品種審定，實現(xiàn)了湖北省30多年來生豬國審品種“從0到1”的重大突破，在襄陽市、恩施土家族苗族自治州、神農(nóng)架林區(qū)等地得到示范推廣，形成年出欄10萬頭的優(yōu)質(zhì)黑豬繁育體系,是優(yōu)質(zhì)黑豬養(yǎng)殖及高端優(yōu)質(zhì)豬肉生產(chǎn)首選種源。

自主培育奠定項目開展堅實基礎(chǔ)

“在豬種選取上，我們以國審生豬新品種‘硒都黑豬’為研究對象，對其腸道功能微生物在肉質(zhì)性狀方面的相關(guān)影響進行研究鑒定，并構(gòu)建肉質(zhì)性狀活體估測模型，豐富肉質(zhì)性狀遺傳基礎(chǔ)研究，為肉質(zhì)性狀遺傳改良提供理論與技術(shù)支撐?！眴棠窘榻B，該豬種前后歷經(jīng)12年科研攻關(guān)，最終通過以全基因組育種為核心的“4.0”生物育種技術(shù)培育而成，是國內(nèi)首個完全利用自有資源培育的優(yōu)質(zhì)豬新品種，為項目的順利開展打下了堅實基礎(chǔ)。

豬種選取是關(guān)系項目最終成果的重要基礎(chǔ)條件，為保障研究順利進行，喬木和組內(nèi)成員以團隊自主培育的國審生豬新品種“硒都黑豬”為研究對象。該品種以湖北省地方豬種——恩施黑豬為基礎(chǔ)，引入梅山豬和湖北白豬等遺傳資源，充分結(jié)合了恩施黑豬適應(yīng)性強、病少好養(yǎng)、肉質(zhì)優(yōu)良，梅山豬繁殖性能好，以及湖北白豬生長速度快、瘦肉率高等優(yōu)點，對湖北省特殊的高（低）溫高濕環(huán)境以及山區(qū)環(huán)境表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。目前，該豬種已通過國家畜禽新品種審定，實現(xiàn)了湖北省30多年來生豬國審品種“從0到1”的重大突破，在襄陽市、恩施土家族苗族自治州、神農(nóng)架林區(qū)等地得到示范推廣，形成年出欄10萬頭的優(yōu)質(zhì)黑豬繁育體系,是優(yōu)質(zhì)黑豬養(yǎng)殖及高端優(yōu)質(zhì)豬肉生產(chǎn)首選種源。

“‘硒都黑豬’瘦肉率53.12±2.34%，肌內(nèi)脂肪含量3.45±0.32%，是肉質(zhì)好、蓄脂能力強的優(yōu)質(zhì)豬種。我們在培育過程中，創(chuàng)新建立了以整合先驗信息的基因組選擇為核心的‘表型精準(zhǔn)測定+多組學(xué)信息挖掘+遺傳評定信息分析’優(yōu)質(zhì)豬高效育種技術(shù)體系，為優(yōu)質(zhì)豬育種提供了理論與技術(shù)支撐?！眴棠窘榻B，“硒都黑豬”在品種培育過程中實現(xiàn)了多方面創(chuàng)新，這也是它能夠作為項目研究對象的重要原因。

自2022年5月申報以來，項目組先后進行了預(yù)申報、正式申報、答辯等各項流程，最終成功獲批立項。作為“十四五”國家重點研發(fā)計劃，項目經(jīng)歷了嚴(yán)格細(xì)致的申報審批環(huán)節(jié)，建立了項目主持人和任務(wù)負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)制、目標(biāo)責(zé)任制、動態(tài)管理機制和成果權(quán)益分享機制等科學(xué)合理的管理機制，全力保障項目高質(zhì)量實施。目前，項目已經(jīng)順利啟動，并參加了“十四五”國家重點研發(fā)計劃生豬種業(yè)融合創(chuàng)新共同體交流會議，喬木及組內(nèi)成員在會上就項目的目的意義、研究內(nèi)容、管理方案與下一步工作計劃等進行了匯報。喬木表示，針對與肉質(zhì)性狀相關(guān)的腸道微生物挖掘、鑒定與功能驗證是本項目研究的重點和難點，通過團隊成員的不懈努力，目前已積累的腸道微生物分離鑒定經(jīng)驗，能夠保障項目的順利實施。接下來，將進一步加強項目管理，加大人才培養(yǎng)，提高經(jīng)費使用監(jiān)管力度，積極推進項目進度，努力把項目做深做強。

作為青年科學(xué)家項目，喬木此次獲得的國家重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目資助，也是湖北省屬單位青年科學(xué)家首次獲批立項。喬木表示“國家通過這一系列政策、項目和基金的支持，讓青年科學(xué)人員邁上了更加廣闊的舞臺，進一步增強了科研自信。項目成員將持續(xù)圍繞國家需求，堅持問題導(dǎo)向，不斷為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)發(fā)展貢獻更多力量?！?/p>