代谢组学在家养动物遗传育种中的应用研究

王趁芳

摘要：对家养动物遗传育种中的代谢组学进行分析，为通过代谢组学进行动物经济性状遗传基础的研究提供依据。

关键词：家养动物;遗传育种;代谢组学

中图分类号：S813.2        文献标识码：A        文章编号：1007-273X（2020）03-0010-02

代谢组学指的是利用分析化学技术实现生物样品中大量小分子代谢物的全面鉴定与定量分析，在生物医学、畜牧学、营养学等研究中使用。在生理遗传学、基因组学等研究不断深入的过程中，大量研究者开始通过代谢组学技术与方法进行动物遗传育种的研究。

代谢组为转录组、蛋白质组、基因组总体表达结果，能够将组织生化状态直接反映出来，表现生命体生理病理变化，在生命复杂系统中具有重要意义。主要特点就是高通量试验与大规模计算，基于系统生物学角度对机体代谢变化进行考察。动物基因组变异并不一定会影响动物表型，代谢分子变化会导致变异。简单来说，基因组学变异要利用相应代谢分子转化到表型中传递。主要是因为科研人员在使遗传变异与表型关联的时候，遗漏了部分变异位点，通过代谢组学数据筛查遗漏位点。在代谢组学发展中，与其他组学数据整合研究能够对动物生命活动复杂调控机制进行解析。

1  代谢组学在动物营养研究中的使用

在20世纪90年代中期，代谢组学被广泛应用于环境卫生、药物研发、分子生理病理学等方面。但是，代谢组学技术在动物营养领域的使用才刚开始。在营养与摄食干预不同时，主要研究目标为动物机体中的小分子量代謝产物的改变，使营养素对动物营养的生理机能、添加水平等认知得到加强。

代谢组学技术还能够应用到营养过剩、稳态控制等方面，营养失衡会导致体内正常代谢的平衡失调，通过单一代谢生物标志物无法展现此过程，但是代谢物组学技术能对系统进行分析，从而将此过程科学地描述出来。氨基酸大量摄取，能够充分展现靶组织中的有毒代谢物与高浓度氨基酸，使正常代谢的途径改变，通过代谢组学方法对氨基酸代谢物定量监测。Noguchi[1]分析代谢组学技术应用到氨基酸摄入的安全范围，利用相关性分析的方法能够分析某代谢产物与摄入的蛋白质、氨基酸，确定适量的氨基酸摄入量。另外，其在研究中还发现氨基酸代谢谱能够将特定生理状态充分展现出来，充分展现代谢的关系。给予大鼠含2.4%的蛋氨酸日粮，降低了血液中的丁氨酸、丙氨酸，说明在蛋氨酸代谢过程中，会限制高半胱氨酸转化为丁氨酸、丙氨酸与硫醚。所以，高半胱氨酸能够对蛋氨酸的过量进行监测。

王雪梅[2]利用定量脂质体代谢轮廊技术研究脂质代谢轮廊，充分考察脂质代谢的影响。研究结果显示，与对照组对比，无法将血浆卵磷脂浓度恢复。胆碱的补充能够使正常的血浆甘油三酸酯浓度水平恢复，但是并没有恢复到对照组水平。表示胆碱的补充能够将PEMT部分功能代替，但PEMR功能也并不是合成卵磷脂的补充途径。脂质流动在肝脏、血浆中，并且和必要的脂肪酸通过肝脏分化脂蛋白传输到周边的血液、组织中，与多种病理过程具有密切关系。

2  代谢组学在动物遗传育种中的使用

2.1  家养动物的体液关键代谢分子

研究家养动物代谢组学是通过质谱技术与核磁技术对血清、血浆、尿液、乳汁、肌肉等样品代谢分析进行测定，对于乳汁、血清、血浆等研究比较多。刘小利[3]利用代谢组学技术检测不同样品与物种，得到1 070个代谢分子，在LMDB数据库中收录。在不同动物血浆、血清与乳汁中所检测的代谢分子分别为408、351和422个。

2.2  动物代谢遗传参数的估计

机体中代谢水平会发生改变，会受到生活习惯、环境的影响。所以每个生物样品代谢组学图谱只是此个体在指定时间的代谢状态。在使代谢分子表达量作为中间性状进行遗传学分析过程中，要对遗传因素的代谢分析表型变异份额掌握，也就是估计代谢分子表达水平的遗传参数。

周光瑞等[4]对比利时蓝牛、瑞士褐牛、泽西牛、诺曼地牛等大量牛乳样品进行检测，表示牛乳中不同长链脂肪酸代谢分子遗传力为0.05～0.38，其遗传相关位-0.06～0.084。另外，还有相关学者实现了初次泌乳奶牛血清代谢分子进行遗传参数估计，表示葡萄糖遗传力为0.12～0.39，非酯化脂肪酸为0.08～0.35，β-羟基丁酸脂为0.08～0.40。

对猪肌肉中脂肪酸构成与参与多不饱和脂肪酸代谢中去饱和酶延长酶活性指标遗传参数进行分析，其长链多不饱和脂肪酸遗传力值超过0.50。

2.3  动物代谢分析的全基因组关联分析

在实现基因组学研究技术全基因组SNP标记检测平台中，对血液、血清、尿液等体液检测的代谢分子全基因组关联进行分析，为代谢组学和基因组学耦合的重点。人类代谢组学mGWAS研究结果丰富，并且已经筛选多个代谢分析表达显著遗传基因与标记，进一步分析表示此代谢分子为人类疾病生物标记。家养动物mGWAS报道较少，主要为猪、牛方面，主要目的就是利用某代谢分析全基因关联对肉质、乳质遗传标记进行筛选。比如，已经筛选的SCD、FASN、DGAT1家族等主要候选基因和牛乳液、肌肉等不同链长脂肪酸含量有关系。在动物群体中进行mGWAS样本量规模要小于人类研究群体规模，主要是因为在饲养过程中能够控制饲养环境，使动物环境因素相同。

2.4  动物代谢分子鉴定品种

在研究猪、牛等家养动物代谢组学过程中，对动物组织、血清与乳汁等研究材料进行检测，筛选代谢分子作为区分品种的生物标记物。钱万芬等[5]利用代谢组学的方法对比瘦肉型与肥胖型的血清代谢图谱，表示宁乡品系猪血清中的脂质、胰高血糖素、胰岛素、糖蛋白、不饱和脂质等比瘦肉型猪要高，尿素与葡萄糖比瘦肉型猪要低。徐忠等[6]通过质谱技术对杜洛克猪、大白猪的血清、血浆等分析，一共检测代谢分子180种，杜洛克猪中的鞘磷脂表达量最高，大白猪中的乙酰鸟氨酸最高。杨红文等[7]分析表明，利用甘油3-磷酸、甘油-3-磷酸脱氢酶与甘油代谢对瘦肉型大白猪与高脂卡斯塔纳猪进行区分;部分学者通过NMR技术对纯种安格斯牛、海福特牛与杂交牛的血浆代谢图谱进行检测，表示肉碱、肌酸、马尿酸等代谢分子表达在两个品种之间具有明显的差别。胡孟等[8]通过H-NMP技术对比饲喂同样日粮和同个日龄公鸡血浆，表明甜菜碱、组氨酸与谷氨酰胺等代谢分析表达具有明显差异。

3  小结

代谢组学目前已经在疾病预测、功能基因组学、遗传学、药物设计等领域中使用，还创新了动物育种技术。比如通过指定生理状态标记代谢分子选育动物，或者通过代谢组学信息对动物潜在遗传差异分析。在代谢组学不断发展的过程中，此技术在家养动物选育方面广泛使用，对阐述复杂生物学机制问题是非常有利的。

参考文献：

[1] NOGUCHI O. Application of metabolomics in genetic breeding of domestic animals[J].Genetics，2019，41（2）：27-40.

[2] 王雪梅.代谢组学在中草药研究中的应用[J].甘肃科技，2019（18）：64-68.

[3] 刘小利.浅谈代谢组学技术及其在动物医学研究中的应用[J].农业与技术，2017，37（12）：79-80.

[4] 周光瑞，季生林，张明芬.新疆褐牛血缘分析和育种对策研究[J].草食家畜，2007（1）：36-38.

[5] 万钱芬，何庆华，王玉兰.基于NMR的代谢组学方法研究鸡和猪对T-2毒素的急性应答[A].第十八届全国波谱学学术年会论文集[C].武汉：中国物理学会波谱专业委员会，2014.

[6] 徐  忠，缪园欣，付亮亮，等.大白猪血清5个生化指标全基因组关联分析及与饲料效率相关的研究[EB/OL].北京：中国科技论文在线，2017-05-04.

[7] 杨红文，粟朝芝，王德凤.猪脂肪甘油酸脂酶（ATGL）基因的表达特性分析[J].黑龙江畜牧兽医，2012（13）：58-60.

[8] 胡  孟，张海军，王  晶，等.L-组氨酸对肉鸡生长性能、肌肉品质、血浆抗氧化能力和肌肉咪唑二肽含量的影响[J].动物营养学报，2017，29（8）：2697-2706.