畜禽肉质性状研究中的常用组学技术

高梦锦，李 雪，李京京，邢 凯，齐晓龙，王相国，郭 勇，倪和民，盛熙晖

（北京农学院动物科学技术学院，北京 102206）

畜禽良种是畜牧业生产的基础，也是提高生产水平和效率的关键。近几十年，畜禽遗传改良过分追求生长速度，导致肉质下降[1-2]。但随着社会经济的发展和消费水平的提高，人们对肉品质的要求不断提升。因此，家畜肉质性状的改良和育种研究已成为畜牧科学研究的热点之一。肉质是指与肉品外观和适口性相关的特性，其主要影响因素可归纳为遗传和环境2 个方面。研究人员可以利用组学技术挖掘肉质性状的调控基因或蛋白，深入了解肉质性状调控机理，为下一步开展肉质性状改良奠定理论基础。在肉质评定方面，常用的指标有pH 值、肉色、系水力、嫩度等。但是目前国内外对畜禽肉质评定标准还未完全统一，研究者对肉质指标的评定方法和条件各有不同，不同试验结果之间的可比性较差，组学技术或可为解决此问题提供新思路。组学技术包括基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等，目前其已成为畜禽肉质性状研究的有力工具，在畜禽肉质性状及调控机理研究中应用广泛。本文综述了组学技术在畜禽肉质性状研究中的应用现状，并对其前景进行了展望。

1 基因组学技术

基因组学旨在研究基因组的结构和功能，主要包括结构基因组学和功能基因组学2 个方面。2000 年，人类基因组计划完成，随后红原鸡、海福特牛、杜洛克猪等家畜也先后完成了基因组测序工作[3]，为家畜育种研究提供了重要的基因组信息。目前，基因组学技术已广泛应用在畜禽肉质性状育种研究中，主要包括基因芯片和基因组重测序等。

1.1 基因芯片 基因芯片运用核酸互补杂交原理，在载体表面有规则地构建DNA“探针”阵列，探针将与同位素或荧光标记的样品进行杂交，通过检测杂交图谱荧光信号强弱可测定样品中目的基因的数量及组成[4]。在家养动物肉质研究中，Kaifan 等[5]比对了蓝塘猪和大白猪的脂肪酸含量及其组成，并用微阵列技术和实时定量PCR 技术确定了影响其脂肪酸组成的候选基因。Hausman 等[6]运用Affymetrix 基因芯片对不同周龄科宝肉鸡的腹部脂肪组织进行基因微阵列分析，共筛选出330 个差异表达基因，这些基因可作为腹部脂肪沉积调控研究的候选基因。基因芯片与生物信息学的结合使研究人员从最初1 个月测序1 个或2 个基因到现在几个小时即可研究数万个基因，加快了肉质性状研究中挖掘差异表达基因的进程，节约了大量的时间成本。

1.2 全基因组重测序技术 全基因组重测序技术是在已知物种基因序列的基础上，通过比较该物种不同个体基因组之间的差异，运用各种生物信息学技术分析变异信息，进而研究其遗传变异和分子标记。在家畜肉质性状的研究中，Kong 等[7]以鸡高/低肌肉颜色品系和随机繁殖对照系为研究对象，利用Illumina 测序平台对每个品系各10 只鸡进行全基因组重测序挖掘鸡肉中负责调节肌肉颜色的遗传变异，共鉴定出数百万个单核苷酸多态性，其中有15 个与肌肉颜色显著相关。Li 等[8]利用全基因组重测序技术在全基因组范围内比对西藏野猪、家猪和普通野猪的SNP 变异信息，研究发现在人工选择下共有516 个候选基因与家猪的生长、肌肉发育、嗅觉和免疫反应等生物过程有关。毛衍伟等[9]运用全基因组重测序技术对高/低脂肪含量安格斯牛×湘中黄牛杂交牛的背最长肌进行分析，结果发现脂肪形成基因、能量代谢基因等基因的多态性变化是影响肉牛肌内脂肪沉积能力的关键。全基因组重测序技术是一次性获得大量且具有高分辨率数据的最佳方法，能够在全基因组水平上找到与肉质性状相关的遗传变异位点，与此同时，对所获得大量数据的分析及处理尤为关键。

2 转录组学技术

RNA 在遗传信息从DNA 传递到蛋白质的过程中起到了承上启下的作用，所以转录组学是功能基因组学的一个重要方面[10]。转录组学又称为基因表达图谱，可以通过基因芯片、转录组测序和基因表达序列分析等技术研究某一特定条件下细胞或组织基因表达情况，并利用生物信息学方法进行数据处理和分析。转录组学技术已广泛用于肉质相关基因的调控研究。

2.1 转录组测序 皮下、肌间和肌内脂肪是影响肉质的重要因素之一。Jung 等[11]对猪肝脏组织进行转录组测序发现，非同义单核苷酸变异可通过影响死后代谢相关基因表达的表观遗传调控进而影响多种肉质性状。Piórkowska 等[12]对两组剪切力存在显著差异的哈伯德FLEX 系列肉鸡的胸肌组织进行全转录组测序，初步筛选出了与鸡胸肌肌肉转化、脂肪生成和胶原合成有关的基因。为探索高浓度氨对肉鸡肉质的影响，Yi 等[13]利用转录组测序技术比较了暴露于不同氨浓度下的爱拔益加肉鸡胸肌的转录组，共鉴定出了267 个候选基因，这些基因都参与了脂质代谢过程。Billerey 等[14]采集了9头利木赞公牛的背最长肌样本，利用全转录组测序方法鉴定出超过500 种的lncRNA，这些lncRNA 可能有助于肉质性状遗传变异的相关研究。Sodhi 等[15]利用转录组测序技术研究了济州岛本地猪与巴克夏猪脂肪组织的差异表达基因，这些基因为进一步研究猪的脂肪沉积机制奠定了基础。Li 等[16]利用转录组测序技术对白来航鸡的骨骼肌进行研究，结果发现了新型lncRNA，结合RT-PCR 结果发现lncRNA gga-lnc-0181 在骨骼肌中高度表达。利用转录组测序可以有效获得肉质性状相关的基因编码序列，因只研究被转录的基因，其相较于基因组学而言针对性更强。

2.2 小分子RNA 测序 生物体细胞内存在着大量的小分子RNA，包括小片段干涉RNA（siRNA）、微小RNA（miRNA）、Piwi 蛋白相互作用RNAs（piRNAs）、核仁小RNA（snoRNA）和核内小RNA（snRNA），其作为生命活动重要的调控因子在转录后基因表达调控、生物体的生长发育、疾病、代谢及生殖等方面发挥着重要作用。microRNA 是一种内源性的非编码小RNAs，转录后可调控基因表达。越来越多的证据表明，microRNA 在体外和体内脂肪生成过程中起着重要作用，并且对家畜肉品质有影响[17-20]。Zhang 等[21]以6 只固始母鸡为研究对象，分别测定了3 只20 周龄鸡（G20W 组）和3 只55 周龄产蛋后期母鸡（G55W 组）右侧胸肌的肌内脂肪含量，并提取了左侧胸肌、肝脏、心脏、脾脏、肺、肾、十二指肠、卵巢和腹部脂肪组织的RNA 进行miRNA 测序，研究结果表明，与G20W组相比，G55W 组右侧胸肌肌内脂肪含量较高，其总miRNA 表达水平低，2 组共鉴定出104 个差异表达miRNA。为更好地理解miRNA 在牛脂肪沉积中的差异表达和机制，Wang 等[22]通过微阵列分析了6 头成年肉牛肌内脂肪和皮下脂肪的差异miRNA，研究发现miR-143、miR-145、miR-26a、miR-2373-5p 和miR-23b-3p 在肌内脂肪中高表达，而miR-26a、miR-2373-5p、miR-2325c、miR-3613 和miR -2361 在皮下脂肪中丰度最高。目前，小分子RNA 测序技术在畜禽肉质方面的研究主要集中于miRNA，对于其他小分子RNA 还有待研究。

3 蛋白质组学技术

蛋白质组学于1994 年由澳大利亚麦考瑞大学的Wilkins 和Williams 提出，用来描述对特定蛋白质组的研究，它是在特定生理条件下和特定时间由生物系统产生的蛋白质的整个复合体[23]。蛋白质是生命活动的体现者，因此蛋白质组学研究可以更有效地阐明生命过程的分子机制。在畜牧科学研究中，蛋白质组学是诊断畜禽疾病，生产优质、安全的动物产品，提高动物生产效率的有力手段。通过蛋白质组学技术可以鉴定与肌肉品质指标相关的蛋白质，全面深入地研究肉质性状的形成机制。目前，蛋白质组学相关技术主要包括如下3 种。

3.1 双向凝胶电泳和质谱技术 双向凝胶电泳作为最广泛使用的蛋白质分离方法之一，其原理是蛋白质根据第一维度中的等电点和第二维度中的分子量通过两次电泳将其分离[24]。质谱技术具有高灵敏度和准确性，极大地扩展了蛋白质组学的研究。在运用双向凝胶电泳分离蛋白质之后，凝胶点可以被分开切除并进行随后的蛋白质溶解消化。消化后产生的肽段混合物可利用质谱技术鉴定蛋白质或肽段。利用双向电泳结合质谱技术，D'Alessandro 等[25]在牛肉中发现了3 个与嫩度相关的标记蛋白质。曹梦等[26]通过双向电泳和质谱技术联用分析白莱航、快大黄鸡和北京油鸡的肌肉组织蛋白表达差异，研究发现11 个蛋白表达差异点，其中3 种蛋白表达差异极显著。赵珺[27]对3 只成年内蒙古绒山羊背最长肌、臂三头肌和臀肌进行蛋白质组学分析，鉴定出了骨骼肌的3 种差异蛋白并建立了绒山羊骨骼肌差异蛋白谱。双向凝胶电泳在畜禽蛋白质组学领域中的应用已较为成熟，随着质谱灵敏度的提高，其已成为首选的分离方法。

3.2 同位素标记相对和绝对定量（iTRAQ）技术 iTRAQ技术作为一种新型蛋白质标记定量技术，可同时对4 个或8 个不同样品进行蛋白定量比较，并且能对样本中的几乎所有蛋白质进行结合，标记过程更简单，与质谱仪串联检测更灵敏[28]。相比于传统双向凝胶电泳分析，iTRAQ 技术可以提供更可靠的定量测定和样品比较[29]。Wang 等[30]以6 月龄藏猪、滇南小耳猪、约克夏猪和长白猪为研究对象，利用iTRAQ 技术初步筛选出了调控猪背最长肌脂肪代谢、沉积和肌肉生长的关键蛋白质。付睿琦[31]利用iTRAQ 技术获得不同发育阶段北京油鸡的胸肌肌肉发育和脂肪代谢主要途径和关键蛋白。王红杨[32]以胚胎期至生长早期北京油鸡和科宝肉鸡为研究对象，利用iTRAQ 技术和生物信息学技术对鸡胸肌组织蛋白表达情况进行分析获得与肌肉发育和肌内脂肪沉积相关关键蛋白和通路。郝瑞杰[33]以雪龙黑牛、云岭牛、秦川肉牛和传统秦川牛为研究对象，利用iTRAQ 技术分析其背最长肌的蛋白质，结果共筛选到了6 个与脂肪细胞增殖和分化相关的蛋白质，初步推测了肌内脂肪沉积的可能调控机理。Bjarnadottir 等[34]利用iTRAQ 技术研究挪威红公牛背最长肌低剪切力组与高剪切力组，发现了3 个与嫩度相关的蛋白质。目前，iTRAQ 技术与多维液相及色谱串联质谱联用技术已在蛋白质组学中广泛应用，其在获取样本中差异蛋白及挖掘生物标记物等方面具有优势。

4 代谢组学技术

代谢组学是蛋白质组学的进一步延伸，用于研究某一生物或细胞的代谢路径底物和产物变化规律，尤其是小分子代谢物质，揭示生物生命活动代谢的本质[35]。由于代谢产物种类繁多并且不能像基因、蛋白质一样根据碱基、氨基酸来测序，目前还未有一种可以同时分析所有代谢产物的方法，一般是根据代谢产物的类型和研究目的来选择不同的分析方法，较为常见的分析方法有色谱、质谱、核磁共振、紫外吸收、放射性检测及红外光谱等[36-37]。现今，代谢组学已广泛应用于植物、食品、医药及疾病诊断等领域，并取得了丰硕的成果。在畜禽肉质性状研究中，目前对牛和猪的研究较多，并主要集中于代谢分子全基因组关联分析研究（Genome-Wide Association Studies with Metaotypes,mGWAS），用于筛选影响肉质的遗传标记或重要候选基因。例如，FASN和SCD基因与牛背最长肌的中、长链脂肪酸含量显著相关[38-39]，ELOVL等重要候选基因与猪背最长肌中脂肪酸含量显著相关[40]。

5 展 望

各种组学技术以及多组学联合技术已广泛应用于畜禽肉质性状的研究领域，为全面深入地探索畜禽肉质性状的调控机制提供了新思路。基因组学通过对畜禽重要经济性状位点的研究可大幅度提高养殖业生产效益，目前标记辅助选择等分子育种技术已经运用于畜禽育种实践中。转录组学可从RNA 水平上整体分析不同组织或生理状况下所有基因的表达，分析转录组数据有助于得到新的功能基因和代谢通路，为畜禽育种提供新思路。基于蛋白质组学数据分析，可以建立蛋白质组学数据库、挖掘低表达基因并比较样本间表达差异蛋白。在育种过程中，利用蛋白质组学技术有助于确定动物经济性状候选基因，从而加快育种进程。相较于其他组学技术，代谢组学尚处于新生阶段，在检测技术、数据分析等方面仍需进一步完善，但代谢组学在遗传育种中已表现出巨大潜能，如通过mGWAS 筛选特定标记代谢分子。与此同时，各种组学技术的联合使用对数据分析方法提出了新挑战。未来，随着组学技术的不断发展和完善，这些技术将更广泛地应用于畜禽肉质性状的选育及其遗传机制的阐明。