代谢组学在家畜疾病研究中的应用

2021-12-05余国春吴亚琳

畜禽业 2021年4期

余国春，吴亚琳，胡宪

(1.四川省水产学校，四川郫都 611730；2.成都市彭州市致和街道办事处，四川彭州 611930)

0 引言

Nicholson在1999年首次提出代谢组学的概念，因其灵敏性和高效性，在动物营养学、动物遗传育种、动物疾病研究以及动物性产品安全监测中意义非凡[1-2]。代谢组学可识别生理生化过程中的小分子物质，辨析有机体生命活动中的点滴变化，近年来逐步成为家畜疾病研究的有效工具。本文就代谢组学的特点、研究方法和在家畜疾病诊断和预防中的应用做简要介绍。

1 代谢组学的特点

代谢组学被称为组学研究的 “终点”，检测分析细胞的内外源代谢物，在代谢水平上放大和剖析基因与蛋白质水平的变化，填充了基因表达与表型呈现之间的空白区域。代谢组学多用于人类疾病的探索，在经济动物的疾病诊治领域中相对较少。

2 代谢组学的研究方法

代谢组学在家畜疾病研究主要包括以下核心环节[2-3]。

1)样本采集：体液 (血浆、血清和乳汁等)、组织 (肝脏、肌肉和脂肪等)。

2)研究技术：核磁共振 (NMR)、气相色谱—质谱联用 (GC-MS)和液相色谱—质谱联用 (LC-MS)等。

3)研究策略：靶向代谢组学、非靶向代谢组学和广泛靶向代谢组学等。

4)数据分析：主成分分析(PCA)、非线性映射(NLM)和聚类分析(HCA)等非监督方法，联用最小二乘法(PLS-DA)、人工神经网络(ANN)等监督方法。

3 代谢组学在家畜疾病研究中的应用

在现代化家畜生产中，集约化和规模化养殖成为大势所趋，随之而来的则是家畜疾病的高发态势。2018年8月，非洲猪瘟 (ASF) 肆掠而来，严重地危害了我国养猪产业的发展，更加强烈地凸显了家畜疾病防治的重要性。利用新兴的代谢组学进行早期诊断，对家畜疾病进行精准诊断和积极预防，便可取得较为理想的风险防控效果。

3.1 代谢组学在牛羊疾病研究中的应用

罗芳等为预防奶牛产后异食癖，采用超高效液相色谱—四极杆—飞行时间质谱 (UPLC-Q-TOF MS)代谢组学技术，联用主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘法分析 (OPLS-DA)，筛选出包括乙酰肉碱、DL-苯丙氨酸、2-八烯酸等在内的11种潜在代谢标志物[4]。Ceciliani等综述了高产奶牛的几种典型“职业病”(如酮症、奶热症、脂肪肝综合征等) 的发病机制，并利用双组学 (蛋白组学和代谢组学) 技术，进一步研究和剖析了其潜在的生物标记物[5]。Matoba等对人工体外受精的卵子进行了代谢层级的监测，揭示了牛卵母细胞的正常发育可能受谷氨酸、丙氨酸、甘氨酸的正面影响，而受到尿素的负面影响[6]。Leslie等采用代谢组学和蛋白组学技术，对比研究了高海拔缺氧地区和海平面附近的妊娠后期母羊，解密了诱导绵羊胎肺畸变的机制，即缺氧引起核苷酸增加导致肺血管表型转化[7]。

3.2 代谢组学在猪病研究中的应用

Bertram等以黑麦为主成分和小麦为主成分的2种饲料饲喂高胆固醇血症猪，证实了食用黑麦饲料会提高血浆碱的含量；并基于核磁共振(NMR)和偏最小二乘法 (PLS-DA) 探究了此过程中高胆固醇血症猪的内源性生化效应，揭示了实现血浆中碱含量评价的生物标志物[8]。Gong等提取了感染猪瘟病毒的仔猪血清，采用超高效液相色谱/电喷雾飞行时间质谱 (UPLC/ESI-Q-TOF/MS) 联合多变量分析，表明肠道微生物与猪瘟病毒宿主代谢具有一定关联[9]。Dou等通过核磁共振 (NMR) 方法和稀疏偏最小二乘判别分析(sPLS-DA)，建立了大白猪×克里奥尔猪的子一代对热敏感度的预测模型，为所测样本的热应激反应预防提供了科学根据[10]。

3.3 代谢组学在禽病研究中的应用

Lu等利用代谢组学监测热应激对肉仔鸡代谢的影响，对照研究了病理状态与正常状态的血清样本，被检测的258种代谢物中有78种存在显著差异，真切反映了热应激肉鸡处于负能量平衡状态，无法有效地调配脂肪，导致脂肪代谢异常进而影响肉鸡生长[11]。施寿荣联用代谢组学和转录组学2种高通量组学研究方法，揭露肉鸡腹水综合征或关联脂质代谢紊乱，明晰了早期肉鸡腹水综合征的发病机制，从源头上避免肉鸡腹水综合征对生产性能的负面影响[12]。