草食家畜母体营养对子代生命健康影响的研究进展

2022-02-14赫晓娜李胜利张春华张崇志孙海洲

畜牧与饲料科学 2022年1期

赫晓娜，金鹿，李胜利，张春华，桑丹，张崇志，孙海洲

（1.内蒙古农业大学动物科学学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区农牧业科学院动物营养与饲料研究所/内蒙古自治区草食动物营养科学重点实验室，内蒙古呼和浩特 010031）

在子宫内早期发育阶段，营养是改变胎儿基因组表达的主要环境因素，并可能产生终生后果，该种现象被称为“胎儿编程（fetal programming）”［1］。子宫内营养可能导致发育适应，从而永久性地改变后代的生理、结构和代谢，进而使个体在成年后易患代谢、内分泌和心血管疾病［1］。大量动物研究表明，母体营养不足或营养过剩都会限制胎儿的生长，其机制可能是通过对脱氧核糖核酸和组蛋白的共价修饰而不改变脱氧核糖核酸序列（即表观遗传学）介导基因的表达及调控［2］。目前，母体营养对胎儿基因表达的调节作用逐渐成为围产期生命营养科学研究的热点，也为动物营养研究提供了新的切入点。笔者结合国内外研究报道，对草食家畜妊娠期母胎营养需求及代谢特征、激素在稳态调节中发挥的作用、妊娠期能量需求对妊娠健康的重要意义进行了综述，总结了妊娠期营养的表观遗传学研究进展，以期为科学制定草食动物围产期营养供给方案，提高养殖效益提供参考。

1 妊娠期母胎的营养代谢、激素调节和能量需求

妊娠期是胎儿以及母体各个器官和系统生理变化快速发生的时期。成功的妊娠依赖于子宫循环对胎盘的充分保供，母体必须满足胚胎发育和初乳生产对营养的高需求。子宫内的生长和生理发育模式不仅决定了新生仔畜的生存能力，而且在其生产性能表型和疾病易感性方面发挥重要作用。因此，生产者应根据母畜所处的不同妊娠阶段，合理饲喂，发挥最大的生产潜力。

1.1 妊娠期母胎之间的营养代谢

妊娠期母体的营养摄入和能量需求的满足对妊娠的正常进行以及胎儿的生长发育和健康至关重要［3］，母畜在怀孕期间营养不足或营养过剩都不利于胎儿的生长［4］。胎盘和胎儿生长在着床期和胎盘快速发育时期（妊娠的前2个阶段）最易受母体营养状况的影响［5］。为了应对妊娠早期能量负平衡危机，母畜通过提高日采食量、降低脂肪生成活性、增加脂肪分解和蛋白质水解调动体内储存的内源底物。在山羊胎盘中，毛细血管生长速度和总毛细血管体积在妊娠2周后显著增加并持续整个妊娠过程［6］。在妊娠晚期，随着胎龄的增加，母畜每单位代谢体重可代谢能量的摄入量减少，胎儿—胎盘质量及其本身对能量、蛋白质和矿物质的需求反而急剧增加［7］。在对荷斯坦奶牛孕期营养物质和能量的一项研究中发现，妊娠晚期牛胎儿生长的平均净能量需求预计为3.21 MJ/d，可代谢蛋白质约为300 g/d［6］，并且胎儿常量矿物质含量的增加与胎儿有机物的增加平行，常量矿物质占胎儿有机物的9%～10%，微量元素含量也随着胎儿的发育而增加［5］。这些能量和营养物质必须从日粮或身体储备的能量动员中获得，否则会降低母畜的繁殖能力［7］。因此，在动物生产中，日粮应满足常量营养元素和微量营养元素在母胎体内的能量需求，凸显孕期营养管理对母畜育种的重要性。

母畜能量消耗最旺盛的时期（妊娠后期和泌乳早期）易诱发与能量代谢相关的代谢性疾病或免疫机能障碍和炎症，影响生产性能。在羊上开展的研究表明，母体营养供应不足时，无论是否哺乳，母体和胎儿之间存在营养需求的竞争，不仅会降低母羊的繁殖和生产效能，也会损害后代的健康和未来的生产力［6］。特别是在除了妊娠需求还需要支持自身生长的初产母羊中，能量供应不平衡的现象尤为严重。国外的一项统计发现，牧场（包括家庭牧场）奶牛围产期的总死亡率为2.4%～9.7%（中位数6.7%）［8］。这些发现均表明，营养物质吸收能力更佳、处于能量正平衡的母畜能够更好地应对妊娠和初乳带来的代谢挑战。

高产母羊机体在怀孕期间有较高的葡萄糖和胆固醇水平。葡萄糖是妊娠早中期和哺乳期母畜及胎儿主要消耗的营养物质。母体葡萄糖是经胎盘转运的主要底物。在正常的子宫血流速率下，胎盘从母体循环中主要摄取的净葡萄糖比从胎儿获取的高出约7倍，其中，约20%被输送给胎儿，50%被氧化，其余大部分转化为乳酸并转移回母体［9］。中度营养不良的母羊胎盘转移葡萄糖的载体靶向葡萄糖转运蛋白（targeting glucose transporters，GLUTs）的数量与胎儿对葡萄糖的摄取量成比例地受到限制，导致胎儿生长迟缓［10］。随着妊娠的发展，母羊肝脏对甘油和游离脂肪酸（non-estesterified fatty acid，NEFA）作为代谢底物的利用水平提高［11］。NEFA水平是脂质分解代谢的标志，当葡萄糖代谢不足时，NEFA水平会升高。胆固醇是组织发育的关键营养素，也是胎儿发育所需的许多激素和代谢调节因子的前体［12］。高血浆胆固醇是泌乳母羊良好代谢状态的标志。在怀孕母畜营养不良的情况下，胎儿对氨基酸获取有优先权。胎儿靠脐带摄入氨基酸，母体氨基酸的含量与供给胎儿的氨基酸含量之间因氨基酸种类而异。对于某些氨基酸，在胎盘、胎儿和母体表面都有相对较大的双向流量［13］。日粮中适当的蛋白质摄入可支持蛋白质生物合成，以供应母体组织、胎盘和生长中的胎儿的需要。微量营养素（铁、钙、镁、叶酸和VD）在怀孕期间特别重要，在实际生产中，微量营养素在怀孕母畜中的摄入量明显不足。

总之，尽管草食家畜在妊娠期处于营养敏感状态，但母胎之间存在显著的代谢灵活性和相互影响的代谢沟通，这一机制有助于确保母胎充足的营养交换，在营养有限的时期尤为重要。

1.2 妊娠期母胎之间的激素调节

胎儿是母体的同种异体生命，随着妊娠的进行，胎盘和子宫附着面积迅速增大，局部子宫和全身免疫活跃。据报道，细胞因子和生长因子与生殖激素一起，可能在胎盘发育、预防妊娠期胎儿丢失、分娩时消除胎儿和胎膜，以及预防人类和啮齿类动物产后子宫感染方面发挥重要作用［14-16］。

有关胎儿生长的激素调节研究鲜有报道。在妊娠前期，胚胎发育的特点是自主发育，并不涉及严格的内分泌机制，胚胎的生长可能通过营养供应和局部活跃的生长因子控制单个器官的生长发育。最近的一项研究表明，新生儿下丘脑—垂体—甲状腺轴的形成和成熟始于胎儿在妊娠早期对母体甲状腺激素的依赖［17］。妊娠后期胎儿的营养需求通过母体激素变化表达，同时胎盘激素调节会影响胎儿的生长发育，胎儿内分泌腺的功能有显著变化［13］。表1总结了部分妊娠期母体激素水平的变化对胎儿生长发育的影响。

表1 妊娠期母体激素水平的变化对胎儿生长发育的影响

内分泌系统和免疫系统的相互作用是通过胎盘产生类固醇激素实现的。类固醇激素是维持妊娠过程中免疫抑制和抗炎必需的物质［24］。妊娠早期母体胎盘黄体酮发出信号，负责为着床过程准备子宫内膜环境并维持子宫内的孕囊，也通过调节母体免疫系统改变母体代谢，增加胎儿获得葡萄糖的途径［25］。由于胚胎生长发育的特异性，在后期更多受限于母体营养环境的变化和内分泌系统的调节。妊娠期胰岛素抵抗是出现于妊娠晚期的代谢变化［26］。胰岛素样生长因子（insulin-like growth factor，IGF）是妊娠晚期胎儿循环中重要的生长激素。IGF在母体中含量升高，会增加妊娠期氮元素在母体的滞留以及母体循环中葡萄糖的利用和氨基酸的浓度，损害耐糖量。胎儿葡萄糖代谢取决于胎儿血浆葡萄糖和胰岛素（insulin）的累加效应［27］。在绵羊中，母体饥饿会导致胎儿的胰岛素样生长因子-1（insulin-likegrowth factor-1，IGF-1）快速下降。胎盘生长激素（placentalgrowthhormone，PGH）是孕期母体血清IGF-1的主要调节剂［28］。瘦素（leptin）被认为是生殖系统重要的信号分子，可以调节促性腺激素的产生、胚泡的形成和着床以及胎儿与胎盘之间的通信［29］。妊娠期除脂肪组织分泌瘦素外，胎盘是人体第2个被发现产生瘦素的组织［29］。动物模型和人类观察研究均表明，围产期瘦素激增在胎儿编程长期肥胖风险方面具有关键作用［30］。妊娠后期，营养不良还会导致全身炎症加剧、瘦素和糖皮质激素浓度升高。这些因素汇集在一起，导致表观遗传修饰的发生［13］。

1.3 妊娠期母胎的能量需求

能量平衡是实现最佳妊娠结局的关键因素之一，即母体和胎儿组织中能量摄入、消耗和储存之间的关系保持平衡。怀孕母体的能量摄入需求反映了支持母体和胎儿新陈代谢（能量消耗）、胎儿生长以及怀孕期间能量储存所需的能量总和［31］。详细了解这些能量在整个妊娠期间的变化可以为满足怀孕母畜能量需求提供科学决策，最大限度地降低不良妊娠结局的风险。

动物繁殖效率经常受到日粮能量水平的制约，能量不足和能量过剩都会影响繁殖效率［32］。孕早期的能量摄入需求与怀孕前的需求差别较小，在妊娠中期和晚期，胎儿发育和母体妊娠代谢成本（包括心脏输出量的增加、呼吸功能的增强、胎儿活动、胎儿组织代谢率）增加引起能量消耗增加［33］。不同品种动物的营养物质在体内的利用和分配效率不同，例如肉牛生长效率高、产奶量低，奶牛则相反［34］。怀孕期间补充热量会导致胎儿出生体重增加［35］。在安格斯杂交肉牛中，给母牛饲喂以玉米为基础的高淀粉日粮比饲喂以等热量草为基础的日粮所产犊牛的出生体重有所增加［36］。双胞胎和三胞胎羔羊的生长速度与羔羊出生体重呈正相关［34］。研究结果显示，母体能量不足和能量过剩都不利于胎儿生长（见表2）。能量摄入对氮平衡保持的影响明显。对于体重为68 kg的产双胎母羊来说，临产前达到最高效率所需的氮的摄入量相当于每天摄入77 g明显可消化的粗蛋白［43］。研究表明，人类妊娠早期和中期、中期和晚期以及妊娠早期和晚期之间，母体能量消耗的增加范围分别为4.0%～17.7%，0.2%～30.2%，7.9%～33.2%［44］，母体能量不足会损害胎儿线粒体功能的发育［45］，同时胎儿的发育过程决定了个体成年后机体对能量代谢负荷的适应能力［46］。另外，整个孕期的运动对母畜的健康妊娠至关重要。合理的运动可改善孕期代谢，防止母畜刻板行为，对妊娠期疾病的预防和治疗起到一定的作用。

表2 妊娠期母畜能量水平变化对胎儿生长发育的影响

2 妊娠期的表观遗传修饰

成人疾病的胎儿起源假说最早是由Barker及其同事在20世纪80年代提出的。这一假说认为胎儿在孕期暴露于子宫内环境，可能导致子代出生后甚至成年期的负面健康效应［47］。研究表明，妊娠期是表观基因组重编程的关键时期，易受营养物质等外界环境因素的影响［48］。在动物模型中，无论是在子宫内还是在出生后，母体营养不良和营养过剩都可改变后代的表型［47］。表观遗传机制在生物体发育可塑性的调节中起着关键作用，DNA甲基化、组蛋白乙酰化、miRNA转录调节等是胎儿编程效应的重要机制。了解营养对表观遗传机制的影响可能有助于预测、预防或改善后代表型结果。

2.1 妊娠期草食动物营养在表观遗传学的研究进展

表观遗传学特指不涉及DNA序列变化的可遗传的基因表达研究［47］。目前，研究最多的2种表观遗传学修饰是甲基化（基因组DNA甲基化和组蛋白甲基化）和乙酰化（组蛋白乙酰化）。DNA甲基化是指DNA序列中的腺嘌呤（A）或胞嘧啶（C）碱基在甲基化转移酶的催化下与甲基发生共价结合，可在细胞分裂过程中传递给子细胞的表观遗传现象［49］。组蛋白甲基化在DNA甲基化的建立和维护中发挥了重要作用，尤其是组蛋白H3赖氨酸9（histone H3 lysine 9，H3K9）的甲基化［50］。甲基化涉及遗传物质稳定、基因表达调控、X染色体失活、转座子沉默、组蛋白修饰等多个方面［50］。大量研究表明，母源饲粮中的营养水平对胎儿的生长和发育至关重要，对后代DNA甲基化状态具有一定的调控作用。组蛋白乙酰化反应多发生在核心组蛋白N端εNH3+碱性氨基酸集中区的特定赖氨酸残基上，通过将乙酰辅酶A的乙酰基转移到赖氨酸上以中和正电荷，减弱DNA的相互作用，从而达到调节特定区域内基因活性的目的。组蛋白乙酰化削弱了组蛋白与DNA之间的静电亲和力，从而促进染色体结构接近转录基因机构，引起基因持续性改变［51］。组蛋白乙酰化是通过组蛋白乙酰化酶催化完成的。乙酰辅酶A参与主要的代谢反应，特别是三羧酸循环、糖酵解、脂质β－氧化和氨基酸代谢。主要营养素，如碳水化合物、脂类和蛋白质与组蛋白乙酰化有关。由此可见，甲基化和乙酰化反应是由多种营养因素催化的，提示表观遗传学与营养和能量代谢相关。

草食动物营养的表观遗传变化主要在生命早期发育中诱导形成，许多研究证实通过改变母体营养会使后代产生遗传分化。一般来说，在围产期，为了防止或限制高产奶牛能量负平衡，一般会在日粮中添加营养补充剂。Osorio等［52］利用瘤胃保护性蛋氨酸补充围产期荷斯坦奶牛日粮中的蛋氨酸，可提高后代PPARα基因及其靶基因（ANGPTL 4、FGF 21和pck1）在肝脏中的表达，改善犊牛的脂质代谢，首次证明了补充蛋氨酸对反刍动物成体组织的表观遗传效应。Lan等［53］在绵羊上也证明，妊娠期母体营养与胎儿组织中印记基因和DNA甲基转移酶的转录组和表观基因组改变有关联。可见动物营养策略不仅影响生产性能，而且影响自身及后代的表观遗传标记。

2.2 表观遗传相关技术在草食家畜育种中的应用

随着全基因组学技术的发展，动物功能基因组逐渐成为国内外研究的前沿和热点。表观基因组学领域的最新技术进展包括全基因组下一代测序、基因组位点动态成像、定量蛋白质组学和计算分析［54-55］。确定各种家畜表观修饰因子与动物群体的繁殖力、生产力、抗病力等表型变异的相关性，进而阐明表观遗传对家畜重要经济性状的影响，开展家畜分子育种，是今后动物遗传育种研究和应用的重要方向之一。

现有研究结果表明，基因组DNA可通过甲基化作用影响相关基因的转录和染色体的构型，从而实现动物生长发育及组织分化的精确调控［56］。在家畜生产中，表观遗传技术已经成为选种育种的有效手段，不仅对胚胎特定基因、特定区域进行DNA甲基化分子遗传标记，而且对动物的生产性状与基因调控进行深层次的机理研究。通常关于猪的研究侧重于杂种优势的表观遗传机制和高效利用，关于牛的研究偏向于异常克隆胚胎检测和犏牛雄性不育表观机制，而关于羊DNA甲基化的研究倾向于与经济性状相关的新型分子标记［57］。在动物育种中应考虑表观遗传调控及预测动物表型，以选择优良的后代。

全基因组遗传重组发生在胚子发生期间和早期胚胎发育阶段。了解环境对表观基因型的影响有助于设计促进家畜某些表观基因型表达的管理策略。因此，通过改善亲代营养和管理环境，可能对表观基因组的表达起到调控作用，改变后代表型。此外，如果已知给定的表观遗传状态对表型有影响，则表观遗传状态本身可被视为预测未来表型的基因组。鉴于目前的技术水平，家畜群体中是否存在大量可遗传的表观遗传变异是值得怀疑的。尽管如此，表观基因组时代带来了激动人心的发现和挑战，这些发现和挑战可能包含在畜牧业育种计划中。