代谢组学分析技术在动物营养学研究中的应用进展

王永强，谢红兵，贺永惠，刘长忠*，张文举

（1.河南科技学院动物科技学院，河南新乡 453003；2.石河子大学动物科技学院，新疆石河子 832000）

畜牧业的快速发展使中国的饲料资源匮乏、抗生素滥用、饲料安全受到威胁等问题逐步显现，这对动物营养与饲料科学的研究和发展提出了新要求，因此开发新型绿色饲料成为未来饲料工业发展的必然。然而，饲料营养组成的复杂性使新型饲料对动物整体的影响及作用机理研究成为限制动物营养与饲料研究发展的瓶颈。代谢组学作为系统生物学的重要分支和后基因组时代的产物，其研究对象是生物机体内基因表达的终端产物，可更直接、灵敏和准确地反映生物体的整体变化状况和生理特点，进而使复杂生物体或生物过程的深入研究成为可能，因而代谢组学越来越受到科学界的推崇[1]。目前代谢组学已应用于医学、微生物学以及营养学等多个领域，同时也演变出了医学代谢组学、微生物代谢组学、营养代谢组学等新型分支学科[2-3]，但目前将代谢组学分析技术运用于动物营养学领域的研究较为欠缺，尚处于起步阶段。因此，本文就目前代谢组学分析技术在动物营养学中的研究与应用进行综述，为其在该领域的深入研究提供参考。

1 代谢组学概述

代谢组学（Metabonomics/Metabolomics）是Nicholson在Oliver 的代谢组概念基础上提出的研究生物体被扰动后其代谢产物的种类、数量及其变化规律的科学[4-5]，它通过研究复杂的生物整体（器官、组织或细胞）的内源性或外源性小分子代谢产物（分子质量＜1 000）的代谢表达谱、代谢途径及其所受内在和外在因素的影响和随时间变化的规律，从而更深层次地揭示生物体的代谢特征[6]。作为一种高通量、高灵敏度、高精确度的分析技术，代谢组学的研究平台和研究策略也根据研究对象和目标不断地完善检测方法和统计方法，目前运用于动物营养与饲料科学领域所涉及的代谢组学方法主要建立在微生物代谢组学和营养代谢组学的基础上。代谢组学的研究平台目前主要包括核磁共振技术（NMR）、气相色谱质谱联用（GC-MS）、液相色谱质谱联用（LCMS）和毛细管电泳-质谱（CE-MS）[7-9]。利用各分析技术平台进行代谢组学研究各有其优劣，详见表1。

2 代谢组学在动物营养与饲料科学中的应用研究

从系统全局来研究动物营养将成为对传统动物营养学理论和技术体系实现根本性战略转变的发展趋势，而代谢组学技术的应用将是推动系统动物营养学发展的最强力工具或助推器[13]。

2.1 饲料营养物质代谢及调控机理的研究 代谢组学对成分复杂的饲料样本的研究优势在于其将传统的营养代谢研究发展为营养代谢途径、动态代谢过程以及代谢网络的研究，可全面、快速和准确地反映饲料被动物消化后的所有小分子代谢物的变化过程，并可定性定量这些物质在动物体内的动力学变化，从而揭示其调控作用机理和营养代谢机制[14]。用代谢组学的方法构建评估模型代替传统的生物法，可实现大量重复数据的采集与分析，这将为新型饲料在精细养殖中的应用提供更准确的数据支持[15]。动物饲料及饲养环境条件变化、营养供给种类及供给量、动物饲养管理等因素所引起的动物体内的代谢变化，都可以用代谢组学方法来进行系统的代谢物差异对比及代谢机理分析；此外，代谢组学方法也可用于考察营养的适宜供给量，揭示营养物质的代谢机理，对营养素缺乏或过剩造成的危害也可根据机体代谢产物的种类、功能和作用途径等进行相关的机理分析。He 等[16]研究发现，利用代谢组学技术有助于解析氨基酸和代谢之间的复杂关系，从而确定饮食中氨基酸在维持健康和减少疾病中的作用；Toue 等[17]利用代谢组学技术研究了可以反映大鼠蛋氨酸过量的生物代谢标识物，并发现高半胱氨酸是判断大鼠蛋氨酸是否过量的良好指标之一；Matsuzaki 等[18]利用GC-MS 平台结合基因芯片技术研究发现过量亮氨酸会导致机体氮代谢加强，并且发现尿中出现α-酮异己酸可作为机体亮氨酸最高上限的特征性标记物。以上研究均为代谢组学在饲料营养物质代谢及营养调控机理的研究奠定了基础。

表1 代谢组学主要研究技术平台的优缺点[10-12]

2.2 饲料或添加剂的营养学评价 利用代谢组学方法可对饲料或添加剂所含有的代谢产物及其对动物消化代谢的影响等进行系统评估，这对准确评价饲料及添加剂的优劣、分析其有益活性成分及评估其饲喂效果等具有重要的意义。聂存喜等[19]利用LC-MS 代谢组学平台对不同酵母菌发酵棉粕的代谢产物进行了代谢组学研究，发现蛋白饲料经过不同酵母发酵后其营养特性显著改善，酵母发酵棉粕中的活性物质较对照组显著增加，尤其是小肽、氨基酸等多种有益代谢产物；Sun 等[20]应用基于GC-TOF/MS 的代谢组学方法评估了饲喂玉米秸与苜蓿日粮对泌乳奶牛泌乳性能和瘤胃代谢的影响，发现饲喂不同日粮的奶牛的泌乳性能的高低与其瘤胃中氨基酸等营养物质的代谢通路变化紧密相关，这对饲料饲养效果的评估和科学利用有重要的参考价值；Cheng 等[21]采用基于1H-NMR 的代谢组学方法研究了饲料中添加本地鱼粉、酵母粉、贻贝粉等蛋白饲料替代大西洋鱼粉饲喂10 个月后对鱼类血浆、肝脏和肌肉等代谢谱的影响，结果发现试验组鱼类血浆或组织中甜菜碱含量较高，三甲胺-n -氧化物和芳香氨基酸含量较低，这对降低饲料成本、改善饲料性能有指导性意义。

2.3 饲料质量及安全的检测与控制 代谢组学在化学及毒理学领域的应用与发展对饲料品质检测和控制具有重要的指导意义[22]。实践证明，在饲料质量及安全检测与控制中，代谢组学技术可发挥其重要的辅助检测和准确定位的作用，可全面而准确地确定饲料中有害因子的生物标志物和特异性代谢谱，从而建立生物标志物与有害因子之间的量效关系并建立检测标准，随着各种有害因子标志性代谢物特征库的建立和建全，代谢组学在饲料品质检测和安全控制中的应用必将更加便利、快捷和准确，这对未来饲料的品控及安全检测意义重大。目前，我国政府也针对于此制订了相关的标准[23]，但还不够完善。窦春艳等[24]利用代谢组学方法找到三聚氰胺污染饲料致大鼠肾毒性尿液中的17 种差异代谢物以及肾脏组织中的11 种物质为可能特征代谢物；严涛等[25]对灌服玉米赤霉烯酮后的大鼠进行了尿液和血液代谢组学研究，结果证明玉米赤霉烯酮可影响大鼠的糖酵解、蛋白质的生物合成和肠道菌群代谢等，引起机体的氧化应激；De Pascali 等[26]利用代谢组学对喂给仔猪5 种霉菌毒素的药物混合物后对仔猪尿液中的代谢物进行了差异代谢物分析和准确评价；吴玉苹[27]利用非靶向代谢组学技术研究了饲喂含有β2-受体激动剂（克伦特罗、沙丁胺醇、莱克多巴胺等）的饲料的猪只尿液中的残留，并筛选出了2 种潜在生物标志物，即2-吲哚甲酸和氟米龙醋酸酯，这对动物饲料中瘦肉精等违禁药物的检测有重要的指导意义。另外，目前我国的饲料掺假现象仍然存在且掺假技术水平也越来越高，如何能准确高效地进行饲料掺假及其品质鉴定就成为饲料质量评定一大难题。现已有代谢组学技术在掺假食品的评估鉴定中的应用相关报道，如Cosima[28]建立了用MALDI-TOF 质谱检测的方法并可有效地检测羊奶和山羊奶掺假，这对于应用代谢组学检测掺假饲料等实践操作具有重要的指导意义。

2.4 动物营养状态的评价与监控、营养代谢病的诊断和发病规律研究 动物的营养失衡（营养的缺乏和过剩）对代谢平衡的干扰均会影响动物的健康状态[29]。营养失衡将导致体内正常的代谢平衡失调，若长时间处于营养失衡状态，则动物可能出现营养代谢病，表现为营养性疾病和代谢障碍性疾病，包括糖、脂肪和蛋白质代谢紊乱，矿物质和水代谢紊乱，维生素和微量元素缺乏与过多症等几个部分等[30]。应用代谢组学技术可以实现对动物营养状态的系统全面和动态的分析，并对此过程进行科学描述、评价和监控，以便及时发现和预测动物的营养代谢病的隐患，并尽早地解决此类疾病对动物生产的影响，最大程度地规避风险。对患有营养代谢病的动物可利用代谢组学技术进行特异性标志代谢物的筛查，并对其发病规律进行深入研究。Noguchi 等[31-32]利用代谢组学技术研究代谢产物与摄入过量的蛋白质和氨基酸的相关性，确定了氨基酸的安全摄入范围，该方法对寻找氨基酸过量摄入而发生代谢响应的特征代谢物具有重要意义，其在后续研究中又发现氨基酸代谢谱有助于揭示动物的特定生理状态；施寿荣[33]利用代谢组学和转录组学联用技术发现脂类物质代谢在腹水综合征肉鸡上发生了异常，二羟基丙酮可能是低温诱导腹水综合征肉鸡的潜在代谢标志物，而甘油磷脂类物质氧化生产溶血甘油磷脂类物质是早期腹水综合征肉鸡发病的重要机制；Hailemariam 等[34]利用基于LC-MS 平台的代谢组学技术分析了围产前期和围产后期的奶牛的营养状态，发现肉毒碱、丙酰肉毒碱等3 个特异性生物标志物可能与奶牛围产期疾病紧密相关；李民等[35]以LC-MS为技术平台对营养不良的大鼠血浆代谢物进行了代谢组学研究，发现营养不良组大鼠血浆中的肉毒碱和色氨酸含量较对照组增加，而亚麻酸、二十二碳六烯酸、花生四烯酸、甜菜碱和棕榈酰肉碱等含量均降低，这些小分子物质与大鼠营养不良紧密相关。以上研究表明，代谢组学可作为动物营养不良指标和营养代谢病的特异性标志代谢物等的有效筛选方法，这也使对动物的营养状况监控和代谢病发生规律的研究成为可能。

3 展 望

目前，对动物营养与饲料科学的研究已不仅仅是关注饲喂效果，而更多将重点转移至饲料营养物质代谢规律与作用机理的探讨上，并向着预测营养过程、控制营养过程、降低营养损耗及排除营养代谢疾病的方向发展。代谢组学的发展方向是集成系统生物学，即多系统集成，包括多组学集成联合应用研究和多平台集成联合应用研究，在未来的研究中需要注意以下问题。

3.1 完善研究策略

3.1.1 多组学集成联合应用研究 对于复杂的动物饲料生物样本进行多组学联合应用，即在代谢组学研究的基础上，结合蛋白组学、转录组学或基因组学等技术对生物系统进行深入的系统分析[36-37]，可以更系统、更精确、更透彻地对生物代谢物变化的影响机制进行深入的生物数据挖掘和代谢调控机理的探讨，这也是系统生物学未来发展的必然趋势。

3.1.2 多平台集成联合应用研究 进行代谢组学研究的不同技术平台现仍存在着各自的检测局限性，为相互取长补短，多检测平台联合应用是一种最有效的方式。如可将NMR 平台检测结合GC-MS 或LC-MS 进行动物采食饲料后的血浆代谢组学检测，或将样本通过GC-MS与LC-MS 平台联合检测，在多平台联合检测的基础上，将多种软件集成应用于代谢数据的分析和数据挖掘，这不仅提高了代谢物检测范围、检测精度，同时还大大缩短了检测时间，提高了检测效率[38-39]。

3.2 建立和完善营养与饲料代谢组学的研究机制，促进其在饲料工业中的应用 限于成本，目前代谢组学技术主要应用于疾病诊断领域、药物开发领域、食品工业领域等，但在动物营养与饲料领域的研究较少。动物的营养与饲料品质的优劣将直接对动物产生影响并间接影响人类的健康，因此未来的研究必将关注动物福利、动物安全、动物性食品的营养及品质等，加强动物的营养与饲料的研究，建立和完善动物营养与饲料代谢组学的研究机制和执行标准就成为未来动物营养与饲料科学领域研究的重中之重，并且随着研究的深入开展和平台技术的不断成熟，代谢组学的检测费用亦会有相应降低，因此，其应用将越来越普遍。

3.3 代谢组检测数据的分析方法将不断完善 组学时代的来临预示着大数据运算分析和进行科学的生物学解释已经成为未来科学研究发展的瓶颈之一，如何从大量数据中找出最有价值的数据并进行分析、定性、定量和验证将成为新型组学研究发展的难点[40]，针对动物的营养与饲料代谢组学应尽快建立和完善其数据分析和解释的科学方法，这也将是未来饲料代谢组学研究的重点和难点之一。

3.4 建立和完善营养代谢物数据库 未来生物科学研究和发展的另一瓶颈就是建立全面、无偏向选择的、功能完善的全代谢物数据库，代谢组学正是对这些代谢物进行检测和评定的有效手段。随着检测方法标准的建立，动物营养与饲料代谢组学数据库也将逐步建立并不断充实完善，更多更新的生物标记物以及新的代谢途径和代谢网络等将被揭晓，饮食与代谢谱以及不同代谢谱与健康和疾病间的关系也将逐步确立和公布；对动物饲料等进行营养价值评定和质量优劣的评价也将更准确可靠。利用代谢组学数据库及相关资源，可以评估动物个体的营养健康状况并预测其生长发育趋势，并通过饮食、药物干预或改变生活习惯等对个体的营养代谢进行调整，从而促进动物的生长发育，并减少营养性疾病的发生。