代谢组学在畜禽遗传育种中的应用分析

金森

（江苏省常州市武进区畜牧兽医中心 213161）

从20 世纪70 年代末以来，随着改革开放的深入，我国城乡居民物质生活水平快速提升，不仅对肉蛋奶等传统畜禽产品的需求量有不断增加趋势，且对畜禽产品的品质也提出更高要求。但目前国内部分优良畜禽品种核心种源仍依赖进口，全部白羽肉鸡祖代、大部分优质种牛精液和胚胎需从国外引进，有自主知识产权的畜禽种业则处于起步阶段。

代谢组学，即应用分析化学技术全面鉴定和定量分析生物样品内大量小分子代谢物，其在生物医学、营养学等科研领域中均有应用，很多学者陆续投身到利用代谢组学技术和方法研究畜禽育种相关问题。

1 代谢组学的分类

代谢组学的研究对象以相对分子质量低于1000 的小分子物质为主，迄今为止，已有114100 个代谢分子被收进人类代谢组学数据库内。依照理化性质的不同，可以把代谢组学含有的物质分成氨基酸类、肽类、能量类、脂类等；参照代谢分子生成来源的差异，其有内源性与外源性之分；依照研究策略的差异，代谢组学研究可被分成靶标、靶标代谢[1]。

2 检测平台

核磁共振仪（MMR）、质谱仪（MS）、色谱-质谱联用仪（C-MS）等均是研究高通量代谢组学的常用仪器，既往国外有学者研究了以上检测技术平台的特性（见附图），结果发现，MMR 是应用最早的基础，其最大的优点是能快速完成样品检测前期的预处理工作，且基本不会损坏试样；但在灵敏度方面不占优势，仅能检出浓度在μmol/L～mmol/L 范围中的代谢分子。MS 的特点有灵敏度高、转移性强等，能精准的检出浓度nmol/L～pmol/L 的分子，近些年中，气相色谱-质谱（GCMS）、液相色谱-质谱（LC-MS）技术在代谢产物领域中逐渐被应用，检测范围十分宽广，但前者应用时制备样品过程过于烦琐，可能会导致样品发生质变，故而推广受限。

附图 不同代谢组学检测平台的灵敏度

3 代谢组学的实践应用

3.1 分析畜禽体液的重要代谢分子

既往大部分学者利用MMR、MS 技术去检测分析血浆、尿液、乳汁等试样代谢分子，故而开展的相关研究较多。国内有学者曾应用代谢组学技术检测不同试样和物种，共计获得了1070 个代谢分子，将其收录至LMDB 内。在不同畜禽血浆、血清及物质内检测到的代谢分子量分别是408、351、422 个。

3.2 预估代谢遗传参数

在生活习惯、客观环境等因素的作用下，畜禽机体内的代谢水平会出现一定变化，故而每个畜禽样品的代谢组学图谱仅能表现出该个体在特定时间中的代谢状态。选用代谢分子表达量作为中间形状开展畜禽遗传学分析工作阶段，需要精准掌握代谢分析表型变异的具体数额，即预估代谢分子表达水平对应的遗传参数。

有研究人员曾选择蓝牛、泽西牛、瑞士褐牛等牛乳试样开展检测工作，发现牛乳内不同类型长链脂肪酸代谢分子遗传力在0.05～0.38 区间，对应的遗传相关为-0.06～0.084。也有学者成功预估了首次泌乳奶牛血清代谢分子的遗传参数，统计发现，葡萄糖、非酯化脂肪酸、遗传力分别是0.12～0.39、0.080.35、0.08～0.40。也有研究人员预估了456 头丹麦荷斯坦奶牛与436 只丹麦泽西牛的牛乳代谢分子遗传力，发现乳清酸与遗传力均高于0.8。

在研究家猪过程中，重点预估了和肉质性状有关的各类型长链脂肪酸的遗传力，如有人通过大量研究分析后指出，长链多不饱和脂肪酸的遗传力通常高于0.5。也有研究人员曾将肉鸡高、低脂双向选择品系作为试样进行研究，预估了数项血液生化指标的遗传参数，总结发现，总胆汁酸、肌酐的遗传力范围均在0.60～0.85 之间。有人采用MS 技术检测大白猪与杜洛克猪的血浆、血清成分。检出代谢分子数达180 种，前者体内乙酰鸟氨酸高表达，后者高表达的是鞘磷酸。

3.3 鉴定品种

在分析牛、猪、羊、鸡等畜禽代谢组学时选择血清、组织等作为研究样品材料，挑选出部分代谢分子作为辨识畜禽品种的生物标记物。目前，国内外均发表了数篇文献报道以上不同品种畜禽在代谢分子表达上的差异。如He 等应用代谢组学法对比了肥胖型、瘦肉型家养猪两者血清代谢图谱的差异，结果发现和后者相比较，前者血清内胰岛素、脂质、糖蛋白、丙酮酸盐、肌酸的水平明显提升，但其机体中葡萄糖与尿素含量偏低。也有研究人员利用LC-MS 技术检测来航鸡与商品肉鸡的脂肪组织，研究中共计检出92 种代谢分子，和商品肉鸡相比，Fayoumi 与来航鸡脂肪组织中的肉碱、鸟苷、腺苷含量明显增多。

3.4 分析代谢分子的全基因组关联

结合既往基因组学研究成果，尤其是搭建全基因组SNP 标记检测平台，将血清、尿液等体液检测到的代谢分子表达量设定成表型值，分析了代谢分子全基因组额度关联性，这是耦合代谢组学与基因组学的重要一环，也是当下代谢组学基于遗传学进行研究的始发点，对代谢分子功能与遗传控制研究过程均能起到一定的促进作用。结合既往已发表的文献不难发现，在人类代谢组学mGWAS 研究方面取得的成绩是丰满的，但与畜禽mGWAS 研究相关的报道偏少，研究对象以牛、猪为主，如现已证实，筛选出的DGAT1、FASN、SCD、ELOVL 等基因与牛乳液、肌肉内各类不同链长的脂肪酸含量之间存在一定的相关性；而FASD、ELOVL 等候选基因影响家猪最长肌中脂肪酸含量的高低。

3.5 和畜禽主要经济形状有关的代谢分子鉴定

代谢组学所呈现的小分子物质的生成和代谢情况能精准、直接地表现出畜禽生理状态及表型，可将其看成是表现出复杂表型分子的方法。对于表型数据来说，能更快速地实现对代谢分子标准化、大批量的分子检测分析，故而通过检测能获得精准度更高的数据信息。筛选和重要经济形状或疾病有关的代谢分析，是目前国内外代谢组学研究领域中的重点。

在人类代谢组学研究过程中，采用对比参照和处理不同组织质检的代谢组学区别，能成功筛选出表征疾病相对应的生物标记，也可通过整合分析代谢组学和他类组学的过程，成功筛选出对复杂疾病发生、发展过程形成影响的关键性代谢分析。

在畜禽群体中，目前主要通过研读代谢分子和主要经济性状二者的关联性或差异性分析方法筛选出生物标识，育种人员也希望在实际生产中应用以上过程筛选所得的代谢作为生物标记物，并将其用在标记辅助选择范畴中，借此方式提升选择的精准度。目前，已成功筛选出部分代谢分子用于标记奶牛产奶性状或疾病，尿碳酸酐酶-IV 可以用在生猪肾病诊断标记领域中，鸡腹水综合征可以采用甘油磷脂等进行标记。随着畜禽基因组数据信息的累积，越来越多的学者投身到代谢组学与基因组、转录组的数据研究领域中，并且试图建设了相应的关系网络，进而精准的筛选出有关的生物标记，更深刻的阐明有关性状的遗传机制。

4 结束语

目前，代谢组学在疾病预测、遗传学及药物设计等领域中均有广泛应用，并且还创造性的发明了畜禽育种技术，如在特定生理状态标记代谢分子的协助下实现筛选、培育畜禽，或利用代谢组学信息探析畜禽机体潜在的遗传差异。在代谢组学持续发展阶段，该项技术在畜禽育种领域中的应用范畴将不断拓展，为研究分析复杂度更高的遗传学机制问题提供可靠基础。