代谢组学在家畜疾病研究中的应用

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]。

4 展望

代谢组学是组学时代的后起之秀，朝气蓬勃且潜力无穷。近年来，代谢组学技术被用于小分子代谢标志物的筛选、验证及临床转化，开启了动物疾病的早期诊断和无创诊断的新篇章。组学技术的联合运用，多层次多角度地挖掘动物疾病的发病机理，对家畜疾病的诊断和预防裨益无穷。代谢组学的发展方兴未艾，亟需解决的仍有以下问题。

1)样本的有效含量保证。

2)样品处理方法的标准化制定。

3)分析方法的合理选用。

4)实验成本的切实降低。

这些问题制约了代谢组学在兽医学领域的广泛推广以及其他新领域的探究使用。但随着代谢组学技术的优化，以及在家畜疾病诊断和治疗应用领域的不断探索和升级，代谢组学必能满足家畜疾病临床诊断乃至兽药研发的需求，为解析动物体表型呈现和基因表达的相互关联提供广阔前景。