血液轉(zhuǎn)錄組和代謝組在家畜繁殖中的研究進(jìn)展

康彥東，郭 憲

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部青藏高原畜禽遺傳育種重點實驗室，甘肅省牦牛繁育重點實驗室，蘭州 730050）

家畜繁殖管理水平直接關(guān)系到畜牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和人類生活質(zhì)量的提高。優(yōu)良的繁殖性能可以提高養(yǎng)殖效益，增加產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)家畜種群的改良和遺傳進(jìn)化。在實現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的過程中，家畜繁殖的研究顯得尤為重要。在家畜繁殖管理中，提高繁殖效益是至關(guān)重要的目標(biāo)。家畜繁殖的成功與否直接影響著其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和提高家畜繁殖效率，科學(xué)家們一直在尋求新的研究方法和技術(shù)來改善繁殖管理。

隨著生物信息學(xué)的快速發(fā)展，轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)作為其中兩個重要分支，已經(jīng)在家畜繁殖管理中發(fā)揮了重要的作用。轉(zhuǎn)錄組學(xué)用于研究轉(zhuǎn)錄過程中的所有RNA 分子，可以揭示基因的表達(dá)情況和調(diào)控機(jī)制，從而幫助了解家畜繁殖過程中的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及生物體內(nèi)的功能和特性。代謝組學(xué)則被用于研究生物體內(nèi)代謝產(chǎn)物的組成和變化，可以揭示家畜繁殖過程中的代謝調(diào)控機(jī)制，可以提供關(guān)于代謝通路活性、物質(zhì)轉(zhuǎn)化的信息，對于深入了解生物體的代謝狀態(tài)和生理功能非常有幫助，為改善繁殖效果提供理論依據(jù)。血液作為實現(xiàn)機(jī)體各器官間相互交流的介質(zhì)，也是全身循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，聚集了整個系統(tǒng)的代謝和轉(zhuǎn)錄變異，是確保系統(tǒng)功能之間靈活性聯(lián)絡(luò)的關(guān)鍵，可以反映出機(jī)體的整體狀態(tài)和代謝活動。因此血液具備系統(tǒng)地分析家畜生物學(xué)機(jī)制的潛力［1］。通過對血液轉(zhuǎn)錄組的研究，可以了解到家畜繁殖過程中基因的表達(dá)變化，從而找到與繁殖性能相關(guān)的關(guān)鍵基因［2-3］。同時，血液代謝組的研究可以揭示家畜繁殖過程中的代謝特征和代謝途徑的變化，為繁殖管理提供指導(dǎo)。血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組是通過高通量測序技術(shù)和質(zhì)譜分析技術(shù)，對血液樣本中的RNA 分子和代謝產(chǎn)物進(jìn)行檢測和分析。血液轉(zhuǎn)錄組可以通過測定mRNA的表達(dá)水平來了解基因的表達(dá)情況，常用的方法包括RNA 測序和微陣列技術(shù)。血液代謝組可以通過分析代謝產(chǎn)物的組成和變化來了解代謝活動，常用的方法包括質(zhì)譜分析和核磁共振技術(shù)。在當(dāng)前的家畜繁殖研究中，血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組的應(yīng)用已經(jīng)取得了一些重要進(jìn)展［1，4-6］。通過對血液樣本的分析，可以發(fā)現(xiàn)與繁殖性能相關(guān)的基因和代謝途徑，為精準(zhǔn)繁殖和選育提供科學(xué)依據(jù)。此外，血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組還可以作為評估繁殖健康狀況和預(yù)測繁殖效果的重要指標(biāo)。

血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組在家畜繁殖中的研究具有重要性和必要性。為此，文章對血液轉(zhuǎn)錄組和代謝組在家畜繁殖中的研究作一綜述，以期為血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組在家畜繁殖相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定參考。

1 血液轉(zhuǎn)錄組在家畜繁殖中的研究進(jìn)展

血液是生物體內(nèi)較容易獲取的生物液體，與其他組織相比，血液樣本可以隨著時間的推移反復(fù)取樣，且不改變動物的生理狀態(tài)［6］。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析是識別基因表達(dá)特征的有力工具［7］，血液作為一種高度可獲取的信息來源，是營養(yǎng)物質(zhì)、細(xì)胞和分析信號的主要通道。因此，使用血液轉(zhuǎn)錄組學(xué)可用于檢測家畜由于健康、繁殖狀態(tài)、飲食、營養(yǎng)或應(yīng)激而產(chǎn)生的生理狀態(tài)變化或開發(fā)新的傳染病生物標(biāo)志物［8］。

1.1 基因選擇

血液轉(zhuǎn)錄組作為一種容易獲取的基于轉(zhuǎn)錄的生物標(biāo)記物的來源，受到越來越多動物科學(xué)研究者的關(guān)注。早期、準(zhǔn)確的妊娠診斷對經(jīng)濟(jì)動物養(yǎng)殖場的有效管理具有重要意義。Shen 等［7］認(rèn)為，除了目前用于母豬早期診斷的方法外，外周血中的核酸可能含有一些妊娠早期特異性分子標(biāo)記物，其中有9 個包括LPAR3、RXFP4、GALP、CBR1、CBR2、GPX6、USP18、LHB和NR5A1在內(nèi)的基因被發(fā)現(xiàn)與早孕過程相關(guān)。該研究提供了一個線索，即母體外周血中差異豐富的RNA 有助于識別豬早期妊娠的分子標(biāo)記。戴豪楊［1］選擇高產(chǎn)奶性能和低產(chǎn)奶性能的荷斯坦奶牛為研究對象，利用高通量測序技術(shù)獲得全血液轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行等位基因特異性表達(dá)分析，篩選出兩個極端產(chǎn)奶性狀組相關(guān)表達(dá)的差異ASE（等位基因特異性表達(dá)）及相關(guān)通路，并利用生物信息學(xué)檢測奶牛血液中具有特異表達(dá)的等位基因，發(fā)現(xiàn)了DGAT1、STAT1、SLC36A1三個基因與奶牛產(chǎn)奶性能密切相關(guān)。武雪會［9］以荷斯坦奶牛為試驗牛，基于全血轉(zhuǎn)錄組探究影響奶牛乳蛋白產(chǎn)量的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制，生物標(biāo)志物和定量分析結(jié)果顯示，COL18A1可作為鑒定奶牛乳蛋白產(chǎn)量的潛在生物標(biāo)志物?？偟膩碚f，血液轉(zhuǎn)錄組在家畜基因選擇中的應(yīng)用廣泛且效果顯著，無論是在早期妊娠診斷還是在分子育種的轉(zhuǎn)錄調(diào)控等方面都顯示出其巨大的潛力和價值。這也預(yù)示著在未來，通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究，可以識別出哪些基因在家畜的繁殖過程中起著關(guān)鍵的作用，然后通過選擇性育種，激活或抑制這些基因，以加快分子育種的進(jìn)程。

1.2 病原體檢測

目前，研究者采用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)（RNA-seq）在不同的生物學(xué)應(yīng)用中（包括對疾病狀態(tài)、感染反應(yīng)和生產(chǎn)性能的理解）做出了重大貢獻(xiàn)，特別是在奶牛研究領(lǐng)域，利用血液轉(zhuǎn)錄組對高產(chǎn)與低產(chǎn)奶量的奶牛進(jìn)行區(qū)分，并發(fā)現(xiàn)等位基因特異性表達(dá)可能對奶牛的泌乳性能有一定影響。例如，針對低產(chǎn)奶牛，Li等［10］研究發(fā)現(xiàn)MAP4K4基因與泌乳奶牛乳房炎的發(fā)生相關(guān)。RNAseq也被廣泛應(yīng)用于傳染病的研究。例如，當(dāng)山羊受到BVDV-2 的感染時，其外周血單核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組會發(fā)生改變，這些改變主要涉及炎癥、防御反應(yīng)、細(xì)胞運(yùn)動、細(xì)胞因子/趨化因子介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等宿主免疫反應(yīng)。同時，RNA-Seq 技術(shù)還被證明可以準(zhǔn)確診斷早期牛結(jié)核病［11］。RNA-seq 技術(shù)還可以幫助理解遺傳標(biāo)記在疾病易感性中的作用。Wang等［12］的研究顯示，CCL20、IL13、MMP3和BLADQB基因可能作為金黃色葡萄球菌引起乳腺炎的遺傳標(biāo)記?？偟膩碚f，RNA-seq 技術(shù)在家畜疾病研究等方面展示出巨大的潛力，可以幫助深入理解家畜的基因表達(dá)模式及其在疾病發(fā)生和發(fā)展中的作用，通過觀察基因表達(dá)的變化，可以早期發(fā)現(xiàn)可能對繁殖產(chǎn)生不利影響的疾病或病原體。

1.3 環(huán)境適應(yīng)性

隨著RNA-seq 技術(shù)的應(yīng)用，目前對不同環(huán)境條件下生物的基因表達(dá)調(diào)控及功能適應(yīng)性變化有了更深入的研究。具體到血液轉(zhuǎn)錄組在適應(yīng)性方面的研究，以下主要從動物適應(yīng)高海拔低氧環(huán)境和北方惡劣氣候等方面進(jìn)行探討。

Pokharel 等［13］通過對歐亞大陸北部的本土牛種（如北芬牛和雅庫特牛）和商業(yè)品種（如荷斯坦牛）的血液進(jìn)行了RNA-seq 分析，認(rèn)為以上品種牛在免疫維持、惡劣氣候適應(yīng)以及抗病機(jī)制方面存在品種特異性。Verma1 等［14］對拉達(dá)克地區(qū)（海拔約5 500 m）牛和熱帶地區(qū)薩希瓦爾牛的血液轉(zhuǎn)錄組特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)INHBC、ITPRI、HECA、ABI3、GPR171和HIF-1α基因參與了缺氧和應(yīng)激反應(yīng)，這為理解這些牛種在高海拔適應(yīng)中起著關(guān)鍵作用提供了新的線索。以上研究結(jié)果說明，通過對血液轉(zhuǎn)錄組的深入研究，不僅可以了解動物適應(yīng)惡劣環(huán)境的基因表達(dá)調(diào)控和功能適應(yīng)性變化，還可以揭示不同品種之間在適應(yīng)性方面的差異，為動物育種提供重要的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

2 血液代謝組在家畜繁殖中的研究進(jìn)展

血液代謝組學(xué)是指通過檢測和分析血液中的各種小分子代謝物（包括糖、脂肪酸、氨基酸、核酸以及維生素等），來研究機(jī)體的代謝狀態(tài)，進(jìn)而反映出機(jī)體健康狀況，或診斷疾病的一門科學(xué)。因為血液在身體中流動，可以反映出全身的代謝狀況，所以血液代謝組學(xué)的研究對于醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷具有重要的意義，血液代謝組為家畜繁殖性能的提高提供了一種新的方法。

2.1 對繁殖性能的評估

血液代謝組學(xué)是通過監(jiān)測和分析動物血液中的代謝物來評估其生理狀態(tài)和繁殖性能的一種方法。多項研究表明，血液中特定代謝物的濃度與動物的生育能力、孕期長度等相關(guān)。丁鴻祥等［15］研究發(fā)現(xiàn)，空懷綿羊的糞便微生物和血清代謝物組成與妊娠綿羊存在明顯差異，腸道菌群與血清代謝物之間的相互作用可以影響母羊的妊娠生理狀態(tài)，并推測Berteroin 可能通過調(diào)節(jié)母羊的炎癥因子平衡來促進(jìn)妊娠的建立和維持。孫玲偉等［16］利用不同妊娠期的健康湖羊作為妊娠期動物模型，運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)探究了母羊在不同生理狀態(tài)下血液代謝組的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，母羊體內(nèi)主要差異代謝物與氨基酸代謝和脂類代謝相關(guān)。這表明代謝組學(xué)檢測平臺可以用于評估綿羊在不同妊娠時間點的血液代謝狀態(tài)。在湖羊的妊娠期中，氨基酸代謝和脂類代謝對滿足其營養(yǎng)需求尤為重要。血液代謝組學(xué)在家畜繁殖性能評價方面具有重要應(yīng)用價值。通過監(jiān)測血液中的代謝物，可以了解動物的生理狀態(tài)、繁殖能力以及妊娠過程中的營養(yǎng)需求，為進(jìn)一步深入了解動物的繁殖機(jī)制提供有力的依據(jù)，并為家畜繁殖管理和優(yōu)化提供了新的思路。

2.2 對疾病的預(yù)測和診斷

代謝組學(xué)技術(shù)在家畜疾病的早期診斷和預(yù)測方面具有重要的應(yīng)用潛力。通過監(jiān)測血液中的代謝物變化，可以發(fā)現(xiàn)某些繁殖相關(guān)疾病（如乳腺炎、子宮炎）的早期信號，從而實現(xiàn)早期診斷和預(yù)防。胡曉旭等［17］利用代謝組學(xué)技術(shù)研究了飼喂含有持久性有機(jī)污染物PCDD/Fs 的飼料對奶牛血液代謝組學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)含PCDD/Fs的飼料會引起試驗?zāi)膛hR內(nèi)源性配體等50個差異代謝物的變化，為探究PCDD/Fs 暴露的健康風(fēng)險生物標(biāo)志物提供了重要依據(jù)。郭延生等［18］使用GCMS 技術(shù)研究了熱應(yīng)激對奶牛血液代謝物及其代謝通路的影響，結(jié)果表明，熱應(yīng)激加劇了奶牛能量負(fù)平衡狀態(tài)，主要通過增強(qiáng)脂肪酸氧化和甘油分解代謝途徑活性以及抑制糖酵解過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和應(yīng)答。這些研究結(jié)果為進(jìn)一步闡明家畜疾病的發(fā)生機(jī)制提供了科學(xué)依據(jù)。張翠羽［19］使用1H NMR 和LC-MS 技術(shù)研究了圍產(chǎn)期維生素E 亞臨床缺乏奶牛血漿的代謝變化，結(jié)果顯示，圍產(chǎn)期VE 亞臨床缺乏會導(dǎo)致奶牛體內(nèi)糖類、脂類和氨基酸等多種代謝物的異常變化，為深入探究圍產(chǎn)期VE 亞臨床缺乏的發(fā)生機(jī)理和開發(fā)新的防治策略奠定了基礎(chǔ)。綿羊是季節(jié)性繁殖動物，空懷和卵泡囊腫是影響綿羊正常繁殖周期的常見問題。丁鴻祥［2］通過研究空懷綿羊和卵泡囊腫綿羊的糞便微生物多樣性和血清代謝組特征發(fā)現(xiàn)，多種代謝物可能與母羊卵巢囊腫形成有潛在關(guān)系，為解析該疾病的發(fā)生機(jī)制提供了線索。妊娠毒血癥（PT）是綿羊常見的一種營養(yǎng)代謝性疾病，但其發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明。鄒東敏等［5］使用非靶向代謝組學(xué)技術(shù)鑒定PT 綿羊與正常綿羊血液的差異代謝物，發(fā)現(xiàn)多個代謝物與PT 的發(fā)生有關(guān)，揭示了調(diào)節(jié)三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、2-氧羰基酸等代謝途徑在綿羊PT發(fā)生中的重要作用。綜上所述，血液代謝組學(xué)技術(shù)在家畜疾病的診斷和預(yù)測方面具有廣泛的應(yīng)用前景，可以幫助更好地理解疾病的發(fā)生機(jī)制并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

2.3 對飼料營養(yǎng)的優(yōu)化

血液代謝物的組成反映了動物對飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用情況。通過對血液代謝物的分析，可以為優(yōu)化飼料營養(yǎng)提供指導(dǎo)，從而提高動物的生產(chǎn)性能和繁殖效益。在山羊中，長期添加較高劑量的酒糟可能引起慢性中毒，導(dǎo)致肝臟和腎臟受損，鈣磷代謝紊亂以及乙醇代謝紊亂。多巴胺、2-呋喃酰甘氨酸、前列腺素I2 可能是該病診斷的潛在生物標(biāo)志物［20］。圍產(chǎn)期是奶牛泌乳周期中最關(guān)鍵的階段，也是奶牛生理和代謝容易發(fā)生紊亂的時期。研究表明，在圍產(chǎn)前期奶牛飼料中添加30 g/d 的蛋氨酸羥基類似物異丙醋可以通過調(diào)節(jié)奶牛的氨基酸和糖代謝水平來緩解圍產(chǎn)期能量和蛋白質(zhì)的負(fù)平衡狀態(tài)，并提高其機(jī)體的免疫和抗氧化功能［21］。這種調(diào)節(jié)作用可能與調(diào)節(jié)體內(nèi)氨基酸和糖代謝有關(guān)。徐志鵬［4］研究發(fā)現(xiàn)，漢麻草粉對黑山羊的多種代謝途徑，如氨基酸代謝、能量代謝和激素代謝產(chǎn)生影響。通過調(diào)節(jié)相關(guān)差異代謝物的水平，漢麻草粉改善了黑山羊的生長性能和免疫能力。因此，漢麻草粉可以作為一種優(yōu)質(zhì)的非常規(guī)飼草資源應(yīng)用于反芻動物的生產(chǎn)中。綜上所述，血液代謝組學(xué)分析在動物飼料營養(yǎng)和繁殖效益方面具有重要的指導(dǎo)意義。通過對代謝物的監(jiān)測和分析，可以了解動物對飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的利用情況，并針對性地優(yōu)化飼料配方，提高動物的生產(chǎn)性能和繁殖效益。

3 血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組在家畜繁殖中的結(jié)合應(yīng)用

血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組兩種技術(shù)結(jié)合使用可以提供更全面的信息，有助于深入理解血液中基因表達(dá)和代謝物水平的相互關(guān)系。將血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組兩種技術(shù)結(jié)合起來使用，可以更全面地了解血液中基因表達(dá)和代謝物的變化情況。通過分析兩者之間的關(guān)聯(lián)，可以深入研究某個生物過程或疾病狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)潛在的治療靶點或生物標(biāo)志物。此外，結(jié)合使用這兩種技術(shù)還可以幫助理解不同基因表達(dá)與代謝產(chǎn)物之間的相互作用機(jī)制，可以為疾病研究、分子育種等提供更準(zhǔn)確的信息。

在相同日糧和管理條件下，奶牛自身生理因素（生理階段、血液生化、血清激素水平）可初步反映奶牛乳蛋白產(chǎn)量（MPY）的差異原因。武雪會［9］結(jié)合血清代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)深入挖掘了造成奶牛MPY 差異的通路及調(diào)控機(jī)制，從生理角度研究如何提高奶牛MPY 奠定了基礎(chǔ)，該研究鑒定出了可以反映奶牛MPY 的生物標(biāo)志物，具有重要的實踐意義。在肉牛生產(chǎn)方面，背膘厚度（BFT）是一種間接預(yù)測全身脂肪含量的方法，因此，有研究對高BFT 和低BFT 的秦川牛血液進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組和代謝組的聯(lián)合分析，結(jié)果表明鞘脂代謝通過血液循環(huán)調(diào)節(jié)BFT，并發(fā)現(xiàn)了主要代謝產(chǎn)物（血清神經(jīng)酰胺和S1P）和關(guān)鍵基因（SMPD3和CERS1），這對高效養(yǎng)殖和高質(zhì)量牛肉生產(chǎn)具有重要意義［22］。

4 結(jié)語

隨著生物信息學(xué)技術(shù)的發(fā)展，血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組在家畜繁殖領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的研究進(jìn)展。血液轉(zhuǎn)錄組研究有助于了解家畜繁殖過程中基因表達(dá)的變化，揭示與繁殖性能相關(guān)的關(guān)鍵基因，為精準(zhǔn)繁殖和選育提供科學(xué)依據(jù)。血液代謝組研究則揭示繁殖生理過程中的主要代謝特征和代謝途徑的變化，為繁殖管理提供重要指導(dǎo)。這兩種技術(shù)對于評估繁殖健康狀態(tài)、預(yù)測繁殖效果以及優(yōu)化飼料營養(yǎng)具有重大意義。未來，血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組將進(jìn)一步廣泛應(yīng)用于家畜繁殖研究，如更深入地探討疾病的發(fā)生機(jī)制、疾病預(yù)防和早期診斷等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，如高通量測序技術(shù)和質(zhì)譜分析技術(shù)，將有可能揭示更多未知的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和代謝通路，這將為改善家畜繁殖管理提供更精確、更高效的方法和策略。此外，還期待看到更多將血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組兩種技術(shù)結(jié)合使用的研究，以全面地理解基因表達(dá)與代謝物水平之間的相互關(guān)系，深入研究生物過程或疾病狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)潛在的治療靶點或生物標(biāo)志物。血液轉(zhuǎn)錄組和血液代謝組在家畜繁殖研究中的應(yīng)用具有巨大的潛力和影響力。尤其是，在實現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的過程中，這兩種技術(shù)可以幫助科學(xué)家們尋找新的研究方法和技術(shù)，從而提高家畜生產(chǎn)力及繁殖潛力。