代謝組學(xué)及其在動物營養(yǎng)中的應(yīng)用

王郝為 吳端欽

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙 410205)

代謝組學(xué)及其在動物營養(yǎng)中的應(yīng)用

王郝為 吳端欽*

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙 410205)

代謝組學(xué)是對內(nèi)源性代謝物的綜合評估，可以實現(xiàn)來自生物樣品的代謝物及其相關(guān)代謝途徑的分離、檢測、表征和定量，以此來反映生物機體的營養(yǎng)代謝變化、營養(yǎng)狀況甚至一些疾病的發(fā)展程度等。然而，代謝組學(xué)技術(shù)在動物營養(yǎng)中的研究起步較晚，目前尚處于起始階段，不過隨著代謝組學(xué)研究平臺的不斷完善，該技術(shù)在動物營養(yǎng)中的應(yīng)用價值必將日漸突出。本文就代謝組學(xué)的概念特點、分析技術(shù)及其在動物營養(yǎng)中的應(yīng)用作一綜述。

代謝組學(xué)；動物營養(yǎng)；應(yīng)用進展

隨著后基因時代的到來以及科學(xué)技術(shù)的不斷進步，動物營養(yǎng)學(xué)已由傳統(tǒng)地研究養(yǎng)分消化吸收、養(yǎng)分的功效、飼料的營養(yǎng)價值以及動物營養(yǎng)需要量逐步擴展到營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)節(jié)機制、宏觀層次的營養(yǎng)信息傳遞機制、動物機體自我營養(yǎng)調(diào)控功能以及環(huán)境對機體營養(yǎng)代謝影響的機制等多個方面[1]。因此，傳統(tǒng)的動物營養(yǎng)分析手段諸如化學(xué)分析、消化代謝試驗、平衡試驗以及飼養(yǎng)試驗技術(shù)等，已無法滿足動物營養(yǎng)研究中越來越大的技術(shù)需求[2-3]。而代謝組學(xué)技術(shù)可以揭示生物反應(yīng)過程以及代謝通路中的代謝規(guī)律，從而發(fā)掘在疾病診斷和營養(yǎng)評定時的潛在生物標(biāo)記物，這為動物營養(yǎng)研究提供了重要的新思路[4-5]。

然而，代謝組學(xué)作為一種最新的組學(xué)技術(shù)之一，是一個多學(xué)科交叉的技術(shù)手段，需要使用1種或多種精密的測量儀器，樣品處理及分析技術(shù)要求高，標(biāo)準(zhǔn)的代謝物圖譜庫需要進一步完善且數(shù)據(jù)分析挖掘復(fù)雜，這些在一定程度上制約了代謝組學(xué)技術(shù)在動物營養(yǎng)中的應(yīng)用。本文綜述了代謝組學(xué)的概念特點、分析技術(shù)及其在動物營養(yǎng)中的應(yīng)用，并從研究營養(yǎng)干預(yù)對動物機體的影響、動物營養(yǎng)需要量、內(nèi)源性代謝物與個體間的代謝差異以及動物疾病機制和診斷4個方面介紹了代謝組學(xué)在動物營養(yǎng)研究中的具體應(yīng)用，以期為代謝組學(xué)技術(shù)在動物營養(yǎng)研究中的廣泛應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 代謝組學(xué)的概念和特點

代謝組是指某一生物或細(xì)胞所有的代謝物，而代謝組學(xué)則是動物體對內(nèi)外界刺激前后所產(chǎn)生的小分子代謝物(分子質(zhì)量小于1 000 u)及其相關(guān)代謝途徑的定性和定量分析，進而研究動物整體的系統(tǒng)代謝圖譜和功能調(diào)控，揭示動物機體代謝本質(zhì)的新興技術(shù)和新興學(xué)科[6-7]。代謝組學(xué)按其研究目的可分為靶向和非靶向代謝組學(xué)，其中，靶向代謝組學(xué)一般是關(guān)注1種或幾種相關(guān)的代謝通路，并通過對比樣品和標(biāo)準(zhǔn)品定量特定的代謝物[8]；而非靶向代謝組學(xué)則是全面檢測生物體整個代謝組，尋找并分析盡可能多的代謝通路，并鑒定差異代謝物的化學(xué)結(jié)構(gòu)[9]。目前大多數(shù)的代謝組學(xué)研究都是以非靶向為研究策略[10]。

代謝組學(xué)雖可以說是基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的延伸，但相比這2種組學(xué)，代謝組學(xué)技術(shù)具有許多優(yōu)點?；蚪M學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)是分別從基因和蛋白質(zhì)的水平研究動物機體的，而實際上某一個基因或蛋白質(zhì)的丟失可能會因其他的基因或蛋白質(zhì)而得到補償，結(jié)果對動物機體未造成損傷，因此，研究對象針對小分子質(zhì)量代謝物的代謝組學(xué)技術(shù)才能夠準(zhǔn)確地詮釋生物體的生命活動[11]。并且，代謝物的種類和數(shù)目遠(yuǎn)少于基因和蛋白質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)也相對較簡單，代謝組學(xué)研究中更是放大了基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的微小變化，再加上不需建立全基因組測序及大量表達(dá)序列標(biāo)簽的數(shù)據(jù)庫，使代謝組學(xué)檢測技術(shù)相對較容易[12]。此外，代謝物在各個生物體系中都是一致的，所以代謝組學(xué)研究中所采用的技術(shù)更通用也更易被人們接受。

2 代謝組學(xué)的分析技術(shù)

代謝組學(xué)的研究過程一般包括樣品的制備、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模式識別分析與生物機理分析等步驟[13]。代謝組學(xué)技術(shù)的最大優(yōu)勢在于可以借助不同的現(xiàn)代分析技術(shù)，定性、定量研究細(xì)胞提取物、組織提取物(藥物、病毒、細(xì)菌)以及各種體液(血液、尿液、唾液、腦脊液等)的代謝圖譜，并結(jié)合模式識別分析法得到圖譜的特征變量[14]，再依照代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫鑒定相應(yīng)的代謝物，從而通過了解這個代謝物的代謝通路或代謝途徑對動物體的生命活動進行詮釋[15]。

目前，代謝組學(xué)的分析技術(shù)為高通量檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。常用的代謝組學(xué)檢測技術(shù)有核磁共振(NMR)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(LC-MS)。其中最常見的是NMR，此技術(shù)由于具有對樣品損傷性小、檢測無偏向、樣品用量少、預(yù)處理簡單以及測定時間短等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于樣品中成分比較復(fù)雜的分析檢測[16-17]；GC-MS技術(shù)適用于檢測分子質(zhì)量比較小的代謝物[18]，它的優(yōu)點是標(biāo)準(zhǔn)譜的圖庫比較完整、分辨率高以及分離效果好[19]，但此技術(shù)很難對樣品中難揮發(fā)的代謝物進行分析；LC-MS技術(shù)可以很好地補充甚至替代GC-MS技術(shù)[20]，在代謝組學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，現(xiàn)已拓展到高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-MS)和超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(UPLC-MS)，此類技術(shù)具有選擇性好、靈敏度高及動態(tài)范圍寬的優(yōu)點[21]。另外，代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)包括以模式識別分析為主的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析和更深層次的個性化數(shù)據(jù)分析[22]。模式識別分析的目的是應(yīng)用一系列的化學(xué)計量學(xué)和多元統(tǒng)計分析方法得到圖譜的特征變量，它一般包括主成分分析(PCA)、偏最小二乘法判別分析(PLS-DA)和正交偏最小二乘法判別分析(OPLS-DA)等[23-24]。數(shù)據(jù)深層次挖掘分析有助于我們找到關(guān)鍵代謝通路，如差異代謝物的京都基因與基因組百科全書(KEGG)分析和層次聚類分析等[25-26]，通過對這些代謝和調(diào)控通路的分析可以更全面、系統(tǒng)地了解試驗條件改變導(dǎo)致的生物學(xué)過程的改變、性狀或疾病的發(fā)生機理和藥物作用機制等生物學(xué)問題。

3 代謝組學(xué)在動物營養(yǎng)研究中的應(yīng)用

在動物營養(yǎng)學(xué)中，營養(yǎng)物質(zhì)代謝的生理、生化機制是很重要的研究內(nèi)容，然而在這方面研究中過去一直受制于技術(shù)落后，不過隨著代謝組學(xué)技術(shù)的應(yīng)運而生及蓬勃發(fā)展，動物營養(yǎng)學(xué)研究的瓶頸逐漸得到了緩解。代謝組學(xué)在動物營養(yǎng)研究中的應(yīng)用主要包括營養(yǎng)干預(yù)對動物機體的影響、動物營養(yǎng)需要量的估測、內(nèi)源性代謝物和個體間的代謝差異以及動物疾病機制和診斷等。

3.1 評價營養(yǎng)干預(yù)對動物機體的影響

代謝組學(xué)技術(shù)在營養(yǎng)干預(yù)對動物機體影響的研究中發(fā)揮著巨大作用，主要通過研究營養(yǎng)干預(yù)引起的內(nèi)源性代謝物的變化，從而反映動物體內(nèi)代謝過程和狀態(tài)的變化。通過調(diào)整營養(yǎng)干預(yù)促使動物達(dá)到最佳健康狀況是今后動物營養(yǎng)學(xué)發(fā)展的主流方向。

谷氨酰胺作為斷奶仔豬腸細(xì)胞代謝的能量物質(zhì)具有非常重要的作用，肖英平[27]應(yīng)用GC-MS代謝組學(xué)技術(shù)研究了仔豬早期斷奶與飼糧中補充谷氨酰胺對血清代謝物的影響，發(fā)現(xiàn)了仔豬在早期斷奶下碳水化合物、氨基酸和脂質(zhì)的代謝途徑，并通過PCA模式識別法發(fā)現(xiàn)飼糧中添加谷氨酰胺能提高仔豬血清肌酐、D-木糖、2-羥丁酸、反式-9-十六烯酸和α-L-呋喃半乳糖的含量，從而改善仔豬的代謝過程。這表明利用代謝組學(xué)技術(shù)可以充分了解谷氨酰胺在仔豬營養(yǎng)中的作用機制，這對養(yǎng)豬生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。Sun等[28]應(yīng)用UPLC-MS代謝組學(xué)技術(shù)檢測了飼喂高脂肪飼糧和基礎(chǔ)常規(guī)飼糧的豬的血漿、糞便和尿液樣品，通過代謝組學(xué)的層次聚類分析，發(fā)現(xiàn)膽汁酸、脂質(zhì)代謝物、脂肪酸、氨基酸、磷脂酸、磷脂酰甘油、甘油磷脂、磷脂酰膽堿和三肽等差異代謝物在喂食豬不同飼糧后具有共同的變化特征，并推測可將差異最顯著的代謝物作為生物標(biāo)志物，用于鑒定與飼糧不當(dāng)造成的相關(guān)代謝紊亂情況。聶存喜等[29]通過LC-MS代謝組學(xué)技術(shù)采集了飼用不同棉籽粕源發(fā)酵飼糧的雞血漿圖譜，PLS-DA模式識別法發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，假絲酵母發(fā)酵組的磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、膽固醇酯、鞘磷脂、甘油二酯和甘油三酯含量，釀酒酵母發(fā)酵組的磷脂酰膽堿、膽固醇酯、鞘磷脂、甘油二酯和甘油三酯含量，復(fù)合發(fā)酵組的磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺和甘油二酯含量均極顯著升高，將這些差異代謝物進行KEGG分析發(fā)現(xiàn)它們均為脂類代謝物，這說明飼糧中添加棉籽粕源微生物發(fā)酵飼糧后，雞血漿中脂類代謝增加。代謝組學(xué)技術(shù)為微生物發(fā)酵飼料在飼料合理配制以及動物的健康養(yǎng)殖上提供了一定的理論依據(jù)，具有重要的生產(chǎn)實踐意義。王小雪[30]采用NMR代謝組學(xué)技術(shù)采集了給予不同蛋白質(zhì)含量飼糧的家貓尿樣中小分子代謝物的指紋圖譜，結(jié)合PCA和PLS-DA模式識別法發(fā)現(xiàn)，高蛋白質(zhì)和低蛋白質(zhì)飼糧營養(yǎng)干預(yù)前后以及不同含量蛋白質(zhì)飼糧干預(yù)組之間家貓尿液內(nèi)源性代謝物水平存在差異，經(jīng)進一步利用KEGG分析等代謝網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，?；撬?、尿素等代謝物的相對含量存在顯著變化。因此，此研究可從代謝物的角度證實營養(yǎng)干預(yù)對動物機體的影響。林剛[31]對宮內(nèi)生長受限和正常胎豬生物體液進行了差異代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)葡萄糖、果糖、尿素、氨、氨基酸和脂類等代謝物存在顯著性差異，并通過在生理濃度范圍內(nèi)用谷氨酰胺和果糖培養(yǎng)豬胚胎滋養(yǎng)層細(xì)胞，證實了它們可作為生物活性因子分別或協(xié)同性促進胎盤的磷酸戊糖循環(huán)活性，改善胚胎和孕體的發(fā)育。這項研究表明，能夠通過谷氨酰胺或果糖干預(yù)來緩解宮內(nèi)生長受限豬的胎盤磷酸戊糖途徑受損導(dǎo)致母體供給胎豬的營養(yǎng)物質(zhì)差異等問題，這對降低新生豬及其后續(xù)生長發(fā)育過程中的發(fā)病率和死亡率具有重大指導(dǎo)意義?；粑逆糩32]用不同玉米添加水平(0、25%和50%)的高谷物飼糧飼喂山羊，并運用GC-MS代謝組學(xué)分析手段，同時結(jié)合PCA和PLS-DA模式識別法對山羊瘤胃代謝產(chǎn)物進行分析，發(fā)現(xiàn)高谷物飼糧能夠顯著影響瘤胃發(fā)酵以及降低瘤胃微生物多樣性，并成功找出內(nèi)毒素和生物胺等78種特征代謝產(chǎn)物。此研究表明可利用代謝組學(xué)技術(shù)研究營養(yǎng)干預(yù)對動物瘤胃微生物的影響，這為進一步研究瘤胃微生物學(xué)機制提供了試驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

3.2 在動物營養(yǎng)需要量評估中的應(yīng)用

營養(yǎng)物質(zhì)攝入過多或者不足都可能導(dǎo)致動物體內(nèi)正常的代謝平衡失調(diào)，因此考量動物營養(yǎng)的需要量是動物營養(yǎng)研究中的必需問題。應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)評價動物營養(yǎng)需要量，是通過分析攝入過多或不足的營養(yǎng)物質(zhì)時的相關(guān)代謝產(chǎn)物，從而確定常量營養(yǎng)物質(zhì)的適宜需要量。

時夢[33]利用代謝組學(xué)技術(shù)分析了在能量不足或過量攝入情況下母豬血液的代謝途徑，首先將得到的差異生物標(biāo)志物進行PCA和PLS-DA模式識別法分析，進一步根據(jù)化合物的質(zhì)量數(shù)，結(jié)合METLIN(http://metlin.scripps.edu)、ChemSpider(http://www.chemspider.com)和KEGG等數(shù)據(jù)庫找到差異代謝物，發(fā)現(xiàn)能量攝入不足會引起母豬血中葡萄糖和膽固醇含量過低，導(dǎo)致促黃體分泌不足，最終使母豬發(fā)情推遲或者不發(fā)情；而能量過量攝入會導(dǎo)致膽汁酸代謝紊亂及鞘氨酸代謝紊亂，同時磷脂酰肌醇和磷脂酰甘油含量均大幅度下調(diào)，影響細(xì)胞膜正常功能。上述研究表明，可以利用代謝組學(xué)技術(shù)對后備母豬初情啟動以及配種2個階段適宜的凈能需要量進行有效評估。Metzler等[34]對攝入高鈣水平的豬血清進行了LC-MS代謝組學(xué)分析，PLS-DA模式識別分析法表明，己糖可能是鈣過量攝入時的標(biāo)識物，通過定量特定生物標(biāo)識物可以輔助評價動物某營養(yǎng)物質(zhì)需要量。Noguchi等[35]對攝入不同蛋白質(zhì)含量飼糧的大鼠血漿進行了代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了在蛋白質(zhì)大量攝取狀態(tài)下氨基酸的關(guān)鍵代謝通路，并指出蛋白質(zhì)的大量攝取表現(xiàn)為靶組織中累積高濃度的氨基酸或產(chǎn)生有毒的代謝產(chǎn)物，從而使正常的代謝途徑發(fā)生改變，并且可以此確定常量蛋白質(zhì)的適宜用量。Zhou等[36]利用基于GC-MS代謝組學(xué)技術(shù)探究動物的蛋白質(zhì)需要量，給豬長期飼喂低蛋白質(zhì)飼糧后，豬盲腸中異丁酸酯和異戊酸酯的濃度降低，這表明此2種物質(zhì)可能為豬的蛋白質(zhì)需要量提供依據(jù)。Ruan等[37]利用NMR代謝組學(xué)技術(shù)并結(jié)合PCA模式識別分析法探究了補充色氨酸對大鼠血清代謝的影響，發(fā)現(xiàn)色氨酸補充組的大鼠血清中尿素和膽固醇含量降低，并由此推論，尿素和膽固醇含量可能為該動物的色氨酸需要量提供依據(jù)。這些試驗均充分表明，代謝組學(xué)技術(shù)可以通過構(gòu)建基于代謝標(biāo)識物的營養(yǎng)需要量評估模型，對動物營養(yǎng)物質(zhì)的需要量進行輔助評價和科學(xué)描述。

3.3 用于研究內(nèi)源性代謝物和個體間的代謝差異

隨著人民生活水平的不斷提高,動物營養(yǎng)學(xué)研究的目標(biāo)已由簡單地追求動物生產(chǎn)數(shù)量的經(jīng)濟指標(biāo),擴展到追求動物健康、產(chǎn)品品質(zhì)等方面。然而由于遺傳、動物生命活動、腸道微生物代謝、飲食和飼養(yǎng)環(huán)境等的不同，不同動物的代謝狀態(tài)或過程具有一定的差異，這對以動物性產(chǎn)品作為重要食物來源的人類帶來了極大的健康隱患。通過內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的差異區(qū)分生物個體及動物所處的內(nèi)外環(huán)境等是今后動物營養(yǎng)學(xué)研究中比較有前景的方向。

Bovo等[38]利用LC-MS代謝組學(xué)技術(shù)對意大利大白豬和杜洛克豬血漿及血清中差異生物標(biāo)志物進行了檢測分析，結(jié)合PLS-DA模式識別分析法研究了不同物種之間的關(guān)鍵物質(zhì)代謝途徑。此研究可以為動物育種及營養(yǎng)研究中評估相關(guān)生物標(biāo)記物提供參考。Wang等[39]基于NMR代謝組學(xué)技術(shù)，并結(jié)合多種模式識別分析方法研究了北京鴨和臨武鴨的胸肌肌肉代謝物組成，發(fā)現(xiàn)臨武鴨胸肌肌肉具有較高的絲氨酸、肌肽和煙酰胺含量，但琥珀酸、肌酸和肌醇的含量較低，這說明不同品種的動物可能具有不同的肉類代謝物組成。Trabi等[40]采用NMR代謝組學(xué)技術(shù)對在-20 ℃保存2～15年不等的小母牛的血漿進行了分析，結(jié)果顯示甜菜堿含量與牛的血漿存儲時間相關(guān)性很強，可用于識別不同存儲時間的牛血漿。Jung等[41]從對來自4個國家的牛肉提取物的氫核磁共振(1H-NMR)圖譜的統(tǒng)計分析中得到了異亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸和纈氨酸等差異代謝物，并指出這些氨基酸可以用于作為區(qū)分牛肉地理來源的生物標(biāo)志物。Regal等[42]對外源性施用性類固醇激素條件下的奶牛血清樣進行了HPLC-MS代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了雌二醇和孕酮2種差異代謝物，并將其進行代謝通路分析發(fā)現(xiàn)，二者含量發(fā)生顯著變化與外源性施用激素密切相關(guān)，從而指出了雌二醇或孕酮可能作為識別非法施用激素的奶牛的潛在標(biāo)志物。Lu等[43]應(yīng)用NMR代謝組學(xué)技術(shù)，結(jié)合多種模式識別分析方法找出了暴露在工業(yè)有機磷下和正常生活環(huán)境小鼠尿液的差異代謝物，并推測可根據(jù)KEGG分析找到所有差異代謝物參與的代謝通路，進而估測工業(yè)有機磷環(huán)境影響小鼠的病機，此研究也表明NMR代謝組學(xué)技術(shù)可以識別暴露在有機污染物下的小鼠。許梅燕等[44]基于GC-MS代謝組學(xué)技術(shù)，采用PCA模式識別方法研究發(fā)現(xiàn)雞肝中的棕櫚油酸、亞油酸、油酸及硬脂酸含量隨著飼糧中葉黃素添加水平的增大而增大；雞肉和雞肝中的丙二酸含量隨著飼糧中蘇丹紅添加水平的增大而增大，甲基吡喃半乳糖苷的含量則隨之減小，推斷這幾種物質(zhì)可分別視為葉黃素及蘇丹紅在雞體內(nèi)引起內(nèi)源性代謝物變化的潛在生物標(biāo)記物，這對實現(xiàn)對禽產(chǎn)品中色素殘留的溯源分析大有裨益。這些研究結(jié)果都表明，通過代謝組學(xué)技術(shù)可以區(qū)別出不良動物個體及其潛在隱患來源，這對動物及人類健康起著非常重要的作用。

3.4 在動物疾病機制和診斷上的應(yīng)用

在動物營養(yǎng)學(xué)的研究中，動物的健康是最基本和重要的要求。代謝組學(xué)技術(shù)可用于研究動物在病理狀態(tài)下的代謝過程和特定生物標(biāo)志物，以及某營養(yǎng)物質(zhì)對機體疾病的改善作用，為動物疾病的診斷和治療提供強大的現(xiàn)代化技術(shù)手段。

肉雞腹水綜合征是危害世界肉雞生產(chǎn)的一種重要營養(yǎng)代謝病，施壽榮[45]利用UPLC-MS代謝組學(xué)技術(shù)分析了腹水綜合征肉雞的血清樣，發(fā)現(xiàn)了患病狀態(tài)下脂類物質(zhì)代謝途徑，并根據(jù)查找代謝通路數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)二羥基丙酮可能是腹水綜合征肉雞的潛在代謝標(biāo)志物。這說明可以通過代謝組學(xué)技術(shù)深入研究肉雞腹水綜合征的發(fā)病機理，從而采取有效的措施降低其發(fā)病率，這對促進肉雞產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有十分重要的意義。孫玲偉等[46]基于GC-MS代謝組學(xué)技術(shù)，結(jié)合多種模式識別法成功地發(fā)現(xiàn)酮病奶牛和健康奶牛的血漿差異代謝物為32個，并且臨床和亞臨床酮病奶牛血漿間也存在13個差異代謝物，將這些差異代謝物進一步進行KEGG分析發(fā)現(xiàn)，它們主要涉及氨基酸代謝、脂肪代謝和碳水化合物代謝等能量代謝途徑。這證明代謝組學(xué)技術(shù)可以有效區(qū)分健康、臨床和亞臨床酮病奶牛，從而為奶牛酮病的估測和預(yù)防提供了新思路。Bertram等[47]利用NMR代謝組學(xué)技術(shù)研究了以黑麥為主的富含纖維的飼糧對高膽固醇血癥豬內(nèi)源性生化效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)高膽固醇血癥豬攝入高纖維黑麥飼糧后，血漿堿含量增加，并找出了評價血漿堿含量的標(biāo)識物，這對高膽固醇血癥的緩解及治療有一定的指導(dǎo)意義。Hailemariam等[48]通過LC-MS代謝組學(xué)技術(shù)對圍產(chǎn)前期和圍產(chǎn)后期奶牛進行了分析，發(fā)現(xiàn)肉毒堿和丙酰肉毒堿可能成為預(yù)防奶牛圍產(chǎn)期疾病的生物標(biāo)志物，這對提高牛群生產(chǎn)性能、減少疾病發(fā)生提供了重要的參考依據(jù)。田忠[49]利用UPLC-MS和NMR代謝組學(xué)技術(shù)建立了糖尿病小型豬和非糖尿病小型豬急性缺血心肌小分子代謝產(chǎn)物的指紋圖譜，并結(jié)合臨床生理生化指標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫對指紋圖譜進行統(tǒng)計分析，鑒定出必需脂肪酸花生四烯酸可能成為糖尿病心肌缺血診治和預(yù)后相關(guān)標(biāo)志物的候選分子。Xiong等[50]采用GC-MS代謝組學(xué)技術(shù)研究了熱應(yīng)激條件下多酚對肉仔雞的影響，發(fā)現(xiàn)了熱應(yīng)激條件下肉仔雞的谷胱甘肽過氧化物酶、鳥氨酸脫羧膠原酶活性及表皮生長因子、表皮生長因子受體含量存在差異，并經(jīng)差異代謝物的KEGG分析發(fā)現(xiàn)多酚可能通過涉及能量代謝、碳水化合物代謝、氨基酸代謝和谷胱甘肽代謝等對熱應(yīng)激小雞的代謝機制產(chǎn)生影響。在養(yǎng)禽業(yè)集約化規(guī)模化發(fā)展的時代，利用代謝組學(xué)技術(shù)可以發(fā)掘出緩解熱應(yīng)激的有效措施,這對指導(dǎo)生產(chǎn)有著十分重要的意義。

4 展 望

與基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)相比，代謝組學(xué)更能體現(xiàn)動物機體對環(huán)境刺激或改變的反應(yīng)，而且代謝物是體現(xiàn)在代謝通路上的，因此借助代謝組學(xué)與胃腸道微生物的關(guān)聯(lián)分析將是動物營養(yǎng)研究中常用的方法。然而，鑒于目前代謝組學(xué)分析技術(shù)有限，僅憑一個檢測技術(shù)不能夠同時對所有的代謝物進行數(shù)據(jù)采集；并且，代謝組學(xué)研究獲得的數(shù)據(jù)往往都非常復(fù)雜，目前還沒有有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以將得到的全部信息進行分析和解釋。因此在今后的研究中，構(gòu)建完善的檢測技術(shù)體系以及開發(fā)有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，是代謝組學(xué)在動物營養(yǎng)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的必要條件。

[1] 盧德勛.國際動物營養(yǎng)學(xué)發(fā)展形勢和我們的任務(wù)[J].畜牧與飼料科學(xué),2010,31(6/7):449-453.

[2] DRACKLER J K,DONKIN S S,REYNOlLDS C K.Major advances in fundamental dairy cattle nutrition[J].Journal of Dairy Science,2006,89(4):1324-1336.

[3] CORELLA D,COLETLL O,MATTINGLEY G,et al.Utilizing nutritional genomics to tailor diets for the prevention of cardiovascular disease:a guide for upcoming studies and implementations[J].Expert Review of Molecular Diagnostics,2017,17(5):495-513.

[4] GARCIA C J,GARCA-VILLALBA R,GARRIDO Y,et al.Untargeted metabolomics approach using UPLC-ESI-QTOF-MS to explore the metabolome of fresh-cut iceberg lettuce[J].Metabolomics,2016,12(8):138.

[5] SUN H Z,WANG D M,WANG B,et al.Metabolomics of four biofluids from dairy cows:potential biomarkers for milk production and quality[J].Journal of Proteome Research,2015,14(2):1287-1298.

[6] NICHOLSON J K,CONNELLY J,LINDON J C,et al.Metabonomics:a platform for studying drug toxicity and gene function[J].Nature Reviews Drug Discovery,2002,1(2):153-161.

[7] MüLLER M,KERSTEN S.Nutrigenomics:goals and strategies[J].Nature Reviews Genetics,2003,4(4):315-322.

[8] LANE A N,FAN T W M.NMR-based stable isotope resolved metabolomics in systems biochemistry[J].Archives of Biochemistry NMR,2017,49(3/4):267-280.

[10] VELENOSI T J,HENNOP A,FEERE D A,et al.Untargeted plasma and tissue metabolomics in rats with chronic kidney disease given AST-120[J].Scientific Reports,2016,6:22526.

[11] TAYLOR J,KING R D,ALTMANN T,et al.Application of metabolomics to plant genotype discrimination using statistics and machine learning[J].Bioinformatics,2002,18(Suppl 2):241-248.

[12] FANG N H,YU S G,RONIS M J J,et al.Matrix effects break the LC behavior rule for analytes in LC-MS/MS analysis of biological samples[J].Experimental Biology and Medicine,2015,240(4):488-497.

[13] WENNER M I,MAKER G L,DAWSON L F,et al.The potential of metabolomic analysis techniques for the characterisation of α1-adrenergic receptors in cultured N1E-115 mouse neuroblastoma cells[J].Cytotechnology,2016,68(4):1561-1575.

[14] STOYANOVA R,BROWN T R.NMR spectral quantitation by principal component analysis:Ⅲ.A generalized procedure for determination of lineshape variations[J].Journal of Magnetic Resonance,2002,154(2):163-175.

[15] WELJIE A M,DOWLATABADI R,MILLER B J,et al.An inflammatory arthritis-associated metabolite biomarker pattern revealed by1H-NMR spectroscopy[J].Journal of Proteome Research,2007,6(9):3456-3464.

[16] MARKLEY J L,BRüSCHWEILER R,EDISON A S,et al.The future of NMR-based metabolomics[J].Current Opinion in Biotechnology,2017,43:34-40.

[17] PUDAKALAKATTI S M,DUBEY A,JAIPURIA G,et al.A fast NMR method for resonance assignments:application to metabolomics[J].Journal of Biomolecular NMR,2014,58(3):165-173.

[18] SZOBOSZLAI N,GUO X H,OZOHANICS O,et al.Determination of energy metabolites in cancer cells by porous graphitic carbon liquid chromatography electrospray ionization mass spectrometry for the assessment of energy metabolism[J].Analytica Chimica Acta,2014,819:108-115.

[19] LIU M L,ZHENG P,LIU Z,et al.GC-MS based metabolomics identification of possible novel biomarkersforschizophrenia in peripheral blood mononuclear cells[J].Molecular BioSystems,2014,10(9):2398-2406.

[20] PERROT-DOCKS M,LéVY-LEDUC C,CHIQUET J,et al.A multivariate variable selection approach for analyzing LC-MS metabolomics data[J/OL]. [2017-06-08][2017-05-31].https://arxiv.org/abs/1704.00076.

[21] VINAIXA M,SCHYMANSKI E L,NEUMANN S,et al.Mass spectral databases for LC/MS-and GC/MS-based metabolomics:State of the field and future prospects[J].TrAC：Trends in Analytical Chemistry,2016,78:23-35.

[22] DAGHIR-WOJTKOWIAK E,WICZLING P,WASZCZUK-JANKOWSKA M,et al.Multilevel pharmacokinetics-driven modeling of metabolomics data[J].Metabolomics,2017,13(3):31.

[23] WANG Y,TAO Y,LIN Y J,et al.Integrated analysis of serum and liver metabonome in liver transplanted rats by gas chromatography coupled with mass spectrometry[J].Analytica Chimica Acta,2009,633(1):65-70.

[24] BERTRAM H C,MALMENDAL A,PETERSEN B O,et al.Effect of magnetic field strength on NMR-based metabonomic human urine data.Comparative study of 250,400,500,and 800 MHz[J].Analytical Chemistry,2007,79(18):7110-7115.

[25] ZHANG Q W,WU H Y,WEN C C,et al.Metabolic changes in rats after intragastric administration of MGCD0103 (Mocetinostat),a HDAC class Ⅰ inhibitor[J].International Journal of Clinical and Experimental Pathology,2015,8(8):9320-9325.

[26] XIA J,SINELNIKOV I V,HAN B,et al.Metabo Analyst 3.0-making metabolomics more meaningful[J].Nucleic Acids Research,2015,43(W1):W251-W257.

[27] 肖英平.早期斷奶仔豬血清代謝組學(xué)研究及谷氨酰胺對日糧消化吸收和代謝的影響[D].博士學(xué)位論文.杭州:浙江大學(xué),2012.

[28] SUN J H,MONAGAS M,JANG S,et al.A high fat,high cholesterol diet leads to changes in metabolite patterns in pigs-A metabolomic study[J].Food Chemistry,2015,173:171-178.

[29] 聶存喜,張文舉,閆理東,等.基于棉籽粕源發(fā)酵飼料的雞血漿代謝組學(xué)研究[J].畜牧獸醫(yī)學(xué)報,2013,44(5):737-744.

[30] 王小雪.代謝組學(xué)方法研究家貓在不同營養(yǎng)干預(yù)下機體的代謝應(yīng)答[D].碩士學(xué)位論文.上海:上海交通大學(xué),2008.

[31] 林剛.宮內(nèi)生長受限豬胎盤磷酸戊糖途徑受損及其營養(yǎng)調(diào)控的研究[D].博士學(xué)位論文.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[32] 霍文婕.高谷物日糧改變山羊瘤胃代謝的微生物學(xué)機制研究[D].博士學(xué)位論文.南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[33] 時夢.后備母豬適宜凈能需要量的研究[D].博士學(xué)位論文.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2017.

[34] METZLER-ZEBELI B U,ERTL R,KLEIN D,et al.Explorative study of metabolic adaptations to various dietary calcium intakes and cereal sources on serum metabolome and hepatic gene expression in juvenile pigs[J].Metabolomics,2015,11(3):545-558.

[35] NOGUCHI Y,ZHANG Q W,SUGIMOTO T,et al.Network analysis of plasma and tissue amino acids and the generation of an amino index for potential diagnostic use[J].The American Journal of Clinical Nutrition,2006,83(2):513S-519S.

[36] ZHOU L P,FANG L D,SUN Y,et al.Effects of the dietary protein level on the microbial composition and metabolomic profile in the hindgut of the pig[J].Anaerobe,2016,38:61-69.

[37] RUAN Z,YANG Y H,WEN Y M,et al.Metabolomic analysis of amino acid and fat metabolism in rats with l-tryptophan supplementation[J].Amino Acids,2014,46(12):2681-2691.

[38] BOVO S,MAZZONI G,GALIMBERTI G,et al.Metabolomics evidences plasma and serum biomarkers differentiating two heavy pig breeds[J].Animal,2016,10(10):1741-1748.

[39] WANG X R,FANG C K,HE J H,et al.Comparison of the meat metabolite composition ofLinwuand Pekin ducks using 600 MHz1H nuclear magnetic resonance spectroscopy[J].Poultry Science,2017,96(1):192-199.

[40] TRABI M,KELLER M D,JONSSON N N.NMR-based metabonomics of bovine blood:an investigation into the effects of long term storage on plasma samples[J].Metabolomics,2013,9(5):1041-1047.

[41] JUNG Y,LEE J,KWON J,et al.Discrimination of the geographical origin of beef by1H NMR-based metabolomics[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2010,58(19):10458-10466.

[42] REGAL P,ANIZAN S,ANTIGNAC J P,et al.Metabolomic approach based on liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry to screen for the illegal use of estradiol and progesterone in cattle[J].Analytica Chimica Acta,2011,700(1/2):16-25.

[43] LU C F,WANG Y M,SHENG Z G,et al.NMR-based metabonomic analysis of the hepatotoxicity induced by combined exposure to PCBs and TCDD in rats[J].Toxicology and Applied Pharmacology,2010,248(3):178-184.

[44] 許梅燕.添加色素在雞及其產(chǎn)品中代謝組學(xué)的GC-MS分析研究[D].碩士學(xué)位論文.長春:長春理工大學(xué),2012.

[45] 施壽榮.肉雞腹水綜合征的代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究[D].博士學(xué)位論文.北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[46] 孫玲偉,包凱,李影,等.奶牛臨床和亞臨床酮病的血漿代謝組學(xué)研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,47(8):1588-1599.

[47] BERTRAM H C,MALMENDAL A,NIELSEN N C,et al.NMR-based metabonomics reveals that plasma betaine increases upon intake of high-fiber rye buns in hypercholesterolemic pigs[J].Molecular Nutrition and Food Research,2009,53(8):1055-1062.

[48] HAILEMARIAM D,MANDAL R,SALEEM F,et al.Identification of predictive biomarkers of disease state in transition dairy cows[J].Journal of Dairy Science,2014,97(5):2680-2693.

[49] 田忠.糖尿病小型豬急性心肌缺血代謝組學(xué)研究[D].碩士學(xué)位論文.北京:北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院,2013.

[50] XIONG Y,DONG S,ZHAOX,et al.Gene expressions and metabolomic research on the effects of polyphenols from the involucres ofCastaneamollissimablume on heat-stressed broilers chicks[J].Poultry Science,2016,95(8):1869-1880.

MetabolomicsandItsApplicationinAnimalNutrition

WANG Haowei WU Duanqin*

(InstituteofBastFiberCrops,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Changsha410205,China)

Metabolomics is the comprehensive assessment of endogenous metabolites and attempts of using this technology are to separate, detect, characterize and quantify metabolites as well as their associated metabolic pathways from a biological sample, in view of this to reflect the nutritional metabolic changes, nutritional status and even the developmental degree of some diseases in the body. However, the research of metabolomics in animal nutrition is relatively late, and it is still at the initial stage, while with the continuous improvement of metabolomics research platform, the application value of this technology in animal nutrition will become increasingly prominent. This paper summarized the concept and characteristics of metabolomics, the analysis technique and its application in animal nutrition.[ChineseJournalofAnimalNutrition,2017,29(12)：4301-4307]

metabolomics; animal nutrition; research progress

10.3969/j.issn.1006-267x.2017.12.009

Q343.1

A

1006-267X(2017)12-4301-07

2017-06-08

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新工程專項資金(ASTIP-IBFC02)

王郝為(1991—)，女，河南濮陽人，碩士研究生，從事動物營養(yǎng)與飼料資源開發(fā)利用研究。E-mail： haowei516@sina.com

*通信作者：吳端欽，副研究員，E-mail： wuduanqin@caas.cn

*Corresponing author, associate professor, E-mail: wuduanqin@caas.cn

(責(zé)任編輯 武海龍)