代謝組學(xué)在反芻動(dòng)物營養(yǎng)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

代童童 李耀坤 劉德武 柳廣斌 孫寶麗

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，草食動(dòng)物研究室，廣州510642)

代謝組學(xué)在反芻動(dòng)物營養(yǎng)研究中的應(yīng)用進(jìn)展

代童童 李耀坤 劉德武 柳廣斌 孫寶麗*

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，草食動(dòng)物研究室，廣州510642)

代謝組學(xué)是研究生物系統(tǒng)中所有代謝物的一門新興學(xué)科。它能夠檢測(cè)生命系統(tǒng)中某一特定生物層次的所有代謝物的變化，并能夠利用其特有的分析技術(shù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)對(duì)所得代謝物進(jìn)行系統(tǒng)性度量。近年來，因其測(cè)試技術(shù)的廣泛適用性，代謝組學(xué)逐漸被應(yīng)用于反芻動(dòng)物的營養(yǎng)學(xué)研究中。本文從瘤胃代謝組學(xué)、肝臟代謝組學(xué)、乳腺代謝組學(xué)和血液代謝組學(xué)等4個(gè)方面對(duì)代謝組學(xué)在反芻動(dòng)物營養(yǎng)研究中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

代謝組學(xué)；反芻動(dòng)物;營養(yǎng)；瘤胃；肝臟；乳腺；血液

代謝組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)的一個(gè)分支，它以族群指標(biāo)分析為根本，以數(shù)據(jù)建模和系統(tǒng)整合為標(biāo)的，通過檢測(cè)內(nèi)源性代謝物整體變化的軌跡來反映病理、生理過程[1]。它僅僅通過運(yùn)用自身特有的高通量檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析手段，就能夠?qū)ι锘蚣?xì)胞內(nèi)分子質(zhì)量為1 000 u以下的代謝產(chǎn)物同時(shí)進(jìn)行定性和定量分析，篩選出不同代謝狀況下的特征代謝物，從而熟悉和把握機(jī)體的整體代謝狀態(tài)[2-4]。目前，組學(xué)的分析技術(shù)平臺(tái)主要包括核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gas chromatography-mass spectrum，GC-MS)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS)、傅里葉變換紅外光譜(fourier transform infrared spectoscopy，F(xiàn)T-IR)等[5]。然而，只是簡(jiǎn)單的運(yùn)用分析技術(shù)對(duì)代謝物進(jìn)行檢測(cè)還是不夠的，代謝產(chǎn)物的各類圖譜中隱藏有大量的數(shù)據(jù)信息，我們還需要采用一系列的數(shù)學(xué)和生物統(tǒng)計(jì)方法來將其中的有用信息提取并優(yōu)化，目前常用的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)主要有主成分分析(principal component analysis，PCA)、偏最小二乘法判別分析(partial least squares discriminant analysis，PLS-DA)和正交偏最小二乘法判別分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA)[6]。代謝組學(xué)這種整體性研究方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于反芻動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)的研究中，本文綜述了近年來代謝組學(xué)在反芻動(dòng)物血液以及瘤胃、肝臟、乳腺等組織部位的應(yīng)用研究現(xiàn)況，進(jìn)而對(duì)代謝組學(xué)在整個(gè)反芻動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1 代謝組學(xué)分析平臺(tái)

隨著系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，整個(gè)生物系統(tǒng)(包括細(xì)胞、組織、器官及整個(gè)生物機(jī)體)的探索已經(jīng)成為當(dāng)今研究的重點(diǎn)，而代謝組學(xué)的崛起和應(yīng)用對(duì)當(dāng)今的研究來說可謂是一大福利[7]。目前，完整的代謝組學(xué)的分析流程包括：樣品制備、數(shù)據(jù)采集和處理、代謝路徑的推測(cè)及生物解析等。其中分析技術(shù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)是此技術(shù)成敗的關(guān)鍵。

1.1分析技術(shù)平臺(tái)

代謝組學(xué)的檢測(cè)手段中應(yīng)用最多的主要有NMR、LC-MS、GC-MS、FT-IR 4種。每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但單一的檢測(cè)手段很難檢測(cè)出所有的物質(zhì)，因此為了盡可能分析出各生物系統(tǒng)中不同層次所有的代謝物，我們?cè)趯?shí)際操作過程中應(yīng)根據(jù)樣品的特性以及研究目的選擇合適的分析平臺(tái)并加以綜合利用[8]。

1.1.1 NMR

NMR是一種基于自旋性質(zhì)的原子核在核外磁場(chǎng)作用下吸收射頻輻射而產(chǎn)生能躍遷的譜學(xué)技術(shù)，它能在接近生理的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，在測(cè)定化合物結(jié)構(gòu)時(shí)表現(xiàn)出對(duì)樣品的無損、無偏向、靈敏度高以及測(cè)定迅速等特點(diǎn)[9]。目前常用的NMR包括：氫譜NMR(1H-NMR)、碳譜NMR(13C-NMR)和磷譜NMR(31P-NMR)，其中1H-NMR的應(yīng)用最為廣泛，它是一種多參數(shù)的動(dòng)態(tài)分析方法，能夠一次性對(duì)內(nèi)源代謝物進(jìn)行整體分析，1H-NMR對(duì)樣品的預(yù)處理簡(jiǎn)單且樣品需求量少。但是，1H-NMR的分辨率和靈敏度相對(duì)比較低，常常導(dǎo)致測(cè)定某些復(fù)雜的有機(jī)混合物時(shí)所得到的圖譜信息出現(xiàn)大面積重疊的現(xiàn)象，往往會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成負(fù)面影響。

1.1.2 GC-MS

GC-MS具有分辨率高、靈敏度高、無需對(duì)不具揮發(fā)性的代謝物進(jìn)行衍生化處理等特點(diǎn)；另外，色譜的分離功能以及質(zhì)譜的鑒別功能使得GC-MS能夠?qū)Υx物進(jìn)行快速度量，即使含量很低的代謝物也能被檢測(cè)到[8]。GC-MS技術(shù)不但打破了氣相色譜(gas chromatography，GC)檢測(cè)物質(zhì)時(shí)分子質(zhì)量范圍的局限性，擴(kuò)大了其檢測(cè)范圍，并且能夠快速、靈敏地識(shí)別代謝物并對(duì)多種代謝物進(jìn)行選擇性分析。且GC-MS具有較完備的數(shù)據(jù)庫供檢索，能夠同時(shí)測(cè)定包括有機(jī)酸、氨基酸、糖、脂肪酸、芳香胺等在內(nèi)的幾百種化學(xué)性質(zhì)不一樣的化合物。但比較遺憾的是GC-MS技術(shù)對(duì)物質(zhì)的熱穩(wěn)定性和揮發(fā)性有一定要求，無法分析具有熱不穩(wěn)定性和不能氣化的代謝底物或者產(chǎn)物。

1.1.3 LC-MS

LC-MS是一種比較成熟的定性分析技術(shù)，它將液相色譜出眾的分離能力和質(zhì)譜的靈敏度高、檢測(cè)快速且精準(zhǔn)的特點(diǎn)結(jié)合起來，成為天然產(chǎn)物領(lǐng)域中最強(qiáng)有力的化學(xué)篩選手段之一[7]。LC-MS可用于分析、分離和鑒定樣品中微量的代謝物，尤其是極性高、相對(duì)分子質(zhì)量大和熱穩(wěn)定性差的化合物[10]。與GC-MS相比，LC-MS的靈敏度更高、動(dòng)態(tài)范圍更寬且對(duì)樣品的處理方式更簡(jiǎn)單，檢測(cè)成本也較低；與NMR相比，LC-MS更適用于鑒別熱不穩(wěn)定、不易揮發(fā)、不易衍生化和相對(duì)分子質(zhì)量較大的物質(zhì)。但是，LC-MS并沒有相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫供檢索，在分析數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)帶來一定的技術(shù)難度，并且液相分離效率不高，檢測(cè)成本也高，樣品的檢測(cè)還需更進(jìn)一步的分離和驗(yàn)證。

1.1.4 FT-IR

FT-IR因具有不需要制備樣品、耗費(fèi)時(shí)間短、無損害性、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于高通量檢測(cè)和對(duì)生物體系的整體分析中，它是一種代謝物指紋分析手段[11]。但是，F(xiàn)T-IR也存在一些不足，它的水吸收峰很強(qiáng)，必須通過脫水或數(shù)據(jù)處理才能消掉。

1.2數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

1.2.1 PCA

PCA是一種非監(jiān)督性的模型分析方法，它不外加任何人為因素，能夠反映不同組之間最真實(shí)的差異和數(shù)據(jù)的原始狀態(tài)，并且能夠輔助我們了解和把握數(shù)據(jù)的整體狀態(tài)，還能夠發(fā)現(xiàn)并去除不合格產(chǎn)品，提高模型的準(zhǔn)確性[12]。

1.2.2 PLS-DA

PLS-DA是一種有監(jiān)督性的模型分析方法，它以一組已經(jīng)知道類別的樣本作為訓(xùn)練集，繪制樣本的載荷圖和得分圖[13]。在建立PLS-DA模型時(shí)，需要先確定訓(xùn)練集的主成分，因?yàn)椴煌鞒煞炙鶎?duì)應(yīng)的PLS-DA是不盡相同的。PLS-DA與PCA有比較相似的地方，它們都是盡力提取出能反映數(shù)據(jù)變異的最大信息。

1.2.3 OPLS-DA

OPLS-DA是一種有監(jiān)督性的模型分析方法，它能夠提供一種多對(duì)多線性回歸建模的方法，特別是當(dāng)2組變量的個(gè)數(shù)很多且都存在多重相關(guān)性，但觀測(cè)數(shù)據(jù)的樣本數(shù)又較少時(shí)，OPLS-DA建模非常適用。

代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)分析過程包括：數(shù)據(jù)的提取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維統(tǒng)計(jì)分析并找出其中的主要差異代謝物的變量等步驟。其中，數(shù)據(jù)的多維統(tǒng)計(jì)分析主要靠PCA、PLS-DA和OPLS-DA協(xié)同完成。我們只有通過分析統(tǒng)計(jì)方法的綜合利用來對(duì)代謝圖譜進(jìn)行深層次的信息挖掘，才能全面地了解和認(rèn)識(shí)試驗(yàn)結(jié)論并獲得樣本珍貴的生物學(xué)意義[14]。恰好是這一優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)研究方法無法深入動(dòng)物組織或者器官內(nèi)部挖掘深層信息的缺陷，打破了傳統(tǒng)研究只能停留在表層的局限性，并且開啟了代謝組學(xué)在反芻動(dòng)物研究領(lǐng)域的新篇章。

2 代謝組學(xué)在反芻動(dòng)物營養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1瘤胃代謝組學(xué)

反芻動(dòng)物最明顯的生理特點(diǎn)就是進(jìn)行復(fù)胃消化，復(fù)胃包括瘤胃、網(wǎng)胃、瓣胃和皺胃。前3個(gè)胃屬于真胃，它們主要進(jìn)行的是微生物消化，其中最重要的是瘤胃微生物體系。在瘤胃微生物的作用下，飼料中50%的粗纖維和70%～85%的可消化干物質(zhì)(DM)在瘤胃中經(jīng)微生物發(fā)酵降解成揮發(fā)性脂肪酸、肽類、氨基酸、氨、二氧化碳(CO2)等成分，同時(shí)這些碳源、氮源又被微生物利用合成蛋白質(zhì)、維生素等，進(jìn)一步作為反芻動(dòng)物的營養(yǎng)物質(zhì)被機(jī)體所吸收利用[15]。與此同時(shí)，瘤胃存在自己的平衡機(jī)制：唾液的分泌與反芻、瘤胃周期性收縮、內(nèi)源營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入瘤胃、噯氣以及有效的緩沖體系等。瘤胃的平衡機(jī)制一旦被破壞就會(huì)威脅動(dòng)物的健康，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中關(guān)注反芻動(dòng)物瘤胃的代謝活動(dòng)很重要。但是在實(shí)際操作中，我們無法用人工模擬出真實(shí)可靠的瘤胃環(huán)境，也無法體外培養(yǎng)瘤胃微生物，故傳統(tǒng)的研究手段沒辦法深入了解瘤胃的代謝機(jī)制，只有代謝組學(xué)這種高通量的分析手段才能將這種研究變成可能[2]。

目前，代謝組學(xué)主要應(yīng)用于研究高精料飼糧對(duì)瘤胃液、瘤胃微生物以及瘤胃上皮組織的代謝機(jī)制的影響。研究表明，高谷物飼糧會(huì)導(dǎo)致反芻動(dòng)物瘤胃代謝紊亂、代謝產(chǎn)物異常、營養(yǎng)代謝病多發(fā)等不良后果，且高精料飼糧多會(huì)導(dǎo)致亞急性瘤胃酸中毒的發(fā)生，所以，用代謝組學(xué)的方法來評(píng)價(jià)飼糧營養(yǎng)水平設(shè)置是否合理是一種比較理想的生產(chǎn)方式[16-17]。Ametaj等[18]用4個(gè)大麥顆粒添加水平(0、15%、30%、45%)的飼糧飼喂46只荷斯坦奶牛，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)結(jié)合NMR和LC-MS 2種方法對(duì)這些奶牛的瘤胃液進(jìn)行檢測(cè)，共找出了46種特征性瘤胃代謝物，并且發(fā)現(xiàn)添加水平為0和15%的谷物飼糧組所得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)差異不顯著，但是45%添加水平與30%添加水平相比，動(dòng)物瘤胃中的有害代謝產(chǎn)物(主要為甲胺和內(nèi)毒素)含量隨著谷物添加水平的增加而顯著升高，且甲胺的存在會(huì)影響機(jī)體內(nèi)氨基脲酶的活性；此外，本試驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了谷物攝入量與瘤胃有害產(chǎn)物之間具有一定程度的相關(guān)性。霍文婕[16]用不同玉米添加水平(0、25%、50%)的高谷物飼糧來飼喂山羊，并運(yùn)用GC-MS代謝組學(xué)分析手段和基于焦磷酸測(cè)序(pyrosequencing)的高通量測(cè)序?qū)ι窖虻牧鑫肝⑸锖痛x產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)結(jié)合PCA和PLS-DA對(duì)這些代謝物進(jìn)行分析，共找出包括內(nèi)毒素和生物胺在內(nèi)的78種特征性代謝物，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，初步揭示了飼糧-微生物-代謝產(chǎn)物三者之間的聯(lián)系，同時(shí)也為他人進(jìn)一步研究瘤胃微生物學(xué)機(jī)制提供了試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。Bertram等[19]選擇了4個(gè)添加水平的代乳粉(代乳粉添加水平分別為3.10、4.84、6.60和8.10 kg/d；代乳粉中干物質(zhì)含量為123 g/kg)分別飼喂試驗(yàn)1的荷斯坦公犢牛(n1=8，平均分為4組，每組2頭)和2種犢牛精料補(bǔ)充料(低淀粉精料：319 g/kg；高纖維精料：68 g/kg)分別飼喂試驗(yàn)2的荷斯坦公犢牛(n2=7，隨機(jī)分為2組，對(duì)照組4頭，試驗(yàn)組3頭)，試驗(yàn)結(jié)束后分別采取這些試驗(yàn)牛的瘤胃上皮組織并用1H-NMR檢測(cè)這些樣品的上皮組織提取液，同時(shí)結(jié)合PCA發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)1中的犢牛隨著代乳粉攝入量的增加，瘤胃中的乙酸、丙酸、膽堿、不飽和脂肪酸以及亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸和谷氨酰胺的含量均顯著下降；試驗(yàn)2中的犢牛瘤胃中的乙酸含量顯著下降，但是丙酸的含量顯著增加；同時(shí)，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)隨著代乳粉攝入量的減少，精料補(bǔ)充料攝入量的增加，瘤胃上皮組織的活動(dòng)也會(huì)隨之更加活躍，更重要的是該試驗(yàn)首次運(yùn)用代謝組學(xué)找出了代乳粉和精料補(bǔ)充料對(duì)犢牛瘤胃上皮組織的活性及其代謝產(chǎn)物發(fā)揮作用的代謝機(jī)制。以上研究證明，在飼喂反芻動(dòng)物時(shí)，精料添加水平應(yīng)嚴(yán)格控制在50%以下，如果精料添加水平較高，動(dòng)物在瘤胃中對(duì)飼料進(jìn)行消化吸收時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的有害代謝產(chǎn)物(主要為甲胺、內(nèi)毒素和丙酸)，這些物質(zhì)會(huì)在一定程度上影響體內(nèi)某些脲酶的活性，使機(jī)體的代謝活動(dòng)受到阻礙。

代謝組學(xué)方法在研究反芻動(dòng)物瘤胃活動(dòng)方面已經(jīng)有明顯的優(yōu)勢(shì)，它打破了常規(guī)方法的局限性，深入到瘤胃研究的分子水平，為反芻動(dòng)物的瘤胃研究帶來了新的機(jī)遇。代謝組學(xué)將瘤胃的代謝信息轉(zhuǎn)化成一定規(guī)則的圖形和數(shù)據(jù)輸出，使得我們有跡可循。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)高精料飼糧對(duì)動(dòng)物機(jī)體會(huì)有一定程度的損害，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)避免過量使用精料，減少不必要的損失。

2.2肝臟代謝組學(xué)

肝臟是機(jī)體物質(zhì)代謝的樞紐器官，具有解毒、消化、吸收、物質(zhì)代謝、能量代謝、免疫等多項(xiàng)功能，是糖、脂肪、氨基酸、維生素和激素代謝的主要場(chǎng)所，主要維持機(jī)體代謝和內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)衡[20]。在整個(gè)物質(zhì)代謝過程中，肝臟主要參與調(diào)節(jié)外周血液營養(yǎng)物質(zhì)的組成和代謝。反芻動(dòng)物食入飼糧后，飼糧會(huì)在瘤胃中發(fā)酵，產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)在消化道吸收后被運(yùn)送并匯入肝門靜脈，接著輸入到肝臟中，進(jìn)行必要的物質(zhì)代謝和能量代謝，后進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，參與新物質(zhì)的形成[21]。

目前，肝臟代謝的研究主要集中在找出調(diào)控肝臟物質(zhì)代謝的關(guān)鍵位點(diǎn)、瘤胃發(fā)酵產(chǎn)生的有害物質(zhì)對(duì)肝臟營養(yǎng)代謝的作用機(jī)制以及挖掘肝臟的物質(zhì)代謝通路上。傳統(tǒng)意義上，我們往往采用多血管瘺的方法來了解肝臟的代謝機(jī)制。但是多血管瘺安裝復(fù)雜，手術(shù)難度大，不但無法完全保持血管瘺的暢通，而且無法避免血管瘺對(duì)組織和器官的刺激。如果肝臟發(fā)生代謝紊亂及機(jī)能損傷，用多血管瘺技術(shù)所得到的血液樣品作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果不夠全面，對(duì)于肝臟的生理狀態(tài)和代謝過程的研究工作幫助并不大。而代謝組學(xué)能夠?qū)⒔M織樣中所有的代謝物檢測(cè)出來，并將它們?cè)跈C(jī)體內(nèi)的流動(dòng)過程以代謝通路的形式描述出來，避免了結(jié)果的片面性，為疾病的診斷和代謝通路的挖掘提供了有力支持[22]。Wang等[23]用20、40 μg/kg BW的內(nèi)毒素溶液對(duì)月齡、體重相近的2組關(guān)中奶山羊分別進(jìn)行腹腔注射，基礎(chǔ)飼糧配方相同，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，采集它們的肝臟組織并用1H-NMR進(jìn)行代謝物檢測(cè)，結(jié)合PLS-DA共找出9種組間差異代謝物，發(fā)現(xiàn)內(nèi)毒素主要通過影響肝臟的糖、脂肪和氨基酸代謝來影響肝臟的代謝狀態(tài)。

代謝組學(xué)在反芻動(dòng)物肝臟方面的應(yīng)用研究是近幾年剛興起的，目前并沒有得到大面積的普及和使用。我們查閱了大量資料發(fā)現(xiàn)，代謝組學(xué)在動(dòng)物方面的研究主要集中在小型動(dòng)物，尤其是以小鼠居多。像反芻動(dòng)物這種體型比較大的動(dòng)物，相關(guān)試驗(yàn)卻很少。一方面是參考資料比較少，另一方面是用反芻動(dòng)物作為試驗(yàn)材料成本較高，因此相關(guān)研究工作的開啟很受限制。同時(shí)這也是一個(gè)契機(jī)，已經(jīng)有人把代謝組學(xué)應(yīng)用在反芻動(dòng)物的肝臟代謝研究工作中，也得到了比較顯著的結(jié)果，說明此方向是很有研究?jī)r(jià)值的，為動(dòng)物營養(yǎng)研究提供了一個(gè)新的研究方向和思路。

2.3乳腺代謝組學(xué)

乳腺是奶牛泌乳代謝的重要器官，主要進(jìn)行乳成分的合成和分泌，并在乳腺腺泡中合成乳蛋白、乳脂和乳糖[24]。氨基酸和葡萄糖是乳腺代謝的兩大營養(yǎng)物質(zhì)，其中葡萄糖是合成乳糖的前體物質(zhì)，乳糖不僅能夠維持牛乳的滲透壓，而且它的合成量和合成效率都會(huì)影響乳品質(zhì)[25]；氨基酸主要參與反芻動(dòng)物乳蛋白的合成，飼糧中的氨基酸水平以及氨基酸平衡對(duì)泌乳奶牛的乳蛋白合成和產(chǎn)奶量的影響很大[26-27]。所以，研究乳腺的物質(zhì)代謝以及代謝機(jī)制至關(guān)重要，我們通過代謝通路能夠了解飼糧中葡萄糖和氨基酸的含量如何影響乳品質(zhì)，為進(jìn)一步提高乳脂和乳蛋白含量進(jìn)而提高產(chǎn)奶量提供了一個(gè)考量標(biāo)準(zhǔn)。王小艷[21]分別采取泌乳3個(gè)月的高乳品質(zhì)組奶牛、低乳品質(zhì)組奶牛以及干奶期1個(gè)月的奶牛的乳腺組織(n=9)，并用1H-NMR檢測(cè)這些組織樣，結(jié)合PLS-DA和OPLS-DA分析結(jié)果顯示，高乳品質(zhì)組奶牛與低乳品質(zhì)組奶牛相比，肌酸、乳酸、蛋氨酸、賴氨酸、亮氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸的含量都顯著升高，揭示氨基酸水平的升高可以在一定程度上提高奶牛的乳蛋白含量，在實(shí)際生產(chǎn)過程中可有意給動(dòng)物補(bǔ)充某些氨基酸以提高乳蛋白含量，進(jìn)而提高產(chǎn)奶量。Sun等[28]利用基于GC-MS的代謝組學(xué)方法對(duì)飼喂2種不同粗飼料(苜蓿干草和玉米秸稈)的泌乳奶牛(n=16，平均分為2組，每組8頭)的4個(gè)樣本(體液、牛乳、血清、血漿)進(jìn)行代謝組學(xué)檢測(cè)，在試驗(yàn)進(jìn)行80 d后，采集它們的這4個(gè)樣本進(jìn)行高通量檢測(cè)和多元統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)本試驗(yàn)主要涉及到的代謝通路有甘氨酸代謝、絲氨酸代謝、蘇氨酸代謝、酪氨酸代謝和苯丙氨酸代謝，同時(shí)發(fā)現(xiàn)這些代謝通路可以直接作為評(píng)價(jià)奶牛的產(chǎn)奶性能和乳蛋白含量的一個(gè)重要參數(shù)。

乳腺代謝組學(xué)是一項(xiàng)主要以乳汁和乳腺組織為研究材料的研究，目的是尋找與產(chǎn)奶性能和乳蛋白質(zhì)量相關(guān)的重要指標(biāo)，進(jìn)而尋找出動(dòng)物體內(nèi)能夠影響動(dòng)物產(chǎn)奶性能的關(guān)鍵因素，同時(shí)還可評(píng)價(jià)飼糧的飼用價(jià)值，以及尋找能夠在奶牛產(chǎn)奶期提高產(chǎn)奶量的飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)物，供奶牛養(yǎng)殖業(yè)參考。另外，奶牛養(yǎng)殖在我國南方還屬于起步階段，在夏季南方的熱應(yīng)激現(xiàn)象特別嚴(yán)重，嚴(yán)重影響奶牛的產(chǎn)奶量。為了減少熱應(yīng)激帶來的不良影響，養(yǎng)殖場(chǎng)也會(huì)在奶牛的飼糧上做一些改變，一方面努力增加飼糧的適口性，另一方面還得保證奶牛的產(chǎn)奶性能不被抑制，代謝組學(xué)方法在此時(shí)是很適用的，可以作為評(píng)價(jià)飼糧的輔助工具。

2.4血液代謝組學(xué)

血液代謝組學(xué)包括血清代謝組學(xué)和血漿代謝組學(xué)2個(gè)部分。總體來講，血液代謝組學(xué)在反芻動(dòng)物方面的研究主要集中在疾病診斷上，例如奶牛的酮病、產(chǎn)后乏情、熱應(yīng)激、乳熱、卵巢靜止、急性腐蹄病、產(chǎn)后能量負(fù)平衡、脂肪肝等。李影等[29]用1H-NMR的代謝組學(xué)方法檢測(cè)患有Ⅰ型和Ⅱ型酮病奶牛的血漿，發(fā)現(xiàn)奶牛體內(nèi)的糖代謝(三羧酸循環(huán)受阻)、脂代謝(能量負(fù)平衡的發(fā)生)、以及氨基酸代謝(生糖氨基酸進(jìn)入其他代謝途徑)的異常導(dǎo)致了酮病的發(fā)生。王剛等[30]用基于1H-NMR的代謝組學(xué)方法檢測(cè)患有產(chǎn)后乏情的奶牛的血漿，并找出了產(chǎn)后乏情患病的關(guān)鍵因素，主要是奶牛的能量、氨基酸、脂肪和膽堿的物質(zhì)代謝途徑受到抑制，使得奶牛體內(nèi)生殖激素的分泌紊亂，導(dǎo)致了產(chǎn)后乏情的發(fā)生。田賀[31]用LC-MS和1H-NMR的代謝組學(xué)方法檢測(cè)了發(fā)生熱應(yīng)激的奶牛的血漿，發(fā)現(xiàn)奶牛之所以會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)主要是因?yàn)樗鼈凅w內(nèi)的碳水化合物、氨基酸和脂肪代謝發(fā)生紊亂，導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)出現(xiàn)能量負(fù)平衡。鄭家三等[32]運(yùn)用1H-NMR的代謝組學(xué)方法檢測(cè)患有急性腐蹄病奶牛的血清，發(fā)現(xiàn)急性腐蹄病主要是因?yàn)樘?糖異生)、碳水化合物(甘油和琥珀酸)以及脂肪代謝(脂肪動(dòng)員)途徑受阻引起的。

血液遍布全身各大組織和器官周圍，參與機(jī)體大部分的新陳代謝過程，是維持生命活動(dòng)的“輸油管道”。機(jī)體內(nèi)的物質(zhì)或者信息介質(zhì)的含量發(fā)生微小的波動(dòng)都能在血液中得到很好的響應(yīng)。譬如當(dāng)機(jī)體發(fā)生疾病時(shí)，體內(nèi)的某些生理活動(dòng)就會(huì)受到抑制或者促進(jìn)，而參與此活動(dòng)的物質(zhì)與機(jī)體不發(fā)病時(shí)的狀態(tài)是不同的，或者被轉(zhuǎn)化成不利于機(jī)體的有害物質(zhì)，或是含量變化到機(jī)體無法維持正常生命活動(dòng)。那么我們把這些物質(zhì)挖掘出來，循著這些信息深層剖析，就能發(fā)現(xiàn)該疾病是由什么引起的，在體內(nèi)有何癥狀，對(duì)于尋找治療方案和預(yù)防措施極有幫助。血液由血清和血漿組成，兩者間最大的區(qū)別是血漿里含有纖維蛋白原，血清中沒有，但是都能夠反映機(jī)體的動(dòng)態(tài)代謝狀態(tài)，都可以作為代謝組學(xué)的分析材料。

3 小 結(jié)

由于生物機(jī)體的復(fù)雜性，常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)在探究機(jī)體內(nèi)潛在的分子機(jī)制時(shí)往往受到很大的限制，深層信息也很難被很清晰地挖掘出來。一方面，代謝組學(xué)能巧妙地把生物系統(tǒng)所蘊(yùn)含的生命信息放大，讓其中的代謝通路清晰可見，大大減少科研工作者探索和剖析的工作量；另一方面，代謝組學(xué)從小分子代謝物質(zhì)的角度來把握和闡述機(jī)體對(duì)各種內(nèi)外因素所做出的動(dòng)態(tài)應(yīng)答，對(duì)于探究某些營養(yǎng)物質(zhì)或活性物質(zhì)對(duì)機(jī)體的作用機(jī)制幫助很大。代謝組學(xué)方法不僅能夠?qū)C(jī)體的特定部位在某一特定時(shí)間內(nèi)的所有參與刺激因素的動(dòng)態(tài)應(yīng)答的小分子代謝物呈現(xiàn)在同一張圖譜上，還能描述出其中的代謝物以及潛在生物標(biāo)記物的組成及含量。目前，代謝組學(xué)在反芻動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要涉及肝臟代謝組學(xué)、瘤胃代謝組學(xué)、乳腺代謝組學(xué)和血液代謝組學(xué)，旨在找出其中的營養(yǎng)物質(zhì)代謝通路和某種飼料原料(或添加劑)在動(dòng)物體內(nèi)的代謝機(jī)制。譬如評(píng)價(jià)飼糧的配方是否合理，只有切實(shí)到動(dòng)物機(jī)體內(nèi)的整個(gè)反應(yīng)過程和體內(nèi)代謝物質(zhì)的變化，我們才能夠?qū)υ擄暭Z做出客觀的評(píng)價(jià)，傳統(tǒng)的研究方法大多采取屠宰的方式來獲得樣本，但是反芻動(dòng)物這種體型較大的動(dòng)物，屠宰的成本和損失很大。而代謝組學(xué)只需要采集一些該動(dòng)物的血液、組織液、尿液等簡(jiǎn)單樣品，或者是隨機(jī)挑出幾只進(jìn)行活體屠宰來獲取組織樣，與傳統(tǒng)方式相比更簡(jiǎn)捷。并且代謝組學(xué)所得到的數(shù)據(jù)比較全面系統(tǒng)，對(duì)于我們的試驗(yàn)具有很高的參考價(jià)值。但是，代謝組學(xué)還存在一些缺陷，目前它的數(shù)據(jù)庫還不是特別完備，因此我們?cè)谑褂么x組學(xué)技術(shù)時(shí)，要根據(jù)自己的能力和經(jīng)驗(yàn)來克服數(shù)據(jù)方面的問題。

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*Corresponding author, associate professor, E-mail: SUNBAOLI221@126.com

(責(zé)任編輯 菅景穎)

Advance in the Application of Metabonomics to Nutrition Research of Ruminants

DAI Tongtong LI Yaokun LIU Dewu LIU Guangbin SUN Baoli*

(Herbivores Research Laboratory, College of Animal Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Metabonomics is a new discipline which is applied to study all metabolites of biological systems. It can not only detect the changes of all metabolites of a particular biological system, but also systematically measure the metabolites by the means of its unique analytical platforms and data analysis platforms. Owing to its widely applicability, metabonomics has been employed to nutrition study of ruminants in recent years. In this paper, we reviewed the application of metabonomics in ruminant nutrition, including the metabonomics of the rumen, the liver, the breast and the blood.[ChineseJournalofAnimalNutrition,2017,29(9)：3044-3050]

metabonomics; ruminant; nutrition; rumen; liver; breast; blood

10.3969/j.issn.1006-267x.2017.09.004

2017-02-13

廣東省科技廳公益研究與能力建設(shè)項(xiàng)目(2014A020208104，2016A020210083)

代童童(1991—)，女，河南商丘人，碩士研究生，從事草食動(dòng)物營養(yǎng)調(diào)控技術(shù)研究。E-mail： 1172726792@qq.com

*通信作者：孫寶麗，副教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail： SUNBAOLI221@126.com

S811.3

：A

：1006-267X(2017)09-3044-07