血液转录组和代谢组在家畜繁殖中的研究进展.pdf

康彦东，郭宪.血液转录组和代谢组在家畜繁殖中的研究进展J.中国草食动物科学，2024，44（1）：29-33DOI:10.3969/j.issn.2095-3887.2024.00.006血液转录组和代谢组在家畜繁殖中的研究进展康彦东，郭宪（中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所，农业农村部青藏高原畜禽遗传育种重点实验室，甘肃省牦牛繁育重点实验室，兰州730050）摘要：优良的繁殖性能可以提高养殖效益，促进家畜种群的改良和遗传进化。文章主要介绍了血液转录组和血液代谢组在家畜繁殖中的应用和研究进展，这两个新兴领域通过对基因表达和代谢过程的研究，揭示出与繁殖性能相关的关键基因和代谢途径，为提高家畜繁殖效率、预测繁殖效果和评估繁殖健康状况提供了理论依据。其中，血液转录组在基因选择、病原体检测和环境适应性等方面发挥了关键作用，血液代谢组则在繁殖性能的评价、疾病预测诊断和饲料营养优化等方面有着广泛的应用。总体来看，血液转录组和血液代谢组对于未来家畜繁殖性能的研究具有重要参考价值，是实现可持续农业发展的重要工具。关键词：血液转录组；血液代谢组；家畜繁殖中图分类号：S814文献标志码：A文章编号：2095-3887（2024）01-0029-05Research Progress of Blood Transcriptome and Metabolome in Livestock BreedingKANG Yandong,GUO Xian(Lanzhou Institute of Husbandry and Pharmaceutical Sciences,Chinese Academy of Agricultural Sciences,KeyLaboratory of Animal Genetics and Breeding on Tibetan Plateau,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Key Laboratory of Yak Breeding in Gansu Province,Lanzhou 730050,China)Abstract:Excellent reproductive performance can improve breeding efficiency and promote the improvement andgenetic evolution of livestock populations.This paper mainly introduced the application and research progress of bloodtranscriptome and blood metabollome in livestock reproduction.Through the study of gene expression and metabolicprocess,the two emerging fields revealed the key genes and metabolic pathways related to reproductive performance,which provided a theoretical basis for improving reproductive efficiency,predicting reproductive effect and evaluatingreproductive health.Among them,the blood transcriptome played a key role in gene selection,pathogen detection andenvironmental adaptability.The blood metabolome was widely used in the evaluation of reproductive performance,diseaseprediction and diagnosis,and feed nutrition optimization.In general,blood transcriptome and blood metabolome hadimportant reference value for future research on the reproductive performance of livestock,and were important toolsfor achieving sustainable agricultural development.Keywords:blood transcriptome;blood metabolome;livestock breeding家畜繁殖管理水平直接关系到畜牧业生产发展和人类生活质量的提高。优良的繁殖性能可以提高养殖效益，增加产品质量，促进家畜种群的改良和遗传进化。在实现可持续农业发展的过程中，家畜繁殖的研究显得尤为重要。在家畜繁殖管理中，提高繁殖效益是至关重要的目标。家畜繁殖的成功与否直接影响着收稿日期：2023-11-09基金项目：国家重点研发计划（2022YFD1302103）；财政部和农业农村部-现代农业（肉牛牦牛）产业技术体系建设专项（CARS-37）；中国农业科学院科技创新工程牦牛资源与育种（25-LZIHPS-01）；东西部协作科技项目（202301）作者简介：康彦东（1997-），男，硕士研究生，研究方向为动物遗传育种与繁殖通信作者：郭宪（1978-），男，研究员，博士，博士生导师，研究方向为动物遗传育种/动物繁育原理与技术-292024年第44卷第1期中国草食动物科学Vol.44 No.1 2024China Herbivore Science其产业的发展和经济效益。为了实现可持续发展和提高家畜繁殖效率，科学家们一直在寻求新的研究方法和技术来改善繁殖管理。随着生物信息学的快速发展，转录组学和代谢组学作为其中两个重要分支，已经在家畜繁殖管理中发挥了重要的作用。转录组学用于研究转录过程中的所有RNA分子，可以揭示基因的表达情况和调控机制，从而帮助了解家畜繁殖过程中的基因调控网络以及生物体内的功能和特性。代谢组学则被用于研究生物体内代谢产物的组成和变化，可以揭示家畜繁殖过程中的代谢调控机制，可以提供关于代谢通路活性、物质转化的信息，对于深入了解生物体的代谢状态和生理功能非常有帮助，为改善繁殖效果提供理论依据。血液作为实现机体各器官间相互交流的介质，也是全身循环系统的重要组成部分，聚集了整个系统的代谢和转录变异，是确保系统功能之间灵活性联络的关键，可以反映出机体的整体状态和代谢活动。因此血液具备系统地分析家畜生物学机制的潜力1。通过对血液转录组的研究，可以了解到家畜繁殖过程中基因的表达变化，从而找到与繁殖性能相关的关键基因2-3。同时，血液代谢组的研究可以揭示家畜繁殖过程中的代谢特征和代谢途径的变化，为繁殖管理提供指导。血液转录组和血液代谢组是通过高通量测序技术和质谱分析技术，对血液样本中的RNA分子和代谢产物进行检测和分析。血液转录组可以通过测定mRNA的表达水平来了解基因的表达情况，常用的方法包括RNA测序和微阵列技术。血液代谢组可以通过分析代谢产物的组成和变化来了解代谢活动，常用的方法包括质谱分析和核磁共振技术。在当前的家畜繁殖研究中，血液转录组和血液代谢组的应用已经取得了一些重要进展1，4-6。通过对血液样本的分析，可以发现与繁殖性能相关的基因和代谢途径，为精准繁殖和选育提供科学依据。此外，血液转录组和血液代谢组还可以作为评估繁殖健康状况和预测繁殖效果的重要指标。血液转录组和血液代谢组在家畜繁殖中的研究具有重要性和必要性。为此，文章对血液转录组和代谢组在家畜繁殖中的研究作一综述，以期为血液转录组和血液代谢组在家畜繁殖相关领域的研究提供一定参考。1血液转录组在家畜繁殖中的研究进展血液是生物体内较容易获取的生物液体，与其他组织相比，血液样本可以随着时间的推移反复取样，且不改变动物的生理状态6。转录组学分析是识别基因表达特征的有力工具7，血液作为一种高度可获取的信息来源，是营养物质、细胞和分析信号的主要通道。因此，使用血液转录组学可用于检测家畜由于健康、繁殖状态、饮食、营养或应激而产生的生理状态变化或开发新的传染病生物标志物8。1.1基因选择血液转录组作为一种容易获取的基于转录的生物标记物的来源，受到越来越多动物科学研究者的关注。早期、准确的妊娠诊断对经济动物养殖场的有效管理具有重要意义。Shen等7认为，除了目前用于母猪早期诊断的方法外，外周血中的核酸可能含有一些妊娠早期特异性分子标记物，其中有 9 个包括 LPAR3、RXFP4、GALP、CBR1、CBR2、GPX6、USP18、LHB 和NR5A1在内的基因被发现与早孕过程相关。该研究提供了一个线索，即母体外周血中差异丰富的RNA有助于识别猪早期妊娠的分子标记。戴豪杨1选择高产奶性能和低产奶性能的荷斯坦奶牛为研究对象，利用高通量测序技术获得全血液转录组进行等位基因特异性表达分析，筛选出两个极端产奶性状组相关表达的差异ASE（等位基因特异性表达）及相关通路，并利用生物信息学检测奶牛血液中具有特异表达的等位基因，发现了DGAT1、STAT1、SLC36A1三个基因与奶牛产奶性能密切相关。武雪会9以荷斯坦奶牛为试验牛，基于全血转录组探究影响奶牛乳蛋白产量的转录调控机制，生物标志物和定量分析结果显示，COL18A1可作为鉴定奶牛乳蛋白产量的潜在生物标志物。总的来说，血液转录组在家畜基因选择中的应用广泛且效果显著，无论是在早期妊娠诊断还是在分子育种的转录调控等方面都显示出其巨大的潜力和价值。这也预示着在未来，通过转录组学研究，可以识别出哪些基因在家畜的繁殖过程中起着关键的作用，然后通过选择性育种，激活或抑制这些基因，以加快分子育种的进程。1.2病原体检测目前，研究者采用转录组测序技术（RNA-seq）在不同的生物学应用中（包括对疾病状态、感染反应和生产性能的理解）做出了重大贡献，特别是在奶牛研究领域，利用血液转录组对高产与低产奶量的奶牛进行区分，并发现等位基因特异性表达可能对奶牛的泌乳性能有一定影响。例如，针对低产奶牛，Li等10研究发现MAP4K4基因与泌乳奶牛乳房炎的发生相关。RNA-seq也被广泛应用于传染病的研究。例如，当山羊受到BVDV-2的感染时，其外周血单核细胞的转录组会发生改变，这些改变主要涉及炎症、防御反应、细胞运动、-30康彦东，郭宪.血液转录组和代谢组在家畜繁殖中的研究进展J.中国草食动物科学，2024，44（1）：29-33细胞因子/趋化因子介导的信号转导等宿主免疫反应。同时，RNA-Seq技术还被证明可以准确诊断早期牛结核病11。RNA-seq 技术还可以帮助理解遗传标记在疾病易感性中的作用。Wang等12的研究显示，CCL20、IL13、MMP3和BLADQB基因可能作为金黄色葡萄球菌引起乳腺炎的遗传标记。总的来说，RNA-seq技术在家畜疾病研究等方面展示出巨大的潜力，可以帮助深入理解家畜的基因表达模式及其在疾病发生和发展中的作用，通过观察基因表达的变化，可以早期发现可能对繁殖产生不利影响的疾病或病原体。1.3环境适应性随着RNA-seq技术的应用，目前对不同环境条件下生物的基因表达调控及功能适应性变化有了更深入的研究。具体到血液转录组在适应性方面的研究，以下主要从动物适应高海拔低氧环境和北方恶劣气候等方面进行探讨。Pokharel 等13通过对欧亚大陆北部的本土牛种（如北芬牛和雅库特牛）和商业品种（如荷斯坦牛）的血液进行了 RNA-seq 分析，认为以上品种牛在免疫维持、恶劣气候适应以及抗病机制方面存在品种特异性。Verma1等14对拉达克地区（海拔约5 500 m）牛和热带地区萨希瓦尔牛的血液转录组特征进行了分析，发现INHBC、ITPRI、HECA、ABI3、GPR171和HIF-1基因参与了缺氧和应激反应，这为理解这些牛种在高海拔适应中起着关键作用提供了新的线索。以上研究结果说明，通过对血液转录组的深入研究，不仅可以了解动物适应恶劣环境的基因表达调控和功能适应性变化，还可以揭示不同品种之间在适应性方面的差异，为动物育种提供重要的理论依据和实践指导。2血液代谢组在家畜繁殖中的研究进展血液代谢组学是指通过检测和分析血液中的各种小分子代谢物（包括糖、脂肪酸、氨基酸、核酸以及维生素等），来研究机体的代谢状态，进而反映出机体健康状况，或诊断疾病的一门科学。因为血液在身体中流动，可以反映出全身的代谢状况，所以血液代谢组学的研究对于医学研究和临床诊断具有重要的意义，血液代谢组为家畜繁殖性能的提高提供了一种新的方法。2.1对繁殖性能的评估血液代谢组学是通过监测和分析动物血液中的代谢物来评估其生理状态和繁殖性能的一种方法。多项研究表明，血液中特定代谢物的浓度与动物的生育能力、孕期长度等相关。丁鸿祥等15研究发现，空怀绵羊的粪便微生物和血清代谢物组成与妊娠绵羊存在明显差异，肠道菌群与血清代谢物之间的相互作用可以影响母羊的妊娠生理状态，并推测Berteroin可能通过调节母羊的炎症因子平衡来促进妊娠的建立和维持。孙玲伟等16利用不同妊娠期的健康湖羊作为妊娠期动物模型，运用代谢组学技术探究了母羊在不同生理状态下血液代谢组的变化规律。结果显示，母羊体内主要差异代谢物与氨基酸代谢和脂类代谢相关。这表明代谢组学检测平台可以用于评估绵羊在不同妊娠时间点的血液代谢状态。在湖羊的妊娠期中，氨基酸代谢和脂类代谢对满足其营养需求尤为重要。血液代谢组学在家畜繁殖性能评价方面具有重要应用价值。通过监测血液中的代谢物，可以了解动物的生理状态、繁殖能力以及妊娠过程中的营养需求，为进一步深入了解动物的繁殖机制提供有力的依据，并为家畜繁殖管理和优化提供了新的思路。2.2对疾病的预测和诊断代谢组学技术在家畜疾病的早期诊断和预测方面具有重要的应用潜力。通过监测血液中的代谢物变化，可以发现某些繁殖相关疾病（如乳腺炎、子宫炎）的早期信号，从而实现早期诊断和预防。胡晓旭等17利用代谢组学技术研究了饲喂含有持久性有机污染物PCDD/Fs的饲料对奶牛血液代谢组学的影响，发现含PCDD/Fs的饲料会引起试验奶牛AhR内源性配体等50个差异代谢物的变化，为探究PCDD/Fs暴露的健康风险生物标志物提供了重要依据。郭延生等18使用GC-MS技术研究了热应激对奶牛血液代谢物及其代谢通路的影响，结果表明，热应激加剧了奶牛能量负平衡状态，主要通过增强脂肪酸氧化和甘油分解代谢途径活性以及抑制糖酵解过程进行调节和应答。这些研究结果为进一步阐明家畜疾病的发生机制提供了科学依据。张翠羽19使用 1H NMR 和 LC-MS技术研究了围产期维生素E亚临床缺乏奶牛血浆的代谢变化，结果显示，围产期VE亚临床缺乏会导致奶牛体内糖类、脂类和氨基酸等多种代谢物的异常变化，为深入探究围产期VE亚临床缺乏的发生机理和开发新的防治策略奠定了基础。绵羊是季节性繁殖动物，空怀和卵泡囊肿是影响绵羊正常繁殖周期的常见问题。丁鸿祥2通过研究空怀绵羊和卵泡囊肿绵羊的粪便微生物多样性和血清代谢组特征发现，多种代谢物可能与母羊卵巢囊肿形成有潜在关系，为解析该疾病的发生机制提供了线索。妊娠毒血症（PT）是绵羊常见的一种营养代-312024年第44卷第1期中国草食动物科学Vol.44 No.1 2024China Herbivore Science谢性疾病，但其发病机制尚未完全阐明。邹东敏等5使用非靶向代谢组学技术鉴定PT绵羊与正常绵羊血液的差异代谢物，发现多个代谢物与PT的发生有关，揭示了调节三磷酸腺苷结合盒转运蛋白、2-氧羰基酸等代谢途径在绵羊PT发生中的重要作用。综上所述，血液代谢组学技术在家畜疾病的诊断和预测方面具有广泛的应用前景，可以帮助更好地理解疾病的发生机制并采取相应的预防措施。2.3对饲料营养的优化血液代谢物的组成反映了动物对饲料中营养物质的吸收和利用情况。通过对血液代谢物的分析，可以为优化饲料营养提供指导，从而提高动物的生产性能和繁殖效益。在山羊中，长期添加较高剂量的酒糟可能引起慢性中毒，导致肝脏和肾脏受损，钙磷代谢紊乱以及乙醇代谢紊乱。多巴胺、2-呋喃酰甘氨酸、前列腺素I2可能是该病诊断的潜在生物标志物20。围产期是奶牛泌乳周期中最关键的阶段，也是奶牛生理和代谢容易发生紊乱的时期。研究表明，在围产前期奶牛饲料中添加30 g/d的蛋氨酸羟基类似物异丙醋可以通过调节奶牛的氨基酸和糖代谢水平来缓解围产期能量和蛋白质的负平衡状态，并提高其机体的免疫和抗氧化功能21。这种调节作用可能与调节体内氨基酸和糖代谢有关。徐志鹏4研究发现，汉麻草粉对黑山羊的多种代谢途径，如氨基酸代谢、能量代谢和激素代谢产生影响。通过调节相关差异代谢物的水平，汉麻草粉改善了黑山羊的生长性能和免疫能力。因此，汉麻草粉可以作为一种优质的非常规饲草资源应用于反刍动物的生产中。综上所述，血液代谢组学分析在动物饲料营养和繁殖效益方面具有重要的指导意义。通过对代谢物的监测和分析，可以了解动物对饲料中营养物质的利用情况，并针对性地优化饲料配方，提高动物的生产性能和繁殖效益。3血液转录组和血液代谢组在家畜繁殖中的结合应用血液转录组和血液代谢组两种技术结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达和代谢物水平的相互关系。将血液转录组和血液代谢组两种技术结合起来使用，可以更全面地了解血液中基因表达和代谢物的变化情况。通过分析两者之间的关联，可以深入研究某个生物过程或疾病状态，并发现潜在的治疗靶点或生物标志物。此外，结合使用这两种技术还可以帮助理解不同基因表达与代谢产物之间的相互作用机制，可以为疾病研究、分子育种等提供更准确的信息。在相同日粮和管理条件下，奶牛自身生理因素（生理阶段、血液生化、血清激素水平）可初步反映奶牛乳蛋白产量（MPY）的差异原因。武雪会9结合血清代谢组学和转录组学深入挖掘了造成奶牛MPY差异的通路及调控机制，从生理角度研究如何提高奶牛MPY奠定了基础，该研究鉴定出了可以反映奶牛MPY的生物标志物，具有重要的实践意义。在肉牛生产方面，背膘厚度（BFT）是一种间接预测全身脂肪含量的方法，因此，有研究对高BFT和低BFT的秦川牛血液进行了转录组和代谢组的联合分析，结果表明鞘脂代谢通过血液循环调节BFT，并发现了主要代谢产物（血清神经酰胺和S1P）和关键基因（SMPD3和CERS1），这对高效养殖和高质量牛肉生产具有重要意义22。4结语随着生物信息学技术的发展，血液转录组和血液代谢组在家畜繁殖领域已经取得了显著的研究进展。血液转录组研究有助于了解家畜繁殖过程中基因表达的变化，揭示与繁殖性能相关的关键基因，为精准繁殖和选育提供科学依据。血液代谢组研究则揭示繁殖生理过程中的主要代谢特征和代谢途径的变化，为繁殖管理提供重要指导。这两种技术对于评估繁殖健康状态、预测繁殖效果以及优化饲料营养具有重大意义。未来，血液转录组和血液代谢组将进一步广泛应用于家畜繁殖研究，如更深入地探讨疾病的发生机制、疾病预防和早期诊断等。随着技术的进步，如高通量测序技术和质谱分析技术，将有可能揭示更多未知的基因调控网络和代谢通路，这将为改善家畜繁殖管理提供更精确、更高效的方法和策略。此外，还期待看到更多将血液转录组和血液代谢组两种技术结合使用的研究，以全面地理解基因表达与代谢物水平之间的相互关系，深入研究生物过程或疾病状态，并发现潜在的治疗靶点或生物标志物。血液转录组和血液代谢组在家畜繁殖研究中的应用具有巨大的潜力和影响力。尤其是，在实现可持续农业发展的过程中，这两种技术可以帮助科学家们寻找新的研究方法和技术，从而提高家畜生产力及繁殖潜力。参考文献1 戴豪杨.奶牛全血转录组等位基因特异性表达分析 D.呼和浩特：内蒙古农业大学，2019.2 丁鸿祥.卵泡囊肿绵羊粪便微生物和血液代谢组特征分析 D.洛-32康彦东，郭宪.血液转录组和代谢组在家畜繁殖中的研究进展J.中国草食动物科学，2024，44（1）：29-33阳：河南科技大学，2022.3 SANGLARD L P，NASCIMENTO M，MORIEL P，et al.Impact of energy restriction during late gestation on the muscle and blood transcriptome of beef calves after preconditioningJ.BMC Genomics，2018，19（1）：702.4 徐志鹏.汉麻草粉对湘东黑山羊生长性能、瘤胃内环境以及血液代谢组的影响 D.扬州：扬州大学，2021.5 邹东敏.加味一贯煎对绵羊肝细胞损伤的调控研究及妊娠毒血症绵羊血液代谢组学分析 D.太谷：山西农业大学，2021.6 孙燕勇.整合eGWAS和eQTL分析绵羊全血转录组与繁殖激素的关联 D.呼和浩特：内蒙古农业大学，2021.7 SHEN J，ZHOU C，ZHU S，et al.Comparative transcriptome analysis reveals early pregnancy-specific genes expressed in peripheralblood of pregnant sows J.PloS One，2014，9（12）：e114036.8 O LOUGHLIN A，LYNN D J，MCGEE M，et al.Transcriptomicanalysis of the stress response to weaning at housing in bovine leukocytes using RNA-seq technology J.BMC Genomics，2012，13：250.9 武雪会.基于血液组学解析荷斯坦奶牛乳蛋白产量的差异研究D.杭州：浙江大学，2019.10LI W，MAO L，Shu X，et al.Transcriptome analysis reveals diffe-rential immune related genes 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J.动物营养学报，2022，34（5）：3107-3121.16孙玲伟，戴建军，张德福，等.不同妊娠期湖羊血液代谢组变化规律的研究 C/第十五届中国实验动物科学年会论文集.昆明：中国实验动物学会，2019：686-700.17胡晓旭，许彤，陈旸升，等.二恶英暴露下奶牛血液代谢组学研究J.环境化学，2023，42（4）：1067-1076.18郭延生，贾启鹏，陶金忠.基于GC-MS策略的奶牛热应激血液代谢组学研究 J.畜牧兽医学报，2015，46（8）：1356-1362.19张翠羽.奶牛泌乳早期亚临床维生素E缺乏的血浆代谢组学分析D.大庆：黑龙江八一农垦大学，2020.20朱瑞.慢性白酒糟中毒山羊血液生化、代谢组学及乙醇代谢途径关键基因表达变化 D.重庆：西南大学，2022.21王凤莲.围产前期添加蛋氨酸羟基类似物异丙酯对奶牛血液指标的影响及代谢组学的分析 D.银川：宁夏大学，2021.22YU H，RAZA S H A，PAN Y，et al.Integrative analysis of blood transcriptomics and metabolomics reveals molecular regulation of backfatthickness in Qinchuan cattleJ.Animals：an Open Access Journalfrom MDPI，2023，13（6）：1060.-33