血液轉錄組和代謝組在家畜繁殖中的研究進展

康彥東，郭 憲

（中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所，農業農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系到畜牧業生產發展和人類生活質量的提高。優良的繁殖性能可以提高養殖效益，增加產品質量，促進家畜種群的改良和遺傳進化。在實現可持續農業發展的過程中，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重要的目標。家畜繁殖的成功與否直接影響著其產業的發展和經濟效益。為了實現可持續發展和提高家畜繁殖效率，科學家們一直在尋求新的研究方法和技術來改善繁殖管理。

隨著生物信息學的快速發展，轉錄組學和代謝組學作為其中兩個重要分支，已經在家畜繁殖管理中發揮了重要的作用。轉錄組學用于研究轉錄過程中的所有RNA 分子，可以揭示基因的表達情況和調控機制，從而幫助了解家畜繁殖過程中的基因調控網絡以及生物體內的功能和特性。代謝組學則被用于研究生物體內代謝產物的組成和變化，可以揭示家畜繁殖過程中的代謝調控機制，可以提供關于代謝通路活性、物質轉化的信息，對于深入了解生物體的代謝狀態和生理功能非常有幫助，為改善繁殖效果提供理論依據。血液作為實現機體各器官間相互交流的介質，也是全身循環系統的重要組成部分，聚集了整個系統的代謝和轉錄變異，是確保系統功能之間靈活性聯絡的關鍵，可以反映出機體的整體狀態和代謝活動。因此血液具備系統地分析家畜生物學機制的潛力［1］。通過對血液轉錄組的研究，可以了解到家畜繁殖過程中基因的表達變化，從而找到與繁殖性能相關的關鍵基因［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。血液轉錄組和血液代謝組是通過高通量測序技術和質譜分析技術，對血液樣本中的RNA 分子和代謝產物進行檢測和分析。血液轉錄組可以通過測定mRNA的表達水平來了解基因的表達情況，常用的方法包括RNA 測序和微陣列技術。血液代謝組可以通過分析代謝產物的組成和變化來了解代謝活動，常用的方法包括質譜分析和核磁共振技術。在當前的家畜繁殖研究中，血液轉錄組和血液代謝組的應用已經取得了一些重要進展［1，4-6］。通過對血液樣本的分析，可以發現與繁殖性能相關的基因和代謝途徑，為精準繁殖和選育提供科學依據。此外，血液轉錄組和血液代謝組還可以作為評估繁殖健康狀況和預測繁殖效果的重要指標。

血液轉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，以期為血液轉錄組和血液代謝組在家畜繁殖相關領域的研究提供一定參考。

1 血液轉錄組在家畜繁殖中的研究進展

血液是生物體內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取樣，且不改變動物的生理狀態［6］。轉錄組學分析是識別基因表達特征的有力工具［7］，血液作為一種高度可獲取的信息來源，是營養物質、細胞和分析信號的主要通道。因此，使用血液轉錄組學可用于檢測家畜由于健康、繁殖狀態、飲食、營養或應激而產生的生理狀態變化或開發新的傳染病生物標志物［8］。

1.1 基因選擇

血液轉錄組作為一種容易獲取的基于轉錄的生物標記物的來源，受到越來越多動物科學研究者的關注。早期、準確的妊娠診斷對經濟動物養殖場的有效管理具有重要意義。Shen 等［7］認為，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記物，其中有9 個包括LPAR3、RXFP4、GALP、CBR1、CBR2、GPX6、USP18、LHB和NR5A1在內的基因被發現與早孕過程相關。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記。戴豪楊［1］選擇高產奶性能和低產奶性能的荷斯坦奶牛為研究對象，利用高通量測序技術獲得全血液轉錄組進行等位基因特異性表達分析，篩選出兩個極端產奶性狀組相關表達的差異ASE（等位基因特異性表達）及相關通路，并利用生物信息學檢測奶牛血液中具有特異表達的等位基因，發現了DGAT1、STAT1、SLC36A1三個基因與奶牛產奶性能密切相關。武雪會［9］以荷斯坦奶牛為試驗牛，基于全血轉錄組探究影響奶牛乳蛋白產量的轉錄調控機制，生物標志物和定量分析結果顯示，COL18A1可作為鑒定奶牛乳蛋白產量的潛在生物標志物?？偟膩碚f，血液轉錄組在家畜基因選擇中的應用廣泛且效果顯著，無論是在早期妊娠診斷還是在分子育種的轉錄調控等方面都顯示出其巨大的潛力和價值。這也預示著在未來，通過轉錄組學研究，可以識別出哪些基因在家畜的繁殖過程中起著關鍵的作用，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程。

1.2 病原體檢測

目前，研究者采用轉錄組測序技術（RNA-seq）在不同的生物學應用中（包括對疾病狀態、感染反應和生產性能的理解）做出了重大貢獻，特別是在奶牛研究領域，利用血液轉錄組對高產與低產奶量的奶牛進行區分，并發現等位基因特異性表達可能對奶牛的泌乳性能有一定影響。例如，針對低產奶牛，Li等［10］研究發現MAP4K4基因與泌乳奶牛乳房炎的發生相關。RNAseq也被廣泛應用于傳染病的研究。例如，當山羊受到BVDV-2 的感染時，其外周血單核細胞的轉錄組會發生改變，這些改變主要涉及炎癥、防御反應、細胞運動、細胞因子/趨化因子介導的信號轉導等宿主免疫反應。同時，RNA-Seq 技術還被證明可以準確診斷早期牛結核?。?1］。RNA-seq 技術還可以幫助理解遺傳標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記?？偟膩碚f，RNA-seq 技術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模式及其在疾病發生和發展中的作用，通過觀察基因表達的變化，可以早期發現可能對繁殖產生不利影響的疾病或病原體。

1.3 環境適應性

隨著RNA-seq 技術的應用，目前對不同環境條件下生物的基因表達調控及功能適應性變化有了更深入的研究。具體到血液轉錄組在適應性方面的研究，以下主要從動物適應高海拔低氧環境和北方惡劣氣候等方面進行探討。

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）和商業品種（如荷斯坦牛）的血液進行了RNA-seq 分析，認為以上品種牛在免疫維持、惡劣氣候適應以及抗病機制方面存在品種特異性。Verma1 等［14］對拉達克地區（海拔約5 500 m）牛和熱帶地區薩希瓦爾牛的血液轉錄組特征進行了分析，發現INHBC、ITPRI、HECA、ABI3、GPR171和HIF-1α基因參與了缺氧和應激反應，這為理解這些牛種在高海拔適應中起著關鍵作用提供了新的線索。以上研究結果說明，通過對血液轉錄組的深入研究，不僅可以了解動物適應惡劣環境的基因表達調控和功能適應性變化，還可以揭示不同品種之間在適應性方面的差異，為動物育種提供重要的理論依據和實踐指導。

2 血液代謝組在家畜繁殖中的研究進展

血液代謝組學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），來研究機體的代謝狀態，進而反映出機體健康狀況，或診斷疾病的一門科學。因為血液在身體中流動，可以反映出全身的代謝狀況，所以血液代謝組學的研究對于醫學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

血液代謝組學是通過監測和分析動物血液中的代謝物來評估其生理狀態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。丁鴻祥等［15］研究發現，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，并推測Berteroin 可能通過調節母羊的炎癥因子平衡來促進妊娠的建立和維持。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，運用代謝組學技術探究了母羊在不同生理狀態下血液代謝組的變化規律。結果顯示，母羊體內主要差異代謝物與氨基酸代謝和脂類代謝相關。這表明代謝組學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。在湖羊的妊娠期中，氨基酸代謝和脂類代謝對滿足其營養需求尤為重要。血液代謝組學在家畜繁殖性能評價方面具有重要應用價值。通過監測血液中的代謝物，可以了解動物的生理狀態、繁殖能力以及妊娠過程中的營養需求，為進一步深入了解動物的繁殖機制提供有力的依據，并為家畜繁殖管理和優化提供了新的思路。

2.2 對疾病的預測和診斷

代謝組學技術在家畜疾病的早期診斷和預測方面具有重要的應用潛力。通過監測血液中的代謝物變化，可以發現某些繁殖相關疾?。ㄈ缛橄傺?、子宮炎）的早期信號，從而實現早期診斷和預防。胡曉旭等［17］利用代謝組學技術研究了飼喂含有持久性有機污染物PCDD/Fs 的飼料對奶牛血液代謝組學的影響，發現含PCDD/Fs的飼料會引起試驗奶牛AhR內源性配體等50個差異代謝物的變化，為探究PCDD/Fs 暴露的健康風險生物標志物提供了重要依據。郭延生等［18］使用GCMS 技術研究了熱應激對奶牛血液代謝物及其代謝通路的影響，結果表明，熱應激加劇了奶牛能量負平衡狀態，主要通過增強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行調節和應答。這些研究結果為進一步闡明家畜疾病的發生機制提供了科學依據。張翠羽［19］使用1H NMR 和LC-MS 技術研究了圍產期維生素E 亞臨床缺乏奶牛血漿的代謝變化，結果顯示，圍產期VE 亞臨床缺乏會導致奶牛體內糖類、脂類和氨基酸等多種代謝物的異常變化，為深入探究圍產期VE 亞臨床缺乏的發生機理和開發新的防治策略奠定了基礎。綿羊是季節性繁殖動物，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現，多種代謝物可能與母羊卵巢囊腫形成有潛在關系，為解析該疾病的發生機制提供了線索。妊娠毒血癥（PT）是綿羊常見的一種營養代謝性疾病，但其發病機制尚未完全闡明。鄒東敏等［5］使用非靶向代謝組學技術鑒定PT 綿羊與正常綿羊血液的差異代謝物，發現多個代謝物與PT 的發生有關，揭示了調節三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白、2-氧羰基酸等代謝途徑在綿羊PT發生中的重要作用。綜上所述，血液代謝組學技術在家畜疾病的診斷和預測方面具有廣泛的應用前景，可以幫助更好地理解疾病的發生機制并采取相應的預防措施。

2.3 對飼料營養的優化

血液代謝物的組成反映了動物對飼料中營養物質的吸收和利用情況。通過對血液代謝物的分析，可以為優化飼料營養提供指導，從而提高動物的生產性能和繁殖效益。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志物［20］。圍產期是奶牛泌乳周期中最關鍵的階段，也是奶牛生理和代謝容易發生紊亂的時期。研究表明，在圍產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節奶牛的氨基酸和糖代謝水平來緩解圍產期能量和蛋白質的負平衡狀態，并提高其機體的免疫和抗氧化功能［21］。這種調節作用可能與調節體內氨基酸和糖代謝有關。徐志鵬［4］研究發現，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生影響。通過調節相關差異代謝物的水平，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質的非常規飼草資源應用于反芻動物的生產中。綜上所述，血液代謝組學分析在動物飼料營養和繁殖效益方面具有重要的指導意義。通過對代謝物的監測和分析，可以了解動物對飼料中營養物質的利用情況，并針對性地優化飼料配方，提高動物的生產性能和繁殖效益。

3 血液轉錄組和血液代謝組在家畜繁殖中的結合應用

血液轉錄組和血液代謝組兩種技術結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和代謝物水平的相互關系。將血液轉錄組和血液代謝組兩種技術結合起來使用，可以更全面地了解血液中基因表達和代謝物的變化情況。通過分析兩者之間的關聯，可以深入研究某個生物過程或疾病狀態，并發現潛在的治療靶點或生物標志物。此外，結合使用這兩種技術還可以幫助理解不同基因表達與代謝產物之間的相互作用機制，可以為疾病研究、分子育種等提供更準確的信息。

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量（MPY）的差異原因。武雪會［9］結合血清代謝組學和轉錄組學深入挖掘了造成奶牛MPY 差異的通路及調控機制，從生理角度研究如何提高奶牛MPY 奠定了基礎，該研究鑒定出了可以反映奶牛MPY 的生物標志物，具有重要的實踐意義。在肉牛生產方面，背膘厚度（BFT）是一種間接預測全身脂肪含量的方法，因此，有研究對高BFT 和低BFT 的秦川牛血液進行了轉錄組和代謝組的聯合分析，結果表明鞘脂代謝通過血液循環調節BFT，并發現了主要代謝產物（血清神經酰胺和S1P）和關鍵基因（SMPD3和CERS1），這對高效養殖和高質量牛肉生產具有重要意義［22］。

4 結語

隨著生物信息學技術的發展，血液轉錄組和血液代謝組在家畜繁殖領域已經取得了顯著的研究進展。血液轉錄組研究有助于了解家畜繁殖過程中基因表達的變化，揭示與繁殖性能相關的關鍵基因，為精準繁殖和選育提供科學依據。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。這兩種技術對于評估繁殖健康狀態、預測繁殖效果以及優化飼料營養具有重大意義。未來，血液轉錄組和血液代謝組將進一步廣泛應用于家畜繁殖研究，如更深入地探討疾病的發生機制、疾病預防和早期診斷等。隨著技術的進步，如高通量測序技術和質譜分析技術，將有可能揭示更多未知的基因調控網絡和代謝通路，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錄組和血液代謝組兩種技術結合使用的研究，以全面地理解基因表達與代謝物水平之間的相互關系，深入研究生物過程或疾病狀態，并發現潛在的治療靶點或生物標志物。血液轉錄組和血液代謝組在家畜繁殖研究中的應用具有巨大的潛力和影響力。尤其是，在實現可持續農業發展的過程中，這兩種技術可以幫助科學家們尋找新的研究方法和技術，從而提高家畜生產力及繁殖潛力。