葛 宇，吾斯曼·吐尼亞孜，陳 余，王 梁，齊曉龍，邢 凱，王相國(guó)，肖龍菲，郭 勇，倪和民，盛熙暉*

（1.北京農(nóng)學(xué)院動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 102206；2.北京市畜牧總站，北京 100107）

隨著科研技術(shù)的不斷發(fā)展，繼基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)之后，代謝組學(xué)（Metabonomics）這一新興技術(shù)已逐漸成為研究小分子代謝物的有力工具。有記錄表明，古希臘中世紀(jì)就有“尿液圖表”的廣泛使用，將尿液的顏色、氣味等情況與醫(yī)療領(lǐng)域相結(jié)合，此種方法的本質(zhì)就是根據(jù)代謝物來進(jìn)行疾病診斷[1]。1997 年，Oliver[2]通過定量分析酵母代謝產(chǎn)物評(píng)估基因的遺傳功能，首次將代謝水平和基因水平聯(lián)系起來。1999 年，Nicholson等提出代謝組學(xué)這一概念，其將生命體看作是一個(gè)完整的系統(tǒng)，通過對(duì)代謝物定性定量測(cè)定，以動(dòng)態(tài)視角研究機(jī)體發(fā)生的生理變化和病理特征[1]。目前，代謝組學(xué)是研究生物體系（細(xì)胞、組織或生物體）受外部刺激所產(chǎn)生的所有代謝產(chǎn)物變化的一門科學(xué)[3]，其主要研究對(duì)象包括糖類、脂類、氨基酸和核苷酸等相對(duì)分子質(zhì)量小于1 000 的小分子內(nèi)源代謝物。

組學(xué)之間相互獨(dú)立也相互聯(lián)系，如果說基因組學(xué)告訴可能發(fā)生什么，那么轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)將會(huì)告訴即將發(fā)生什么，而代謝組學(xué)則會(huì)告訴正在發(fā)生什么[2]。與其他組學(xué)相比，代謝組學(xué)具有以下優(yōu)勢(shì)：代謝組最接近生物體表型，基因變化引起蛋白質(zhì)表達(dá)改變，最終會(huì)在代謝物的水平得到放大；代謝組學(xué)研究不需要進(jìn)行全基因組測(cè)序或建立大量表達(dá)序列標(biāo)簽的數(shù)據(jù)庫；代謝物的種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基因和蛋白質(zhì)；代謝物的分析技術(shù)更為通用，不需要考慮物種上的區(qū)別[4-5]。在畜禽遺傳育種、營(yíng)養(yǎng)、疾病診療等研究上，轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等可檢測(cè)到基因與蛋白質(zhì)的變化，但很難與生物學(xué)功能建立直接聯(lián)系，而代謝組學(xué)可以將代謝物與生物表型構(gòu)建直接相關(guān)性。本文對(duì)代謝組學(xué)常用的分析技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和比較，概述了代謝組學(xué)在畜禽遺傳育種、營(yíng)養(yǎng)以及動(dòng)物疾病領(lǐng)域的研究進(jìn)展，為代謝組學(xué)在畜禽動(dòng)物中的應(yīng)用提供參考。

1 代謝組學(xué)分析技術(shù)

代謝組學(xué)的主要分析技術(shù)是質(zhì)譜（MS）和核磁共振（NMR）光譜，也有少數(shù)研究使用毛細(xì)管電泳-質(zhì)譜技術(shù)，這些分析技術(shù)各具優(yōu)勢(shì)，目前應(yīng)用最多的是質(zhì)譜法。

1.1 NMR 技術(shù) NMR 技術(shù)是一種原子級(jí)的分析方法，利用高磁場(chǎng)中原子核對(duì)射頻輻射的吸收光譜來對(duì)化合物進(jìn)行鑒定。常用的有氫譜（1H NMR）、碳譜（13C NMR）和磷譜（31P NMR）3 種。NMR 技術(shù)在代謝組學(xué)的領(lǐng)域中有許多優(yōu)勢(shì)，它不需要復(fù)雜的樣品制備分離過程就可以進(jìn)行檢測(cè)，減少對(duì)樣品的破壞性，能夠嚴(yán)格定量生物流體、細(xì)胞提取物和組織中豐富的化合物。靈敏度和分辨率是NMR 所面臨的主要挑戰(zhàn)[6]。針對(duì)這一弊端，研究人員做了許多改進(jìn)工作，如使用同位素標(biāo)記策略、微線圈核磁共振等。Le 等[7]應(yīng)用NMR 技術(shù)分析雞的組織和生物流體，在胸肌中僅發(fā)現(xiàn)了23 種代謝物；而Xiao 等[8]應(yīng)用1H NMR 技術(shù)對(duì)5 個(gè)不同日齡的武定雞肉質(zhì)進(jìn)行研究，檢測(cè)到57 種代謝物。

1.2 色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù) 代謝物的種類復(fù)雜多樣，分析技術(shù)的高分辨率和高靈敏度是代謝組學(xué)研究的有力保障。質(zhì)譜與氣相色譜（GC）或液相色譜（LC）的結(jié)合可以分析檢測(cè)出多種代謝物，是試驗(yàn)檢測(cè)的強(qiáng)大工具。

1.2.1 氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)（GC-MS） GC-MS 是將氣相色譜與質(zhì)譜的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，即高效分離能力和豐富結(jié)構(gòu)信息融合，適用于分析揮發(fā)性或半揮發(fā)性的小分子化合物。GC-MS 分析較為穩(wěn)定，靈敏度高，使用數(shù)據(jù)庫和軟件可方便快速地檢測(cè)代謝物。根據(jù)其氣質(zhì)檢測(cè)的原理，要求被檢測(cè)的物質(zhì)具有一定的熱穩(wěn)定性，才可以進(jìn)行后續(xù)的物質(zhì)氣化分離檢測(cè)。相對(duì)核磁共振技術(shù)，此種方法在樣品制備較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力且難以進(jìn)行新的化合物鑒定。曾茂茂[9]用GC-MS 檢測(cè)健康人的血液樣本，分析出血漿中氨基酸、糖、脂肪等內(nèi)源代謝物。劉艷麗等[10]在雞的原代肝細(xì)胞中添加葉酸培養(yǎng)，采用GC-MS 檢測(cè)到31 個(gè)代謝物含量發(fā)生顯著變化，并發(fā)現(xiàn)葉酸可促進(jìn)雞原代肝細(xì)胞的脂類分解，也可參與糖、脂類及氨基酸的代謝通路。

1.2.2 液相色譜-質(zhì)譜技術(shù)（LC-MS） LC-MS 具有更高的靈敏度，更廣泛的代謝物檢測(cè)范圍和多樣化的方法，對(duì)于物質(zhì)的性質(zhì)要求較少，大多數(shù)能被離子化的物質(zhì)都可以使用液質(zhì)的平臺(tái)進(jìn)行分析檢測(cè)。在近5 年的代謝組學(xué)研究中，LC-MS 分析技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)超過所有檢測(cè)技術(shù)的總和，占到65% 左右[11]。Kim 等[12]應(yīng)用LC-MS 技術(shù)評(píng)估酮康唑（KCZ）在小鼠和人類中的代謝譜，共鑒定出28 種代謝物，并首次新發(fā)現(xiàn)了咪唑環(huán)、哌嗪環(huán)和N-乙?；?1 種代謝物。該研究豐富了對(duì)于KCZ 代謝途徑的理解，并在藥物代謝和藥物誘導(dǎo)的毒性之間建立聯(lián)系。

除此之外，超高性能液相色譜（UPLC）和高分辨率質(zhì)譜技術(shù)在分離度、通量和靈敏性方面更為強(qiáng)大[13]，可以獲得1 000 種代謝物的數(shù)據(jù)。以上幾種方法得到的數(shù)據(jù)會(huì)存在一定差異，需要結(jié)合樣本具體類型和所選模型中重點(diǎn)代謝物的特點(diǎn)選擇最理想的檢測(cè)方法，才能達(dá)到理想的試驗(yàn)效果。

2 代謝組學(xué)在畜禽中的研究進(jìn)展

明確解析動(dòng)物體內(nèi)的代謝機(jī)制，保證畜禽健康與高效生產(chǎn)，是研究者們始終追求的目標(biāo)。闡明生物體的代謝機(jī)制是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，常常因?yàn)榧夹g(shù)落后而難以達(dá)到理想的效果。代謝組學(xué)的蓬勃發(fā)展不僅緩解了當(dāng)前技術(shù)上的瓶頸，也進(jìn)一步證實(shí)其在畜禽育種、營(yíng)養(yǎng)、疾病等領(lǐng)域具有巨大的潛力[14]。

2.1 代謝組技術(shù)在畜禽育種方面的應(yīng)用 代謝組技術(shù)可以對(duì)動(dòng)物機(jī)體的代謝物進(jìn)行動(dòng)態(tài)的跟蹤分析，幫助解析表型與遺傳、環(huán)境等因素的關(guān)系，為經(jīng)濟(jì)性狀的改良和育種提供表型數(shù)據(jù)[15]。

目前，研究人員主要應(yīng)用代謝組技術(shù)篩選與畜禽經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的重要標(biāo)志物和代謝途徑。例如，Wu 等[16]通過測(cè)定血清代謝組鑒定與乳蛋白產(chǎn)量相關(guān)的關(guān)鍵代謝物，共鑒定出36 個(gè)差異代謝物，其中馬尿酸、煙酰胺和壬酸是乳蛋白產(chǎn)量的關(guān)鍵代謝物，可作為評(píng)測(cè)乳蛋白產(chǎn)量的潛在標(biāo)志物。D'Alessandro 等[17]結(jié)合代謝組與蛋白質(zhì)組方法研究牛肉嫩度的標(biāo)志代謝物，發(fā)現(xiàn)糖酵解酶ENO1、伴侶蛋白HSPA8、和抗氧化酶SOD 的蛋白水平和代謝水平對(duì)牛肉嫩度具有較好的預(yù)測(cè)作用。公牛的繁殖力對(duì)生產(chǎn)至關(guān)重要，生育能力與精子內(nèi)的代謝特征關(guān)系密切。Menezes 等[18]試驗(yàn)預(yù)測(cè)γ-氨基丁酸、氨基甲酸酯、苯甲酸、乳酸和棕櫚酸可作為公牛生育力的潛在生物標(biāo)志物；Evans 等[19]在冷凍公牛精子的研究中發(fā)現(xiàn)花生四烯酸和油酸與氧化保護(hù)過程有關(guān)，二者揭示了脂肪酸對(duì)精子質(zhì)量的影響作用，為預(yù)測(cè)種公牛受精潛力提供基礎(chǔ)。Welzenbach 等[20]利用多組學(xué)數(shù)據(jù)解析豬肉滴水損失的功能通路，共注釋了126 個(gè)代謝物和35 個(gè)蛋白質(zhì)，富集到10 條代謝途徑，其中鞘脂代謝和糖酵解作用對(duì)豬肉滴水損失具有顯著作用。D'Alessandro 等[21]研究卡塞塔納和大白豬2 個(gè)品種的pH、系水力和肉色等肉質(zhì)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)糖酵解酶水平和乳酸積累與卡瑟塔納豬的pH 緩慢下降有關(guān)，大白豬中丙酮酸激酶1 和原肌凝蛋白的水平與屠宰后24 h 的系水力和肉色有關(guān)，甘油3-磷酸和肌酸激酶M 與卡瑟塔納豬的脂肪形成加重和糖酵解速度減慢有關(guān)。

同時(shí)，代謝組技術(shù)可用于數(shù)量性狀的遺傳參數(shù)估計(jì)。例如，Nogi 等[22]分析日本黑牛的脂肪酸組成，并與胴體性狀進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)油酸、單不飽和脂肪酸與牛肉的大理石花紋呈正相關(guān)，表明脂肪品質(zhì)和胴體性狀可以同時(shí)進(jìn)行遺傳改良。Lopez 等[23]發(fā)現(xiàn)單個(gè)脂肪酸濃度的遺傳度估計(jì)值在0.14～0.45，脂肪、蛋白質(zhì)和乳糖的遺傳力較高，遺傳力估計(jì)值在0.17～0.41，表明在可以通過選擇性育種來滿足市場(chǎng)需求。

代謝組技術(shù)也可用于動(dòng)物品種鑒定。Bovo 等[24]靶向檢測(cè)180 種代謝物，發(fā)現(xiàn)多種代謝物在意大利大白豬和意大利杜洛克2 個(gè)品種間存在差異，例如乙酰鳥氨酸和鞘磷脂，為研究?jī)蓚€(gè)品種豬之間的生物學(xué)差異提供了重要的生物標(biāo)志物。同時(shí)，科研人員發(fā)現(xiàn)雞[25]、豬[24,26]、牛[27-28]等動(dòng)物中不同品種間亦存在著差異代謝物，這些代謝物或可作為品種鑒定的生物標(biāo)記物。

2.2 代謝組技術(shù)在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)方面的應(yīng)用 代謝組技術(shù)可以探索營(yíng)養(yǎng)與代謝的復(fù)雜關(guān)系，調(diào)整最適的營(yíng)養(yǎng)供給，使動(dòng)物達(dá)到最佳健康狀態(tài)和生產(chǎn)性能。

代謝組技術(shù)在雞的營(yíng)養(yǎng)研究中已有若干應(yīng)用。Beauclercq 等[29]應(yīng)用代謝組學(xué)技術(shù)分析雞血清代謝組，篩選消化效率的代謝標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)脯氨酸、富馬酸鹽、葡萄糖與氮校正表觀代謝能（AMEn）關(guān)聯(lián)最強(qiáng)。姬舒云[30]對(duì)艾拔益加肉雞進(jìn)行不同水平的蘇氨酸飼喂，結(jié)果表明NRC 標(biāo)準(zhǔn)的125% 添加組與標(biāo)準(zhǔn)推薦量添加組之間差異最為顯著，代謝組分析發(fā)現(xiàn)兩組間存在6 個(gè)差異顯著的代謝產(chǎn)物。有研究表明，母雞飼喂發(fā)酵飼料與混合飼料后，赤蘚糖醇、蘇糖醇和尿素這3 種蛋黃代謝物與12 種血清代謝物含量顯著改變，證明飼料會(huì)影響卵黃及血清的代謝物，通過控制家禽營(yíng)養(yǎng)水平或許可以特定改變蛋中的成分[31]。

研究人員應(yīng)用代謝組技術(shù)在牛的營(yíng)養(yǎng)方面也開展了大量研究。Carrillo[32]團(tuán)隊(duì)通過代謝組譜和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)證實(shí)，在不同飼喂系統(tǒng)下養(yǎng)殖的肉牛，其生化指標(biāo)及營(yíng)養(yǎng)水平均會(huì)產(chǎn)生較大差異。Novais 等[33]應(yīng)用代謝組技術(shù)分析牛的血清代謝組，發(fā)現(xiàn)視黃醇代謝途徑與肉牛飼料轉(zhuǎn)化率存在關(guān)聯(lián)性，表明肉牛飼料轉(zhuǎn)化率與血清代謝組之間可以建立聯(lián)系，今后可將標(biāo)志代謝物用于反芻動(dòng)物飼料轉(zhuǎn)化率的評(píng)估。

在豬的營(yíng)養(yǎng)研究方面，Huntley 等[34]利用代謝組技術(shù)研究木糖在豬體的代謝情況，證實(shí)D-蘇糖醇是木糖的主要尿代謝產(chǎn)物，豬可以代謝木糖，但代謝效率低于與葡萄糖。朱坤等[35]基于超高效液相色譜-四極桿飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜的代謝組學(xué)技術(shù)，探討豬采食發(fā)酵飼料后代謝產(chǎn)物的變化，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)組育肥豬血清黃嘌呤、丁子香酚、丙烯酰胺和對(duì)香豆酸的含量顯著升高，L-焦谷氨酸含量顯著降低，表明以上物質(zhì)對(duì)于改善應(yīng)激作用、減輕自由基對(duì)機(jī)體的損傷有重要作用。

2.3 代謝組技術(shù)在動(dòng)物疾病方面的應(yīng)用 在畜禽生產(chǎn)中，疾病會(huì)嚴(yán)重影響動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而降低經(jīng)濟(jì)收益。代謝組技術(shù)可以捕捉到動(dòng)物發(fā)病前后代謝物含量的變化，在疾病的預(yù)防及診療方面提供新的方法。目前，代謝組技術(shù)主要應(yīng)用于雞、牛、豬等經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的疾病領(lǐng)域。

Boerboom 等[36]使用非靶向代謝組技術(shù)鑒定與肉雞白條紋肌肉形成有關(guān)的生物學(xué)途徑，發(fā)現(xiàn)脂肪酸氧化、三羧酸循環(huán)、精氨酸代謝和?；撬岽x等代謝途徑紊亂導(dǎo)致了肌肉組織缺氧，繼而引發(fā)肌肉缺陷。Shi 等[37]對(duì)肉雞腹水綜合征進(jìn)行了多組學(xué)的研究，發(fā)現(xiàn)早期肉雞腹水綜合征主要由甘油磷脂類代謝物氧化引起，二羥基丙酮或可作為低溫腹水綜合征的潛在標(biāo)志物，深度解析了肉雞腹水綜合征的發(fā)病機(jī)理。Liu 等[38]應(yīng)用代謝組學(xué)與蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)合的方法研究葉酸對(duì)雞肝臟的影響，鑒定出43 種差異代謝物和63 種差異蛋白，發(fā)現(xiàn)添加葉酸后雞原代肝細(xì)胞的抗氧化功能、碳水化合物和氨基酸代謝受到顯著影響，初步闡明了葉酸對(duì)雞肝臟的影響機(jī)理。

奶牛酮病是生產(chǎn)中的高發(fā)病之一，該疾病會(huì)嚴(yán)重影響奶牛產(chǎn)奶量及牛場(chǎng)的盈利能力。Zhang 等[39]利用代謝組技術(shù)發(fā)現(xiàn)奶牛正常健康組、亞臨床酮癥組及臨床酮癥組的血漿代謝物存在差異，發(fā)現(xiàn)的酮癥生物標(biāo)志物在臨床診斷、預(yù)后和預(yù)防酮癥方面具有新的應(yīng)用和意義。Shahzad 等[40]應(yīng)用代謝組氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和全轉(zhuǎn)錄組微陣列研究產(chǎn)前奶牛肝臟代謝組和轉(zhuǎn)錄組與奶牛產(chǎn)后酮癥的關(guān)聯(lián)，通過差異代謝物和差異基因的挖掘，為奶牛產(chǎn)后酮癥的發(fā)病機(jī)制提供新的思路與方法。Lu等[41]利用非靶向代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對(duì)不同能量平衡狀態(tài)的泌乳期奶牛乳汁進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)處于重度負(fù)能量平衡的奶牛乳汁中急性期反應(yīng)蛋白、不飽和脂肪酸和半乳糖含量較高，正常狀態(tài)的奶牛乳中膽固醇及相關(guān)蛋白、胃抑素濃度較高，為評(píng)估負(fù)能量平衡指標(biāo)奠定了理論基礎(chǔ)。Getty 等[42]將代謝組技術(shù)應(yīng)用于仔豬代謝紊亂研究中，發(fā)現(xiàn)精氨酸飼喂改變了仔豬的整體血液代謝物譜，主要涉及與能量、氨基酸、核苷酸和脂質(zhì)通路相關(guān)的代謝物，同時(shí)具有對(duì)糖代謝等異常代謝的糾正作用。

3 結(jié)語與展望

代謝組學(xué)自提出至今經(jīng)歷了二十多年的完善與豐富，已經(jīng)可以應(yīng)用于植物、疾病診斷、藥物設(shè)計(jì)、食品質(zhì)檢等領(lǐng)域。然而，代謝組學(xué)仍存在一些問題亟待解決，如目前的代謝物提取及分析技術(shù)無法涵蓋所有代謝物，需要針對(duì)樣品選擇最合適的分析及檢測(cè)平臺(tái)；其次，代謝組學(xué)的數(shù)據(jù)分析是研究重點(diǎn)，需要利用生物信息學(xué)、多元統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法進(jìn)行挖掘，但目前相關(guān)的研究方法不夠成熟，仍有待進(jìn)一步的完善；另外，數(shù)據(jù)庫的局限性也是限制代謝組學(xué)發(fā)展的主要因素，需要及時(shí)完善、更新代謝庫的檢索功能。

目前代謝組技術(shù)在動(dòng)物上的應(yīng)用較少，但是隨著其技術(shù)的日趨臻熟，將會(huì)成為畜禽營(yíng)養(yǎng)、育種和疫病等研究的有力工具。代謝組學(xué)的進(jìn)步也將會(huì)推動(dòng)多組學(xué)聯(lián)合分析的發(fā)展，研究方法將從表觀整體水平到不同層級(jí)的整合分析，對(duì)試驗(yàn)對(duì)象展開全面研究，從而闡名生物體復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。