|
多组学技术在绵羊肉质性状研究中的应用进展
现代畜牧网 http://www.cvonet.com 2024/9/19 9:17:31 关注：59 评论： 我要投稿
|
|
摘
要
图片
羊肉具有高蛋白、低脂肪、肉质细嫩和风味独特等特点，深受广大消费者喜爱。绵羊的肉质性状受品种、营养、环境、屠宰后加工等多种因素影响，调控机制复杂，传统的肉质评定方法难以阐明肉品质变化的潜在机制和途径。在后基因组时代，基因组、转录组、蛋白质组、微生物组和代谢组等组学技术凭借高通量、高灵敏度和系统性等优势，已成为畜禽肉质性状研究的有力工具，能从分子层面深入研究生物特性形成的根源。本文基于公开发表的文献，重点综述了组学技术及多组学联用方法在绵羊肉质性状中的应用进展，并对其应用的挑战和前景进行了展望，以期为绵羊肉质性状的机理解析提供方法，为绵羊分子育种提供思路。
01
基因组学在绵羊肉质性状研究中的应用
2014年昆明动物研究所领衔完成了绵羊基因组测序工作，组装完成的绵羊单倍体基因组大小约2.6 Gb，由27条染色体组成，已注释24 691个编码基因。随后兰宝莱绵羊、特克塞尔羊、湖羊、藏羊等家羊的参考基因组序列陆续在NCBI上公布。Li等利用三代PacBio HiFi测序技术和图形泛基因组，构建了15个代表性绵羊品种的高质量参考基因组和结构变异图谱。高质量的绵羊参考基因组序列对于基因注释和相关功能研究至关重要，为推动绵羊肉质性状候选基因的鉴定研究奠定基础。全基因组重测序（WGRS）是基因组学研究的主要手段之一，它通过比对个体测序数据与参考基因组序列，筛选出单核苷酸多态性位点（SNP）、插入缺失突变（InDel）、拷贝数变异（CNV）和结构变异（SV）等遗传变异信息。绵羊经过长期的自然选择及人工选择，形成了适应不同地区环境的品种。对肉质性状表型存在变异的品种进行基因组水平分析，鉴定出的肉质性状相关变异位点可作为分子遗传标记，加速绵羊育种进程。Liu等通过研究产肉性能、肉质表型具有显著差异的南非、澳大利亚、中国美利奴羊的重测序数据，筛选出PRDM5、PACRGL、AHCYL2等14个已被证实与骨骼肌生长发育、肌内脂肪沉积相关的候选基因。Lv等以肌纤维直径、密度具有显著差异的杜泊羊和湖 羊为研究对象，发现MECOM、MEF2C和MYF6等与肌纤维生长发育、肌纤维分化相关的候选基因。基因组学还可以研究野羊与家羊基因组间的变异，鉴定出驯化过程中受到一致性选择且与肉质性状相关的基因。Li等分析了覆盖全球的野生品种、地方品种和培育品种的重测序数据，发现BCO2、TCF7L1等与脂肪沉积相关的基因位于肉中多不饱和脂肪酸含量的数量性状基因座（QTL）附近。目前，利用全基因组重测序技术鉴定获得的绵羊肉质性状相关基因仍处于动物个体水平的验证阶段，绵羊分子育种实践还有一段距离。
02
表观基因组学在绵羊肉质性状研究中的应用
表观基因组学旨在研究DNA甲基化、组蛋白修 饰等表观遗传修饰对基因表达和生物表型的影响。DNA甲基化主要通过调控骨骼肌发育、脂肪沉积相关基因的时空特异性表达，影响绵羊的肉质性状。全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）技术可用于筛选出差异甲基化区域（DMRs）和差异甲基化基因（DMGs），为肉羊分子育种提供DNA甲基化标记。Fan等研究了妊娠后期湖羊胎儿及2岁湖羊的背最长肌全基因组DNA甲基化模式，鉴定出9个与骨骼肌发育相关的DMGs。进一步研究表明，成年羊背最长肌中GTL2相关DMRs的甲基化水平显著高于胎儿，lncRNA GTL2启动子区域的甲基化抑制其表达水平，进而抑制其下游靶基因的表达，调节骨骼肌发育。通过比较肉质性 状表型具有显著差异的绵羊品种DNA甲基化模式，可以揭示表观遗传学修饰在表型差异中的潜在作用。Luo等以细尾瘦肉型戴瑞羊和肥尾脂肪型蒙古羊为研究对象，分别在两品种羊肌肉、尾部脂肪组织中鉴定出34、12个DMRs，这些区域调控的CAMK2D基因与绵羊脂肪沉积和骨骼肌生长发育相关。此外，妊娠期母体营养会对胎儿骨骼肌的表观遗传修饰产生影响，调节胎儿肌肉组织中靶基因的表达，影响胎儿发育。Namous等构建了妊娠中期至后期饲喂玉米或苜蓿干草的胎儿的背最长肌甲基化图谱，共鉴定出60个DMRs，其中LPAR3、PLIN4、PLIN5的DMRs中单个CpG位点的甲基化可以控制该基因的表达，从而影响胎儿脂质代谢、骨骼肌的生长发育。
组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化（H3K27me3）修饰是重要的基因沉默标志，可靶向调节成肌细胞增殖和分化相关基因的表达来调控骨骼肌的生长发育。染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）技术常用于研究组蛋白修饰相关的特定位点，确定组蛋白修饰酶类的靶标。Byrne等研究妊娠后期胎儿及12周龄羔羊腰最长肌的H3K27me3修饰图谱，发现H3K27me3修饰位于启动子区域，抑制基因的转录活性；在胎儿发育早期MYOD、MYF5和PAX3等肌源性转录因子的H3K27me3修饰水平较高，但妊娠后期胎儿与羔羊间无显著差异，表明H3K27me3在骨骼肌发育后期中作用 不大。目前，磷酸化和泛素化等其他组蛋白修饰方式在绵羊骨骼肌发育、脂肪沉积上的研究还相对较少，其详细的调控作用还需要进一步的研究。
03
转录组学在绵羊肉质性状研究中的应用
不同品种绵羊肉质存在一定差异，特别是本土品种与改良品种及杂交群体之间，因为不同群体间存在遗传变异，进而导致其体内调控肉质的基因存在差异。基于二代测序的转录组测序（RNA-seq）技术可以研究特定组织在某一状态下的全部转录本，包括信使RNA（mRNA）和非编码RNA（ncRNA）等，已广泛用于筛选与绵羊肉质性状相关的差异表达基因（DEGs），预测具有调控功能的ncRNA。通过对不同品种、不同发育阶段的组织转录本进行研究，可以发现基因转录的时空差异性，对于调控骨骼肌生长发育、脂肪沉积相关功能基因的挖掘、遗传多样性以及杂交育种的研究具有重大意义。Sun等对胴体重、屠宰率等产肉性能呈显著差异的中华美利奴羊和小尾寒羊背最长肌组织进行RNA-seq，共鉴定出960个DEGs，这些基因在骨 骼肌发育、肌细胞分化中起重要作用。Peng等以生长速率、IMF含量呈显著差异的杜泊羊与小尾寒羊为研究对象，初步筛选出与肌纤维生长发育、脂肪沉积相关的候选基因。Shi等分析母本小尾寒羊与不同父本萨福克、杜泊羊杂交后代群体的肌肉转录本，鉴定出MYOD106990881、LOC1和EGR等与骨骼发育相关的候选基因。此外，miRNA、lncRNA、circRNA等非编码RNA可以作为重要的调控因子参与转录后基因表达调控，在绵羊肉质性状研究中发挥重要作用。Xiao等分析了小尾寒羊前脂肪细胞和成熟脂肪细胞的全转录本，构建miRNA-mRNA-circRNA调控网络，发现核心网络中miR-336、miR-422和miR-722通过多个靶点调控脂肪细胞分化，影响IMF含量改善肉品质。有研究分析了IMF含量呈显著差异的2月龄和12月龄敖汉细毛羊背最长肌的表达转录本，鉴定出不同发育阶段差异表达RNA，构建调控脂肪代谢、Wnt相关信号通路的circRNA-miRNA、lncRNA-mRNA互作网络，深入研究了绵羊肌内脂肪沉积的分子调控模式。目前，RNA-seq已广泛用于研究不同品种或不同发育阶段绵羊肉质相关差异表达RNA，而单细胞核转录组、空间转录组的研究相对较少，这些技术将为探究绵羊多核骨骼肌细胞转录多样性、成肌细胞分化的异质性提供前所未有的机会。
04
蛋白组学在绵羊肉质性状研究中的应用
蛋白质作为机体生命活动的重要执行者，在绵羊肌肉生长发育、能量代谢、应激中起重要作用。对肌肉组织中蛋白质结构和功能的研究有助于解析不同饲养 环境、营养、屠宰条件下羊肉品质的变化机制。常用的蛋白质组学技术包括二维凝胶电泳（2DGE）或双向荧光差异凝胶电泳（2D-DIGE）结合质谱（MS）技术以及同重元素标记的相对与绝对定量技术（iTRAQ、TMT）。近年来，一些技术如非标记蛋白质组学（Label Free）和平行反应检测（PRM）广泛用于鉴定与羊肉品质相关的标记蛋白，可作为表型标志物，为开发羊肉品质评估工具提供理论依据。Zheng等以强度育肥和传统饲养下的湖羊为研究对象，采用Label Free结合LC-MS/MS技术检测嫩度呈显著差异的背最长肌蛋白表达谱，共鉴定出49种差异蛋白质，经PRM验证，myosin-2、myosin-13、vimentin等15种蛋白可作为羊肉嫩度的生物标志物。蛋白组学还揭示了优质羊肉与劣质羊肉的生理区别，PGK1、ENO3、MYBPC1蛋白可作为表征优质羊肉（嫩度、肉色、系水力较优）的生物标志物。有研究表明亚麻籽补饲组绵羊的腰最长肌中desmin和TnT蛋白复合物显著降解，MLC2磷酸化增强，嫩度更好；而藜麦补饲组羊肉中糖酵解酶和MHC片段较多，肌浆蛋白和MHC的氧化导致嫩度降低。此外，蛋白组学也被用于研究屠宰前眩晕对羊肉嫩度的负面影响，Kiran等分析了宰前电击眩晕与非眩晕的肌肉组织蛋白表达谱，共筛选到46个与催化活性、抗氧化、免疫和应激相关的差异蛋白，通过蛋白互作网络进一步鉴定与羊肉嫩度、肉色稳定相关的关键蛋白。此外，蛋白质组学能够深入阐明宰后肌肉转化为“肉”过程中发生的复杂生理生化变化，包括蛋白质水解和翻译后修饰等，它们相互影响并决定了羊肉品质。Gao等研究了宰后不同贮藏时期的肌肉组织蛋白质表达谱，结果发现，与腰大肌相比，肉色稳定性较好的腰最长肌中AK1、CKM和CA3等差异蛋白通过增加肌肉糖酵解水平，减少肌红蛋白氧化，调控羊肉红度与肉色稳定性。宰后肉成熟过程中肌原纤维蛋白降解产生的氨基酸以及小分子肽类等一系列风味前体物质影响羊肉品质。有研究发现LDH、TPI等代谢酶活性，MYL2、ACTN1等结构蛋白的表达量随着肉的成熟逐渐下降，表明代谢酶的失活与结构蛋白的降解共同调控羊肉风味的形成。
05
代谢组学在绵羊肉质性状研究中的应用
代谢组学常用气相色谱-质谱联用（GC-MS）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术对特定条件下的生物样品中所有小分子代谢物进行定性定量分析。在绵羊肉质性状研究中，代谢组学可用于鉴定不同品种（系）的代谢物生物标志物，研究遗传、环境、营养等因素对羊肉中氨基酸、脂肪酸组成与含量的影响，为羊肉风味改良提供代谢物表型。脂质组学和挥发组学能够准确定性定量肌肉组织中脂质和挥发性物质的代谢变化，揭示其在羊肉特殊风味形成过程中的潜在机制。研究发现与猪、牛和禽肉相比，2-乙基-1-己醇、6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-戊基呋喃等挥发性物质可作为羊肉特征风味物质。有研究分析了不同月龄靖远羔羊背最长肌代谢物图谱，共鉴定到66种挥发性风味物质，其中三甲基噻唑、顺式-3-己烯醇、2-甲基-1-丙醇可作为6月龄羊肉特征风味物质，2-戊酮、戊醛、庚醛可作为12月龄羊肉特征风味物质，为肉羊养殖业选择出栏时间提供理论依据。IMF含量、多不饱和脂肪酸（PUFA）与饱和脂肪酸（SFA）比例是影响羊肉风味、营养价值的重要因素。Yousefi等利用脂肪酸靶向代谢组对伊朗肥尾羊与伊朗小尾羊的背最长肌进行代谢物检测，结果显示伊朗小尾羊肉中高IMF含量与嫩度、系水力相关，肉品质更优，但PUFA:SFA、n-6:n-3 PUFA略差于伊朗肥尾羊。联用非靶与靶向代谢组、挥发组学可以更好地阐明羊肉中代谢物、肉品质变化的潜在机制。Li等联用脂质组和挥发组比较IMF含量呈显著差异的湖羊群体腰大肌代谢物图谱，发现羊肉中二甲基三硫、2-乙酰基-2-噻唑啉等15种挥发性物质，油酸、亚油酸和亚麻酸是引起风味差异的主要贡献成分。Zhang等以舍饲和放牧的藏羊为研究对象，利用非靶代谢组初步筛选出34种差异代谢物，进一步使用氨基酸和脂肪酸靶向代谢组发现舍饲羊肉中必需氨基酸含量增加，不饱和脂肪酸含量降低，其中嘌呤代谢、谷胱甘肽代谢、半乳糖代谢是舍饲改善羊肉品质的主要调控途径。Dong等发现饲粮中添加过瘤胃甜菜碱能够显著降低羊肉中饱和脂肪酸含量，增加PUFA、UFA/SFA 比值、总游离氨基酸和风味氨基酸含量，改善羊肉风味。此外，代谢组学还可以深入研究烹饪过程中与羊肉香气结合和生成相关的关键脂质。Liu等联用非靶代谢 组和脂质组鉴定出己醛、庚醛、1-辛烯-3-醇等13种芳香化合物可作为烤羊肉特征气味物质，烘烤10 min 羊肉中的磷脂酰胆碱PC（30:6）和PC（28:3）是区分其他烘烤时间的潜在标志物。
06
微生物组学在绵羊肉质性状研究中的应用
瘤胃微生物受宿主遗传、环境和营养等因素影响，在反刍动物营养物质吸收、能量代谢等方面扮演重要角色，宿主-肠道菌群相互作用共同调节宿主肉质性状的形成。微生物组学研究常采用手段包括扩增子测序和宏基因组。通常联用微生物组学与代谢组学研究对羊肉品质起关键作用的瘤胃微生物群，揭示瘤胃菌群组成与氨基酸、脂肪酸等肉类代谢产物的关系。Xiang等以8月龄蒙古羊、杜泊羊×蒙古羊杂交羊为研究对象，联用16S rRNA测序和代谢组发现瘤胃中Actinobacteria、Euryarchaeota和Planctomycetes与背最长肌中甜鲜味氨基酸、n-3 PUFA等有益代谢物，剪切力、失水率显著相关，揭示两品种羊肉质差异与瘤胃菌群组成差异有关。反刍动物通过瘤胃微生物将人类无法消化的植物纤维转化为高营养价值的肉产品。Wang等研究发现与舍饲饲喂玉米秸秆相比，放牧饲喂天然牧草通过增加绵羊瘤胃菌群多样性，促进厚壁菌门和螺旋体门增殖，增加Butyrivibrio_2、Bacteroidales_BS11_gut_group_norank等纤维素降解菌属的相对丰度来增加背最长肌中α-亚麻酸、共轭亚油酸含量，促进肌内脂肪沉积进而改善羊肉风味。另有研究表明，饲喂高能量日粮可增加藏羊瘤胃中Quinella、Ruminococcus 2、coprostanoligenes相对丰度，影响宿主碳水化合物和脂质代谢，增加里脊中水苏糖、麦芽糖、亚油酸、肌苷等代谢物水平，进而改善羊肉风味和失水率。近年来，已有研究报道益生菌改善畜禽肉品质。如丁酸梭菌可以增加绵羊瘤胃 Prevotella、Clostridium水平来促进短链脂肪酸的产生，激活IGF-1、Akt、mTOR等蛋白质合成相关基因的表达，促进骨骼肌发育，从而改善羊肉品质。目前，微生物组学研究主要采用16S rRNA测序分析绵羊瘤胃微生物的菌群组成及多样性，而全消化道微生物对宿主产肉性能、肉品质的功能解析尚未完成，利用宏基因组解析胃肠道菌群功能的研究还较少。
07
多组学联合分析在绵羊肉质性状研究中的应用
绵羊的肉质性状受多因素影响，且机体对性状形成的调节是在多层次、不同水平进行的。因此，单一组学往往难以系统地阐明优良肉品质形成的复杂调控机制，多组学联合分析是大势所趋。基因组与转录组联合分析可以研究SNPs、CNVs等突变是否导致基因差异表达，进一步鉴定相关信号通路进行机制的解析。Li等整合不同尾型绵羊的基因组重测序和尾部脂肪 组织转录组数据，发现肥臀羊和瘦尾羊之间差异表达基因PDGFD的一个非同义突变位点（半胱氨酸/酪氨酸）的等位基因频率差异显著，PDGFD基因表达的蛋白通过形成二聚体激活PDGFRβ通路，调控尾部脂肪沉积，对培育瘦尾以及低脂肉用绵羊具有重要意义。此外，肌纤维类型是决定肉品质的一个重要因素，富含氧化型肌纤维的肉中IMF含量高，色泽鲜红，肉品 质更佳。薛江东联用全基因组甲基化和转录组学研究补饲沙葱水提取物对绵羊肉质的影响，鉴定到数个DMRs、DEGs和lncRNAs，构建肌肉组织表观遗传调控网络，发现沙葱水提取物通过调控lncRNA和甲基化来调节MAPKAP1、FOXP2和STXBP5等基因的表达，从而影响能量代谢和细胞增殖相关过程，促进骨骼肌发育，改变肌纤维类型，改善肉品质。Yuan等联用三代全长转录组测序（Iso-seq）、RNA-seq与ChIP-seq技术研究嫩度呈显著差异的杂交羊群体的背最长肌组织，共鉴定到624个差异表达异构体，其中转录于CAPN3基因的异构体7.524.18与羊肉嫩度相关，转录于MYH2、MYH4、MYH7基因的异构体可能通过影响肌纤维类型转化间接调节肉的嫩度。转录组和代谢组联合分析能够从“因”和“果”2个层面探究肉质性状形成的机制，筛选出肉质相关的关键基因、代谢物及代谢通路。Zhang等利用转录组结合脂肪酸靶向代谢组学发现，外源添加0.04%胆酸可通过调节HSPA8、HEXB、ACSL6等基因的表达影响尾部脂肪酸生物合成途径，减少皮下和尾部脂肪沉积，在不影响肉品质 的情况下提高羊肉产量，为生产低脂优质的羔羊胴体提供指导。
转录组、蛋白组和代谢组联合分析可以相互验证mRNA和蛋白表达趋势相同的肉质性状相关基因及通路，揭示转录水平、蛋白质和代谢物与表型之间调控的机制。Zhao等分析了IMF含量呈显著差异的湖羊和杜泊羊胸最长肌组织，发现22个表达趋势相同的DEGs和DEPs，构建DEPs-DEGs的调控网络，结果显示IMF含量较高的湖羊肌肉组织中ALB、GC、SERPINA1之间相互作用参与脂质转运、脂质代谢过程，促进肌内脂肪沉积。微生物组、代谢组和转录组联合分析可以构建肠道微生物与代谢物、代谢物与宿主基因之间的网络关系，有利于研究肠道微生物通过代谢物影响宿主肉质性状表型变化的潜在机制。Wu等整合背最长肌转录组、代谢组和瘤胃微生物组数据，构建了由5个OTU、10个DEGs、2种脂肪酸和4种代谢物组成的调控网络，发现高纤维低蛋白牧草通过增加瘤胃菌群多样性降低拟杆菌门/厚壁菌门比例，促进NR4A1基因表达从而调控脂肪酸合成、糖代谢过程，促进糖异生并抑制肌肉糖酵解，导致羊肉中花生四烯酸、亚麻酸含量降低。
08
展 望
绵羊肉质性状受品种、营养、环境等因素影响，其背后的分子作用机制复杂。组学技术已成为绵羊肉质性状育种研究的有力工具，通过基因组、转录组、蛋白组、微生物组和代谢组分析，可在不同层面发现与肉质性状相关的生物分子，深入解析绵羊肉质性状形成的分子机理。通过整合多种组学数据，有望更全面地理解绵羊肉质性状形成的机制，构建影响肉质性状的基-转录本-蛋白-表型或基因-菌群-代谢物-表型的完整生物学调控网络，破解难以解释的生物学难题。但目前在绵羊肉质性状遗传育种研究领域多组学联合分析的研究还相对较少。此外，多组学联合分析仍面临较大挑战，如何构建高维数据分析模型和计算方法，从中挖掘出有用的信息尤为关键。通常利用斯皮尔曼相关性系数、主成分分析和偏最小二乘法等回归线性模型评估组学数据与肉质性状之间的关联，这些模型通常忽略了肉质性状调控机制的复杂性。如果实验生物学重复较少或实验设计涉及品种、饲养方式、饲粮种类、屠宰加工等多个因素，组学数据关联分析的准确性存在质疑。随着高通量组学平台和数字信息分析技术的发展，可以通过基于机器学习（ML）的预测算法，即串联、模型或变换的方法集整合多组学数据，预测肉质性状相关生物标志物，有助于揭示影响肉质性状的复杂机制。
作者简介：杨丽贤（2000-），女，硕士，研究方向为动物遗传育种，E-mail：2534687343@qq.com* 通讯作者：方美英（1971-），女，博士，教授，研究方向为动物遗传资源与分子育种，E-mail：meiying@cau.edu.cn
|
|
|
| 文章来源：杨丽贤 文章作者：中国畜牧杂志 文章编辑：一米优讯 |
| 【进入社区】【进入专栏】【推荐朋友】【收藏此页】【大 中 小】【打印此文】【关闭窗口】 |
|
|
| 发表评论 (当前没有登录 [点击登录]) |
|
|
信息发布注意事项：
为维护网上公共秩序和社会稳定，请您自觉遵守以下条款：
一、不得利用本站危害国家安全、泄露国家秘密，不得侵犯国家社会集体的和公民的合法权益，不得利用本站制作、复制和传播下列信息：[查看详细]
（一）煽动抗拒、破坏宪法和法律、行政法规实施的；
（二）煽动颠覆国家政权，推翻社会主义制度的；
（三）煽动分裂国家、破坏国家统一的；
（四）煽动民族仇恨、民族歧视，破坏民族团结的；
（五）捏造或者歪曲事实，散布谣言，扰乱社会秩序的；
（六）宣扬封建迷信、淫秽、色情、赌博、暴力、凶杀、恐怖、教唆犯罪的；
（七）公然侮辱他人或者捏造事实诽谤他人的，或者进行其他恶意攻击的；
（八）损害国家机关信誉的；
（九）其他违反宪法和法律行政法规的；
（十）进行商业广告行为的。
二、互相尊重，对自己的言论和行为负责。
三、本网站不允许发布以下信息，网站编辑有权直接删除：[查看详细]
（一）、重复(恶意灌水)发布的信息；
（二）、在本栏目内发布例如供求信息、代理招商、会展、求职招聘等含有广告宣传性质、不符合网站栏目的信息内容；
（三）、与本网站主体定位不相关的信息等等。
四、本网站有权删除或锁定违反以上条款的会员账号以及该账号发布的所有信息。对情节恶劣的，本网将向相关机构举报及追究其法律责任！
五、对于违反上述条款的，本网将对该会员账号永久封禁。由此给该会员带来的损失由其全部承担！ |
|
|
| 声明：本网刊登的文章仅代表作者个人观点，文章内容仅供参考，并不构成投资建议，据此操作，风险自担。如果转载文章涉嫌侵犯您的著作权，或者转载出处出现错误，请及时联系文章编辑进行修正，电话：010-65283357。本网原创文章，转载请注明出处及作者。感谢您的支持和理解！ |
|
