干货来袭｜如何破解畜牧业育种“卡脖子”问题

前言

中国是农牧业生产大国，畜禽肉类产量约占全球总量的29%，其中生猪出栏量、鸡蛋产量排名世界第一，肉鸡出栏量排名世界第二，由此带来了世界上最大的畜禽种业市场。但作为动物蛋白消费大国，主要经济动物如猪、鸡、奶牛等的纯系种源80%以上需要从国外引种获得，使得畜禽行业发展缺乏自主性及竞争性。

专家指出，我国畜牧业育种之所以落后，一是我国地方性畜牧品种虽然较多，但普遍体量小、生长慢、产能低。二是畜牧育种周期过长，往往需要几代人的努力。随着基因组、蛋白质组以及代谢组等多组学技术的发展，分子育种开始给中国畜牧业育种带来新的思路。传统育种中需要七到八年甚至更长时间才能达成的目标，利用分子育种可以将这一时间缩短到一至两年，能极大加速我国种业的发展。

本文总结了代谢组以及多组学技术在畜牧育种领域多个研究方向中的应用思路以及应用案例，以期为广大研究者提供畜牧育种领域最新科学进展和育种实践指导。

畜牧遗传育种与代谢

运用代谢组学技术可对机体整个代谢组分进行动态跟踪分析，有助于系统和全面地解析畜牧动物表型及其与环境和遗传的关系，为经济性状的改良育种提供代谢表型数据，从而在早期评估或预测生产性状。

为了系统地解析乳品质或肉品质等相关性状的遗传学机制，目前对牛和猪的研究最多，其次是羊、鸡和鸭等物种。下图为代谢组以及多组学技术在畜牧育种领域中常见的四大应用方向。

01

品种（系）鉴定

畜禽不同品种（系）、不同性别、不同组织或体液等生物样本中的小分子代谢物差别较大，可以筛选出一些小分子代谢物来作为标志物，用于区分畜禽的不同性别，甚至是不同的品种（系）。这为研究畜禽差异性状的表征提供了一定的理论依据。

方案设计

经典案例

研究背景

水牛牛奶含有较高的蛋白质、脂肪、乳糖和不饱和脂肪酸，被认为是优越的乳制品来源。不同水牛品种的乳汁成分之间有所不同，关于其潜在机制的信息不充分。因此，探索优质水牛奶的生物标志物对乳制品加工和水牛育种至关重要。

研究材料        

10头地中海水牛、12头穆拉水牛和10头杂交水牛（Murrah×当地沼泽水牛）的乳汁

研究内容

1. 牛奶成分常规分析（D组脂肪含量较高）

2. 代谢组检测及差异分析（筛到11个差异代谢物）

3. 通路富集分析（脂肪生物合成、不饱和脂肪酸生物合成、亚油酸代谢等）

研究结论

本研究筛选到11种差异代谢物，可以作为地中海水牛乳的候选生物标志物，以及高乳脂水牛育种的标志物。

差异代谢物主要富集于脂肪合成相关途径中，这可能为地中海水牛乳中较高的脂肪丰度提供了解释，也为进一步了解乳脂合成机制提供了依据。可作为高乳脂水牛育种的候选生物标志物。

02

筛选影响重要经济性状的生物标记

筛选与重要经济性状或疾病相关的代谢分子是畜牧育种研究的重要热点方向，因为相对于表型数据而言，代谢分子更容易进行标准化和批量化的分析检测，所检测得到的数据更为准确。

在动物群体中，目前主要是利用研究代谢分子与重要经济性状之间的相关性或差异分析来筛选生物标记物，育种者期望能够在实践中把这些筛选到的生物标记物，应用于标记辅助选择中，从而提高选择的准确性。

方案设计

经典案例

研究背景

选择繁殖能力强、产仔量大的母猪是猪肉行业成功的必要条件。目前，生猪繁殖和产仔相关性状的遗传力较低，遗传相关性不佳，阻碍了选育效率的提高。将代谢生物标记物作为遗传标记的补充或替代，可以优化和提高选育的效率。

研究材料        

不育母猪、高繁殖力母猪的血清（n=46） 、尿液（n=56）及唾液（n=69）样本

技术路线

研究结果

1. INF与HRP猪的唾液、尿液和血清中都呈现不同的代谢谱

2. 氨基酸、脂肪酸、脂质和类固醇激素代谢物在HRP和INF母猪之间发生改变

3. 筛选生物标志物，建立ROC模型

研究结论

本研究同时对尿、唾液和血清代谢组进行了检测，支持尿液可能是一种优于唾液和血清的生物液体，可以反映母猪的代谢状态并预测生育潜力。这为使用代谢组学作为预测繁殖潜力的工具来改进母猪的选育奠定了基础（先前繁殖潜力的研究均基于卵泡液和卵巢组织）。

03

代谢组与全基因组关联分析（mGWAS）

“突变-基因-调控-表达-代谢-表型”网络在农用动物复杂性状遗传机制中的研究则正在兴起。代谢组表型受遗传和环境效应的联合影响，这使得代谢组-全基因组关联研究(mGWAS)成为研究这些表型和遗传变异之间关系的有力工具。、

以小分子代谢物为表型数据，与基因组进行关联分析，可以更加快速、准确地识别出与肉质、乳质、生长性能相关的生物遗传标记物或发现遗传规律，为农用动物的分子育种提供理论和技术支持。家养动物mGWAS的报道相对较少，主要集中在牛和猪上，其目的是通过对某一类代谢分子的全基因组关联分析筛选出影响肉质或乳质的遗传标记或重要候选基因。

方案设计

经典案例

研究目的

关于肉牛代谢产物遗传水平的报道一直很有限。因此，本研究的目的是估计杂交肉牛33种血浆代谢物的遗传力，确定与代谢物变异相关的遗传变异和候选基因，并了解与这些关联相关的生物学功能和基因网络。

研究材料    

475只杂交肉牛，包含4个品种(181, 68,  2, 224)

组学数据

33个血浆代谢物（NMR，2014）和45266个SNPs（已发表）

研究结果

1. 代谢物的遗传力估计

2. SNP关联和候选基因筛选

甜菜碱、丙氨酸和乳酸分别与3个显著SNP关联。

SNP rs81117935在连环蛋白alpha 2基因（CTNNA2）中被发现，而其他两个SNP没有被定位到任何已知的候选基因中。

3. 功能富集分析

研究结论

本研究估算了杂交肉牛33种血浆代谢物的遗传力，发现11种代谢物具有低至中等遗传力，为代谢物浓度变化的遗传基础提供了依据。在甜菜碱（rs109862186）、l-丙氨酸（rs81117935）和l-乳酸（rs42009425）中检测到3个显著的SNP关联，其中SNP rs81117935位于CTNNA2基因中，可能与牛血中l-丙氨酸浓度的调控有关。本研究得到的遗传力、候选基因和网络将为进一步利用血浆代谢物进行杂交肉牛遗传改良提供信息。

04

经济性状相关分子机制研究

基于代谢组、转录组、蛋白组以及微生物组等多组学手段，结合常见的分子实验来揭示肉质、繁殖力等经济性状相关表型的复杂分子调控网络。

方案设计

经典案例

转录组和代谢组综合分析揭示恩施黑猪肉质复杂的分子调控网络

研究背景

肉质是一个复杂的性状，通过一系列指标来综合评价，如肉色、肌内脂肪含量(IMF)、pH值、持水能力和嫩度。其中，IMF和肉色作为肉质的重要指标，对市场管理和育种计划具有影响和指导作用。恩施黑猪是我国重要的本土猪种，但肉质的过度多样化严重阻碍产业扩展。为揭示恩施黑猪肉质过度多样性的潜在分子机制，本研究对恩施黑猪的IMF和肉色性状进行了转录组学和代谢组学综合分析，旨在为恩施黑猪肉质遗传调控提供理论依据。

技术路线

研究材料

99头恩施黑猪(包括51头去势公猪和48头母猪)于260±5日龄采集腰最长肌样本进行IMF测定和肉色评价、RNA和代谢物提取。

研究结果

1. 表型分析：筛选IMF组和肉色组极端群体并统计差异

2. 转录组分析&qRT-PCR：分别筛选IMF组和肉色组差异基因验证表达趋势并富集功能通路

IMF组：富集度最高的GO term主要涉及脂肪相关代谢；KEGG富集揭示了脂肪酸生物合成、脂肪酸代谢、糖酵解过程、糖异生活性等多个途径。

肉色组：富集度最高的GO term主要涉及细胞周期进程的调节因子；KEGG富集揭示了烟酸和烟酰胺代谢、cAMP信号通路、药物代谢-细胞色素P450过程等途径。

3. 代谢组分析：筛选显著变化代谢物及所富集代谢通路

在IMF组共筛选了171个SCMs；在肉色组共筛选了171个SCMs

KEGG通路富集分析发现，IMF组主要涉及胆固醇代谢、脂肪细胞脂解调节、维生素消化吸收、脂肪消化吸收等通路。肉色组主要涉及谷胱甘肽代谢、铁下垂和foxO信号通路。

4. 转录组和代谢组联合分析：构建共富集通路挖掘关键差异基因和代谢物

研究结论

根据IMF组转录组数据和代谢组数据进行富集分析，揭示了脂肪生成和分解等脂肪代谢过程相关的多条途径，功能基因PNPLA3、PLIN1、PRKG1、TRIB3、CREB5以及二十烷类和甘油三酯成分在脂质代谢相关过程中被筛选并显著富集；在肉色组研究中，通过综合分析强调了烟酸、烟酰胺代谢和谷胱甘肽代谢是重要性状相关途径。以上结果有助于进一步深入了解肌内脂肪积累和肉色变化的生物学机制，且可在遗传和分子水平上指导猪肉品质的改良。

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