代谢组学在奶牛营养与牛奶质量安全方面的研究进展

动物营养学报 2017,29(9):3035-3043

Chinese Journal of Animal Nutrition

doi：10.396^/j.issn.1006-267x.2017.09.003

代谢组学在奶牛营养与牛奶质量安全方面的

研究进展

王倩^张养东u,3*郑楠3李松励u,3文芳口,3

赵圣国L2,3王加启1,2,3

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，动物营养学国家重点实验室，北京100193;2.中国农业科学院北京

畜牧兽医研究所，农业部奶产品质量安全风险评估实验室（北京），北京100193;3.中国农业科学院 北京畜牧兽医研究所，农业部奶及奶制品监督检验测试中心（北京），北京100193)

摘要：代谢组学是检测低分子质量（通常分子质量小于1 000 u)代谢物的变化，并以此来研究生物体受到病理/生理刺激或基因改变后所产生代谢产物的构成及其变化规律的学科。它是后基因时代发展起来的一门新的学科，是系统生物学的重要组成部分。代谢组学已经广泛应用于生理学、病理学、药理学、动物营养学、动物学和植物学等各个领域，但代谢组学在奶牛营养与牛奶质量安全研究中的应用还比较少。本文从代谢组学的基本概念、研究思路和方法等入手，综述了目前代谢组学在奶牛营养、疾病、热应激、牛奶质量与奶品安全中的应用。

关键词：代谢组学；奶牛；营养；牛奶；质量；安全

中图分类号：S852.2 文献标识码：A

牛奶中除含有丰富的蛋白质、糖类和脂类外，还含有很多微量却可以承担重要生理功能的生物 活性物质，例如免疫球蛋白、核苷酸和寡糖等[1_2]。许多因素可以影响到牛奶的产量和成分，例如遗 传因素、饲料组成、季节性变化、奶产品加工过程 以及动物健康状况等[2—5]。因此，通过检测奶中各 种成分的变化，我们不仅可以了解奶产品质量，还 可以追溯奶牛的生理或是病理状况[6_7]。通过生 化或是感官等常规指标能够监测奶牛健康状况或 牛奶品质,但检测指标较为简单，因此不可避免地 使结果带有局限性。另外，如果检测参数之间缺 乏关联，也会给了解研究对象的完整信息带来更 多的困难。对于生命体来说，其内部生物化学反 应不仅是连续的，而且这些反应所涉及到的代谢 途径之间还是相互关联的，因此是以代谢网络的 形式在生命体内存在，所以需要用整体和系统的

文章编号：1006-267X(2017)09-3035-09

研究思想去认识机体代谢。系统生物学的诞生使 得生命科学的研究思想、方法和技术跨越到了整 体和系统研究的阶段[8]。随着研究思想、方法和 技术的创新和进步，代谢组学的出现给我们提供 了全面了解动物健康及动物产品质量与安全的新 契机[8_9]。

1代谢组学的基本概念、分类及应用范围1.1概念

代谢组学是研究生命体受到内外界刺激或基 因修饰后所产生的与时间序列相关联的众多代谢 产物的一门学科[8,10]。它测定的生理参数能够直 接反映机体营养、应激或者疾病状态，且代谢物反 应速度比转录组、蛋白质组要快得多。因此，代谢 组学提供了一种更加直接的检验方法，这也是它 有别于其他组学方法的重要特征。此外，机体代

收稿日期：2017-02-13

基金项目：现代农业产业技术体系专项资金（nycytx-04-01);公益性行业（农业）科研专项（201403071);中国农业科学院科技创新工程(ASTIP-IAS12)

作者简介：王倩（1977—),男，安徽滁州人，博士，研究方向为奶牛营养与饲料科学。E-mail:sousawang@

* 通信作者：张养东，副研究员，E-mail:yangdongzhang1982@

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谢物的种类要远小于基因和蛋白的数目，而且研 究中使用的仪器和方法更为一致,这也有利于不 同研究结果间的相互比较。以上优点使得代谢组 学研究在近年来得到快速发展，并在许多领域得 到广泛运用，如营养学、毒理学、疾病诊断以及药 物研发等领域[1〇]。

1.2研究目标、所涉及仪器类别及分析方法

代谢组学检测方式的特点决定了其检测的产 物不仅分子质量小，而且种类较多。因此也就要 求有高灵敏度、高精度和高通量的仪器来检测这 些代谢物质[8，10]。目前，常见的代谢组学的数据采 集主要釆用质谱（mass spectrometer，M S)和核磁共 振谱（nuclear magnetic resonance，NMR)为核心的 分析技术，在辅助以一些高效的分离设备,共同组 合成代谢组学所使用的设备，设备类型包括：气相 色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spee­dometer，GC-M S)、高效液相色谱-质谱联用 （liq­uid chromatography-mass spectrometry，LC-MS 或 LC-MS/MS)、高效液相色谱-核磁共振联用（high-performance liquid chromatography-nuclear magnetic resonance，HPLC-NMR)、高效液相色谱-核磁共 振-质谱联用（HPLC-NMR-MS)技术等[8’10]。其 中，N M R技术比较适合分析含量高的代谢物，样 品只需要简单的处理，因此基本不会破坏样品的 结构和性质，所以N M R具有良好的试验重现性和 较高的灵敏度。另外，N M R还允许样品在一•定的 温度和生理缓冲范围内选择试验条件，所以能更 加接近生理状态，也因而能够进行实时和动态的 监测和检验[8，10]。N M R的检测对象是元素的同位 素原子核，目前最为常见的N M R波谱分析是氢谱 核磁共振〇H NMR)、碳谱核磁共振（13C NMR)及 磷谱核磁共振（31P N M R)3种。基于这3种波谱 的分析方法可以检测的生物样本包含生物体液、细胞提取液、组织液和活体组织，其中屯N M R可引起生物样本中的含氢化合物响应，这个特点使 得生物样品中大多数的代谢物都能被检测到[8，10]。

G C-M S的灵敏度高，适合分析易挥发或经衍生化 后易挥发有机化合物，还具有大量可检索的标准 质谱库的优势，例如美国国家标准技术学院（Na­tional Institute of Standards Technology) 数据库。在这些数据库辅助下可以准确定性化合物种类E8，10-11]。目前的技术已经可以通过采用GC-MS 方法同时测定几百个化学性质不同的代谢物，包括有机酸、大多数氨基酸、糖、糖醇、芳胺和脂肪酸 等[sm。-11]。L C-M S不同于G C-M S技术的地方在 于其以测定物质的质荷比差别来区分和鉴定代谢 物。由于LC-M S分析样品无需衍生化处理，样品 范围不受制于化合物的性质，因此G C-M S分析难 以分离和检测的,不稳定、难挥发的极性和极性低 的成分均可以用L C-M S来分析。这个特点使得 LC-M S分析化合物的类型最为广泛。但是LC-M S得到的代谢物的鉴定还没有标准的数据库作 为比对标准。若要鉴定代谢物种类，需要在线数 据库的帮助下，如人类代谢组学数据库（Human Metabolome Database，HMDB)[12]。每种技术均有 其优势和不可避免的缺点，但是可通过多种分析 技术联合应用来弥补相互间的不足，这也是代谢 组学研究中的一个重要发展趋势[8，10]。在HPLC-N M R和HPLC-NM R-M S的代谢组学研究中，高通 量的H PLC分离技术，可高效地分离代谢物，简化 成分的复杂性。N M R可提供代谢物的分子质量 及子离子信息，对代谢物定性、定量分析具有高选 择性和髙灵敏度，而一维、二维N M R波谱还可以 用来确定分子结构[13]。

代谢组学数据的分析方法包括无监督（unsu­pervised method) 和有监 督方法 （supervised meth­od^类。 无监督方法包括主成分分析 （principal components analysis，PCA)、层次聚类分析（hierar­chical cluster analysis，HCA)、自组织图 （self-organ­izing maps，SOMs)。有监 督方法 包括判 别分析 (discriminant analysis，D A)、偏最小二乘法（partial least squares，PLS)、偏最小二乘法-判别分析(PLS-DA)、正交偏最小二乘-判别分析（OPLS-D A)、软独立建模分类法（soft independent model­ing of class analogy，SIM CA) 、人工神经网络 （arti­ficial neural network，AN N)[8，10]。

1.3分类及优缺点

随着试验技术和数据分析方法的进步，基于 代谢组学的各种研究和试验方法成功地运用到了 营养学、毒理学、病理学、药理学、疾病诊断、动物 模型、微生物、植物、生物医学、环境科学等领域[8，10]。虽然代谢组学的研究方向各不相同，但是 大致可将代谢组学的研究分为4类：即靶向代谢 组学分析、非靶向代谢组学分析、代谢指纹分析和 代谢物谱图分析。靶向代谢组学分析可以验证已 鉴定的生物标记物，但需要标准品在定性和定量