营养基因组学在动物营养与饲料科学研究中的应用_石彩霞

科学研究中的应用

王海荣

内蒙古农业大学动物科学学院，呼和浩特010018

石彩霞

动物机体的生理和病理变化，如生长发育、新陈代谢、遗传变异、免疫与疾病等，从本质来

说都是基因的表达和调控发生改变的结果。营养基因组学是研究营养物质与基因间的相互作用及其对动物生

摘

要

产与机体健康影响的科学。它以分子生物学技术为基础，应用DNA芯片技术、生物标记物和蛋白质组学技术等来阐明营养素与基因表达间的相互关系。主要介绍营养基因组学的概念、研究方法及其在动物营养与饲料科学领域的应用。

关键词

营养基因组学

动物营养

饲料

应用

文章编号：1002－2813（2014）01－0013－03病预防和食品安全等领域，在动物营养与饲料科学研究中它也具有巨大的应用价值。

中图分类号：S813.1文献标志码：A

随着现代分子生物学技术的不断发展，它已成为研究和阐明生命现象本质和规律的一种重要工具。传统的动物营养学主要探讨某种营养素缺乏和过量导致的动物疾病和动物生产性能的下降。然而从本质上说，动物机体的新陈代谢、生长发育、生产产品和疾病发生等生理和病理变化，都是其基因的表达和调控发生改变的结果。如果掌握了动物摄入的营养素和其基因表达间的关系，就可以调控动物的新陈代谢，提高它们的生产性能，避免营养代谢病的发生。然而，营养素对动物机体基因表达和调控的影响是一个复杂且全面的过程，仅仅了解它对单个基因的作用远远不够。随着基因组学、蛋白组学和代谢组学研究手段的建立及生物信息学的发展，使营养学的研究由探讨营养素对单个基因表达及其作用，转向了研究基因组及其表达产物在代谢调节中的作用，即向营养基因组学的方向发展，并迅速成为了营养学研究的热点之一。目前，营养基因组学不仅已应用于人类个体营养需要的制定、疾

1营养基因组学的形成和概念

随着分子生物学技术的发展，科学家开始探索饮食与基因的相互影响，营养学研究也从此迈入了基因时代。基因组学首先由美国科学家ThomasＲoderick（1986）提出，主要包括两方面，一方面是以全基因组测序为目标的结构基因组学，另一方面是以基因功能鉴定为目标的功能基因组学。DellaPenna（1999）首先对营养基因组学下了定义，认为它是一门研究营养素在基因表达中的作用或相互关系的科学。Chávez等（2003）提出营养基因组学是对营养刺激和基因反应间分子关系的研究。Müller和Kersten（2003）将营养基因组学定义为在营养研究中应用高通量分子工具，促进了解营养素如何影响代谢途径和稳态控制，在与饮食有关疾病发生的早期阶段，这种调节如何被打乱，什么范围的敏感基因型对这些疾病起作用。

营养基因组学被引入动物营养与饲料科学研究领域后，用于研究营养物质与基因间的相互作用及其对动物生产和健康的影响规律和机制，从而提高动物生产性能，改善畜产品品质，预防与营养相关疾病，保障动物机体健康。

收稿日期：2013－04－27

基金项目：内蒙古农业大学博士基金项目（206052）第一作者：石彩霞，E－mail：shicx98@163.com通信作者：王海荣，E－mail：wanghairong97@163.com

饲料研究FEEDＲESEAＲCHNO．01，201413

综述2营养基因组学主要研究方法

目前营养基因组学的研究方法以转录组学、蛋

化地研究基因和蛋白质的表达情况，所以为生物标记物的发现、鉴定和评价提供了有力的技术支持。动物营养学家可以通过试验，寻找评价动物对营养物质最适需要量的分子标记物，更准确合理地确定不同生产目的动物在不同饲养条件下的营养需要量，从而彻底改变传统的剂量－功能反应的营养素需要量研究模式。另外，还可以寻找与营养代谢疾病相关的分子标记物，及早调整日粮预防这些疾病的发生，这对动物生产的可持续发展具有重要意义。2.3

蛋白质组学技术

基因只是遗传信息的携带者，生命功能的真正执行者是蛋白质。基因组学不能回答如蛋白质的表达水平、表达时间、翻译后修饰及蛋白质间或与其他生物分子的相互作用等问题。因此仅从基因组学的角度来研究生命活动是远远不够的，由此一门新

——蛋白质组学诞生了，它与基因组学共同兴学科—

承担起从整体水平解释生命现象的重任。

蛋白质组学的概念最早由澳大利亚学者Wilkins

等（1994）提出，指基因所能表达的全部蛋白质，即细胞或组织或机体在特定时间和空间上表达的所有蛋白质。具体的说，它是对不同时间和空间上发挥功能的特定蛋白质组群进行研究，进而在蛋白质的水平上探索其作用模式、功能机制、调节和调控及蛋白质组群内的相互作用。蛋白质组学技术研究主要包括样品或组织中的蛋白质分离和鉴定2个关键步骤。营养基因组学通过研究与营养物质代谢相关的酶、转运蛋白、激素和血浆蛋白与其他物质的关系，发现新的分子调节机制，这将有助于正确理解营养素的代谢途径，掌握动物最佳的营养和健康状况。

白组学和代谢组学等组学技术为基础，以高通量和大规模试验结合计算机分析为特征，主要有DNA芯片技术、生物标记物和蛋白质组学技术等。2.1DNA芯片技术

DNA芯片又称生物芯片或DNA微阵列，俗称基因芯片，是指将成千上万不同的寡核苷酸或cDNA固定在固体载体上，与荧光染料标记的待测DNA或ＲNA进行杂交，与靶序列配合良好的探针会产生强烈的杂交信号，而错配碱基会减弱信号，然后用放射自显影或激光共聚焦显微镜对杂交结果进行扫描，通过计算机软件分析杂交信号的强弱，从而判断样品中靶分子的数量。

由于DNA芯片可以在同一时间定量分析上万个靶基因，因此借助该技术可以检测营养素对整个细胞、组织甚至整个机体在作用方式上的差异，使营养学家全面了解日粮营养素对基因表达模式的影响，同时阐明营养素与基因间复杂的调控关系，从而揭示这些营养素的作用机制。DNA芯片技术作为转录组学的主要研究工具，已经广泛应用于能量、蛋白、脂肪酸、维生素和微量元素与基因表达间关系的研究。Moore等应用cDNA阵列技术对缺锌小鼠进行差异表达基因的筛选，得到髓样细胞白细胞过多症序列－1、DNA损伤修复及结合蛋白23B、小鼠层黏连蛋白受体和淋巴细胞特异性酪氨酸蛋白激酶（LCK）等4条差异表达基因，并进一步对LCK在信号转导中的作用进行了验证。龙建纲等应用基因芯片技术检测了缺锌仔鼠脑中差异表达基因，初步确认缺锌组仔鼠脑中有8条差异表达基因，其中5条锌上调序列，3条锌下调序列，该研究结果为揭示缺锌致脑功能异常的机制提供了重要的线索。2.2

生物标记物

生物标记物通常是指用来作为某一生理状态标志的一种物质。它能被客观地测定并认为是正常生理过程、病理过程或对药物治疗反应的一个标记物。在医学上它用于从分子水平探讨疾病的发生机制，同时在疾病的早期预警、诊断、分级、预后及治疗监测过程中常被作为诊断指标进行定量测定。因为基因组和蛋白质组学技术能在特定条件下规模

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营养基因组学在动物营养学研究中的应用

虽然在细胞和分子水平上研究动物的营养代谢

规律，通过预测营养过程和调控营养途径来提高动物产品质量已成为当今动物营养学研究的热点。但营养基因组学在动物生产上的应用还很少。根据已有研究成果，营养基因组学研究有可能在以下几方面产生重要影响。

3.1揭示营养素的作用机制

虽然一些营养素在饲料中广为应用，但他们的

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饲料研究FEEDＲESEAＲCHNO．01，2014综述作用机制还不清楚，如高铜、高锌和抗生素的促生长机制，低蛋白日粮的作用机制等均未得到圆满的解释。从本质上讲，营养代谢过程取决于细胞或器官众多mＲNA分子表达和众多密码蛋白质的相互作用。营养成分如糖、氨基酸、脂肪酸和维生素等，都会影响基因的表达，继而导致mＲNA水平或蛋白质水平表达出现差异，甚至其功能发生改变。利用营养基因组学技术可以研究营养素在动物体内的作用和代谢通路，有可能阐明其作用机制，为营养物质的合理使用提供科学依据。3.2确定动物营养需要量

应用含有某种动物全部基因的cDNA芯片研究在营养素缺乏、适宜和过剩条件下的基因表达图谱，将发现更多的能用来评价营养状况的分子标记物，这将为更准确合理地制定营养需要量奠定基础。目前饲养标准中营养推荐量都不是根据基因表达来制定的，仅有极少数是依据生化指标确定的。借助功能基因组学的研究技术手段，从DNA和mＲNA到蛋白质等不同阶段基因表达的调控及从细胞到整体等不同层次的研究来寻找并发现适宜的分子标记物，作为评价动物营养状况的新指标，进而更加准确合理地确定动物对营养素的需要量。3.3使群体营养向个体营养转变

目前饲养标准的营养推荐量均是针对群体而言的，而每一个个体的遗传基因都不同，对营养素的需求也存在差异。畜禽个体基因的单核苷酸多态性可能是个体对营养素需求及响应差异的重要分子基础。未来动物营养学将应用基因组学、蛋白质组学和代谢组学的技术阐明与营养相关的单核苷酸多态性（Vander等，2001），对不同遗传潜力和不同生理阶段的动物基因构成和代谢型进行鉴定，从而确定个体的最佳营养需要量，使营养供给更符合个体的需求。

3.4鉴别饲料来源和鉴定饲料品质

有些饲料原料存在安全隐患，如转基因饲料和牛羊源饲料等。目前鉴别饲料原料来源的主要方法是PCＲ技术，该技术不仅费时费力，而且只能对一个或几个特征DNA片断进行检测，容易造成假阳性。利用营养基因组学的研究技术，可以明确转基因饲料和动物源性成分的DNA序列特征，然后利用基因芯片技术，对饲料原料成分进行高通量的快速扫描检测，鉴定其是否含有转基因饲料或动物源

性成分，从而为饲料的生物安全性评价提供科学依据。另外，通过营养基因组学技术也可以研究饲料污染和添加违禁药物对动物体内基因表达的影响，进而寻找分子标记物来对它们进行定性和定量分析。3.5

确定饲料中有毒和有害物质的限量

当前对饲料中有毒和有害物质的限量确定主要是根据动物的生长状况和这些毒害物质在动物组织和器官中的残留量来确定的。这些方法只能表观地观察动物对毒害物质的反应，不能准确地描述它们对动物DNA的复制、修复和基因表达等过程的损害。如果从转录组、蛋白质组和代谢组学水平全面研究动物对有毒有害物质的反应，将为制定更加科学合理的有毒和有害物质在动物饲料中的最大限量奠定理论基础。

4展望

营养基因组学是一门新兴学科，随着它的深入发展，营养物质代谢的分子机制将有可能进一步被阐明，为新的营养调控理论的建立奠定理论基础。这将对动物营养与饲料科学的研究和发展，乃至整个畜牧业的生产产生重大而深远的影响。

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