FSAP|西北农林科技大学李广研究员：基于代谢组学对高产和低产关中奶山羊初乳代谢差异物的分析

西北农林科技大学动物科技学院的Shari Akang（第一作者）、李广（通信作者）等采用液相色谱-串联质谱（liquid chromatography-tandem mass spectrometry，LC-MS/MS）分析高产与低产关中奶山羊的初乳差异代谢物，旨在研究高产与低产关中奶山羊代谢组特征，从代谢角度分析高产与低产关中奶山羊初乳代谢物特点。

Introduction

山羊乳是目前现有乳品中化学成分组合最接近人体母乳的一种天然食品,其生物功能活性成分与人类母初乳有一定同源性。近年来，有研究表明山羊初乳中的胞嘧啶核苷酸、鸟嘌呤核苷酸、尿苷等核苷酸营养物质含量显著高于牛乳，初乳中的免疫活性物质、激素、生长因子等含量比其它阶段高。同等饲养条件的奶山羊个体间产乳量差异很大，受生理阶段、遗传改良、饲养管理和饲粮组成等多种因素影响，但与泌乳相关的重要差异代谢物是影响奶山羊泌乳性能的重要因素之一。利用代谢组学技术对奶山羊不同泌乳阶段乳成分和含量的分析已有很多报道，而对不同产乳量水平的奶山羊泌乳期乳代谢差异的研究较少。

Results

1.基于LC-MS/MS的多元统计分析结果

多元统计分析结果表明，本研究建立的模型具有较高的预测能力和较好的稳定性（图1)。结果表明，R2X、R2Y和Q2均大于0.5，且趋于1，表明该模型能够准确预测样本之间的差异，具有良好的预测能力。此外，主成分分析结果显示，95%置信区间内的初乳样本可以很好地分为2 组，表明样本代谢存在显著差异（图1A）。本实验使用偏最小二乘判别分析（partial least squares discriminant analysis，PLS-DA）建立代谢物表达水平与样本差异之间的关系模型，结果表明，该模型能够很好地表达和预测高产和低产奶山羊样本之间的显著差异，进一步验证了模型的预测能力和稳定性（图1B）。

正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA）评分结果显示，模型在X轴方向上R2X＝0.809、Q2＝0.995，进一步提高了模型的可靠性和准确性。通过分析OPLS-DA模型，可以有效地解释和预测2 组关中奶山羊初乳样品之间的差异（图1C）。为验证模型质量，进行7 倍交叉验证和200 次响应置换检验。结果可知R2＝0.809，Q2＝－0.329（图1D），表明所建立的模型是有效的，基于LC-MS/MS的OPLS-DA模型能够可靠地检测2 组关中奶山羊初乳样品的代谢差异。

A.主成分分析得分图；B. PLS-DA得分图；C. OPLS-DA得分图；D.置换检验图。H-C.高产关中奶山羊初乳；L-C.低产关中奶山羊初乳。

图1 高产和低产关中奶山羊初乳样品的多元统计分析

2. 基于LC-MS/MS检测结果的单变量统计分析

由图2可知，从高产组和低产组关中奶山羊的初乳样品中共鉴定出452 种代谢产物，其中85种代谢产物表达上调、58种代谢物代谢产物表达下调、308 种代谢产物变化不显著。

图2 所有代谢物的火山图

3. 关中奶山羊初乳中差异代谢物的鉴定与筛选

以变量投影重要性（variable importance in the projection，VIP）值＞1.0、P＜0.05为条件筛选差异代谢物，分析发现这些代谢物属于8 大类，分别为有机氧化合物（17 个）、有机杂环化合物（6 个）、脂质和类脂分子（17 个）、核苷、核苷酸和类似物（32 个）、苯丙烷类和聚酮类（1 个)、苯环型化合物（3 个）、有机氮化合物（2 个）、有机酸及其衍生物（17 个）。

进一步对前50种差异代谢物进行聚类热图分析，由图3可知，发现高产组和低产组代谢产物之间存在显著的聚类和分层效果，其中9种代谢产物的相对含量最高，分别是牛磺酸、L-肉碱、潮霉素A、D-丙氨酸-D-丝氨酸、α-乳糖、异卵黄蛋白2'-(6'-香豆素基葡糖苷)、D-麦芽糖，普伐他汀、二酮古龙酸。高产组中表达最多的代谢产物是D-丙氨酸-D-丝氨酸、α-乳糖、2'-(6'-香豆酰基葡糖苷)、D-麦芽糖和二酮古龙酸，而牛磺胆酸、L-肉碱和潮霉素A在低产组中更丰富。

图3 聚类分析前50 个差异代谢物的聚类热图

4. 关中奶山羊初乳代谢通路富集分析

利用MetaboAnalyst 5.0分析平台，对2 组关中奶山羊初乳中差异代谢产物的代谢途径进行分析。结果表明，已鉴定的96 种差异代谢产物涉及38 种代谢途径。对前20 个重要途径进行KEGG途径富集分析，由图4可知，这些差异代谢产物主要集中在嘌呤代谢、嘧啶代谢以及氨基和核苷酸糖代谢途径。富集的差异代谢产物主要集中在嘧啶代谢、嘌呤代谢、味觉传导、氨基糖和核苷酸糖代谢等代谢途径上。富集程度最高（富集因子为0.4）的代谢途径是cGMP PKG信号通路。

图4高产和低产关中奶山羊初乳样品中前20 个代谢通路的气泡图

Conclusion

实验鉴定出的差异代谢物和潜在代谢通路为进一步研究高产与低产关中奶山羊泌乳代谢差异的解析提供理论依据，也有利于高产奶山羊群体的选育选配提供一定参考。

Abstract

In order to identify and analyze the metabolites of colostrum differences between high yielding and low yielding Guanzhong dairy goats from metabolomics point of view. Six high-yielding (milk yield (3.68 ± 0.57) kg/d) and six low-yielding (milk yield (1.17 ± 0.64) kg/d) Guanzhong dairy goats of similar age, litter size, body weight, and days of lactation (2ndday postpartum) were selected. The colostrum samples were examined by liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), and the results were combined with orthogonal partial least squares discriminant analysis (OPLS-DA) and Student’s t-test. The metabolites were screened for differential metabolites based on the principle of variable importance in the projection (VIP) > 1, P < 0.05, and the differential metabolites were subjected to cluster analysis, significant difference screening, and enrichment of Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathways. The results showed that 95 differential metabolites were screened from the colostrum of Guanzhong dairy goats in the two groups, and the clustering heatmap showed that 9 of the top 50 differential metabolites were the most abundant in relative terms. The metabolites with significantly increased content in the colostrum of Guanzhong dairy goats in the high-yield group were D-alanine-D-serine, α-lactose, isoflavoprotein 2”-(6’-p-coumaroylglucoside), D-maltose, pravastatin, and diketoglucuronic acid, whereas the differential metabolites with relatively decreased content were taurocholate, L-carnitine, and thiamphenicol A. KEGG pathways enrichment analysis identified 8 potential metabolic pathways The results of this experiment provide a theoretical basis for the subsequent analysis of the mechanism of milk production traits in dairy livestock and the selection and breeding of high-yielding dairy goats.

作者介绍

李广 研究员

西北农林科技大学动物科技学院

研究方向为奶山羊良种选育、高效繁育及产业化配套技术。兼任中国畜牧兽医学会养羊学分会理事，中国畜牧业协会羊业分会理事，陕西省奶山羊现代农业产业技术体系岗位专家，陕西省奶山羊产业技术创新与产业发展联盟岗位专家，西安市农业科技特派员。主持项目15余项，以第一作者或通讯作者发表学术论文25余篇，参编教材、著作9 部，发明授权专利4 项。参加项目“优质高效奶山羊产业化关键技术的集成创新与推广”获陕西省人民政府一等奖、“肉羊高效养殖关键技术集成与推广”获陕西省人民政府一等奖、“肉羊高效生产综合配套技术推广”获陕西省人民政府二等奖。

编辑：李婉君、龚艺； 责任编辑： 刘莉

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Food Science of Animal Products（ISSN: 2958-4124, e-ISSN : 2958-3780）是一本国际同行评议、开放获取的期刊，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心主办，中国食品杂志社《食品科学》编辑团队运营，属于食品科学与技术学科，旨在报道动物源食品领域最新研究成果，涉及肉、水产、乳、蛋、动物内脏、食用昆虫等原料，研究内容包括食物原料品质、加工特性，营养成分、活性物质与人类健康的关系，产品风味及感官特性，加工或烹饪中有害物质的控制，产品保鲜、贮藏与包装，微生物及发酵，非法药物残留及食品安全检测，真实性鉴别，细胞培育肉，法规标准等。

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为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科技创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、河北农业大学食品科技学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团等企业赞助的“第一届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于 2024年5月16-17日 在 中国 北京 召开。

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