代谢组学和转录组学综合分析精饲料影响牛肉质量相关的代谢途径

  摘要：

  牛肉在许多国家是主要的饮食成分和蛋白质来源。随着对牛肉需求的增加，该行业目前正经历着自然生产牛肉的变化。然而，真正的喂养系统的差异，特别是生化和营养方面，目前还不清楚。利用转录组和代谢组，我们发现与草饲养和谷物饲养的安古斯牛的差异相关的生物通路。在背阔肌，鉴定到241个差异表达基因（FDR＜0.1）。肌肉和血液代谢组学分别发现163个和179个改变的化合物（P＜0.05）。相应地，还观察到葡萄糖代谢的改变、游离脂肪酸和肉碱结合脂质水平的分歧、β-氧化的改变。食草牛饱食后，抗炎n3多不饱和脂肪酸富集，食谷物牛饱食后，n6多不饱和脂肪酸富集，可以促进炎症和氧化应激。此外，食草牛产生总脂肪较低的嫩牛肉，高的omega3/omega6比例，可能有利于消费者的健康。最重要的是，血液皮质醇水平表明，食草牛的血液压力可能比食谷物牛的压力小。这些结果将对肌肉发展的优点和机制提供更深入的见解。

  取材方法：

  从安古斯牛的颈静脉收集10mL全血，-80℃冷藏。随后，取第十二肋骨间的一块小小的背阔肌（其价值最高且对牛肉质量起参考作用）。

  代谢组学和代谢产物分析：

  甲醇处理去除蛋白质组分，TurboVap去除有机溶剂。样品分为四部分，超高效液相色谱/质谱UPLC/MS/MS (positive mode强酸性阳离子), one for UPLC/MS/MS (negative mode常见的阴离子), one for GC/MS（气相色谱/质谱联用）, and one for backup（备份）。

  测序：肌肉：Illumina Hiseq2000；

  分析：比对：Bowtie；

  数据质控、数据处理、文件格式转换：SAMtools, bedtools, HTSeq and the R based packages, ShortRead, Rsamtools and Biostrings；

  通路分析：(IPA) tool；

  转录组和代谢组数据联合分析：Integrated Molecular Pathway-Level Analysis (IMPaLA)。

  结果：

  1、不同日粮的生长曲线和牛肉嫩度

  食草的生长慢一些，肉质稍嫩。

  2、动物福利（生理精神健康）和喂养方案

  常规的临床分析两种日粮的牛血液中的葡萄糖、CO2含量。

  代谢组学分析两种日粮的牛血液中的葡萄糖、皮质醇含量。

  3、牛肉脂肪酸含量和饮食风格

  两种日粮的牛肌肉中检测到的131个脂质分子的平均相对质谱密度。

  4、代谢组学分析

  血液和肌肉分别检测了326和353种化合物，达到统计学意义及接近统计学意义的如表2。

  肌肉和血液的主成分分析和聚类分析。食草和食谷物完全分离。

  图7显示了前30名的代谢产物及其分类（随机森林分析-用于确定感兴趣的生物标志物）。两组织中前2名都是脂质，其次是氨基酸。这两种元素都是定义牛肉质量的关键。

  5、基因表达分析

  食草、食谷物各两个生物学重复。总reads分别为32M和30M。

  241个差异表达基因（FDR＜0.1）。食草动物中，182个上调，59个下调。

  6、IPA分析得到的最典型的途径

  氧化磷酸化、线粒体功能障碍、急性期反应信号视黄醛受体激活、蛋白质泛素化

  7、牛线粒体编码基因

  牛基因组中包含13个线粒体的蛋白编码基因。

  A图显示线粒体染色体上RNA-seq的reads分布（食谷物中reads基因表达更丰富）

  B图为13个线粒体的蛋白编码基因的聚类分析

  8、qPCR验证RNA-seq结果

  亮点分析：

  利用转录组和代谢组，发现与草饲养和谷物饲养的安古斯牛的差异相关的生物通路。食草牛产生总脂肪较低的嫩牛肉，高的omega3/omega6比例，可能有利于消费者的健康。血液皮质醇水平表明，食草牛的血液压力可能比食谷物牛的压力小。这些结果将对肌肉发展的优点和机制提供更深入的见解。

  参考文献：

  Integrated metabolomic and transcriptome analyses reveal finishing forage affects metabolic pathways related to beef quality and animal welfare.

  SCIENTIFIC REPORT. 2016, IF= 5.228