母体营养程序化调控肉牛胴体组织代谢的整合多组学机制解析

《Scientific Reports》：Multi-omics analysis reveals the effects of prenatal nutrition on carcass-related tissues in beef cattle

本研究针对热带地区肉牛母体营养不均衡影响后代肉品质的产业难题，通过多组学整合分析揭示了不同孕期营养策略（全期补充PP、后期补充FP、仅矿物质NP）对后代背最长肌和皮下脂肪组织的长效编程效应。研究发现NP组显著激活PPAR信号通路和鞘脂代谢，而补充组（PP/FP）主要调控免疫应激（NF-κB）和血管生成（VEGF）通路，WGCNA分析鉴定出CNOT4、YWHAZ等枢纽基因及肉碱、色氨酸等关键代谢物，为通过母体营养干预提升牛肉品质提供了分子理论基础。

　　

在巴西广袤的牧场中，内洛尔牛（Nellore cattle）作为主要肉牛品种，其生产性能直接关系到全球牛肉供应。然而热带地区的季节性牧草波动常导致妊娠母体营养失衡，这种"胎儿编程效应"如何通过分子机制影响后代终身的肉品质形成，始终是产业界与学术界的共同谜题。传统研究多聚焦于单一组织或单一组学层面，难以全面揭示母体营养通过多组织互作调控牛肉品质的完整通路网络。

为破解这一难题，圣保罗大学联合圭尔夫大学的研究团队在《Scientific Reports》发表了一项创新研究，首次采用多组学整合策略（multi-omics integration），系统阐释了不同孕期营养策略对肉牛胴体相关组织的长效代谢编程效应。研究人员设计了三组妊娠母牛：全孕期仅矿物质补充的NP组（非程序化）、妊娠后期蛋白能量补充的PP组（部分程序化）以及全孕期蛋白能量补充的FP组（完全程序化），在后代公牛育肥期采集背最长肌（longissimus thoracis）进行转录组测序（RNA-seq），并分别采集成熟肉样和皮下脂肪进行靶向代谢组学分析（靶向检测188种代谢物）。

关键技术方法包括：通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）构建基因模块与代谢物模块的关联网络；采用Spearman相关性分析跨组学数据关联；利用MetaboAnalyst进行联合通路分析（joint pathway analysis）整合多组学信号。实验样本来自同一父系的15头公牛（每组5头），确保遗传背景一致性。

WGCNA分析揭示营养特异性模块

研究发现NP组在肌肉中激活8个显著基因模块（如darkseagreen4、pink等），其枢纽基因CNOT4（CCR4-NOT转录复合物亚基4）参与蛋白质泛素化调控，而色氨酸（tryptophan）作为关键代谢物与16个基因显著相关。FP组独有的darkgrey模块中YWHAZ（酪氨酸3-单加氧酶激活蛋白Zeta）基因主导细胞周期调控，代谢模块中戊烯二酰肉碱（glutaconylcarnitine, C5:1-DC）凸显脂肪酸氧化活性。特别值得注意的是，NP组与PP组共享的bisque4模块呈现相反相关性（r=-0.56 vs 0.65），提示相同通路可能被不同营养策略逆向调控。

功能富集显示组织特异性代谢重编程

肌肉转录组富集分析表明，NP组显著激活细胞骨架调控和胰岛素抵抗相关通路，其中Wnt信号通路（Wnt signaling pathway）可能通过Akt1/AMPK机制补偿葡萄糖摄取不足。PP组特征性激活Rap1/Ras/Notch等血管生成通路，其枢纽基因TIE1（酪氨酸激酶受体1）参与内皮细胞稳定。FP组则富集间隙连接（gap junction）和类固醇生物合成通路，显示更强的细胞通讯与激素调控能力。代谢物模块中，NP组特有的紫色模块富集氨基酸代谢通路，而PP/FP组均显示甘油磷酸胆碱（GPCs）亚类显著富集，这与先前报道的PP组烹饪损失率升高现象相互印证。

跨组学相关性揭示关键调控网络

肌肉-肉样代谢物相关性分析发现，NP组中TRAF4基因与鞘磷脂SM C24:1呈现强正相关（r=0.91），而线粒体解偶联蛋白UCP3与十四碳烯酰肉碱（tetradecenoylcarnitine, C14:1）负相关（r=-0.91），这解释了NP后代在高能量育肥期皮下脂肪沉积减少的代谢基础。FP组中AACS基因与磷脂酰胆碱PC ae C36:1最高相关（r=0.93），凸显脂代谢核心地位。皮下脂肪分析进一步显示NP组STAU1基因与PC aa C36:5存在最强负相关（r=-0.96），表明营养程序化对脂肪组织的深度调控。

整合通路图谱勾勒营养编程特征

通过联合通路分析构建的代谢图谱显示，NP组特异性激活22条通路，包括PPAR信号通路（PPAR signaling pathway）、鞘脂信号（sphingolipid signaling）等脂代谢核心通路，以及溶酶体/蛋白酶体等蛋白质周转通路。PP组独有14条通路中以NF-κB信号（NF-kappa B signaling）和皮质醇合成（cortisol synthesis）为代表的应激免疫通路为主。FP组8条特征性通路中VEGF信号（VEGF signaling）和C型凝集素受体信号（C-type lectin receptor signaling）共同指向营养输送与免疫调节的协同机制。

研究结论表明，母体营养程序化通过差异调控能量代谢枢纽基因（如CNOT4、YWHAZ）与关键代谢物（如色氨酸、肉碱），分别塑造了后代不同的代谢类型：NP组倾向蛋白质/脂质代谢优化，而蛋白能量补充组（PP/FP）则强化应激适应与免疫调节能力。这种编程效应持续至动物上市日龄（约676天），且共享模块的逆向调控模式提示可能存在营养依赖的表观遗传修饰。该研究首次绘制出肉牛胴体组织的胎儿编程多组学图谱，为开发精准母体营养策略提供了分子靶点，对实现"从牧场到餐桌"的肉质精准调控具有重要实践意义。