绿色饲料对意大利地中海奶用水牛瘤胃壁 DNA 甲基化的影响：开启精准饲养新篇

为探究绿色饲料对水牛瘤胃 DNA 甲基化影响，研究人员展开研究，发现其能调控瘤胃转录，意义重大。

　　在当今畜牧业发展的浪潮中，人们对动物源性产品的品质愈发关注，尤其是来自草饲动物的产品，其独特的营养价值和风味备受青睐。水牛作为全球重要的家畜，不仅能提供肉、奶、皮革，还能用于劳作，在许多国家的经济发展中扮演着关键角色。而且，水牛对炎热潮湿气候、寄生虫的抵抗力较强，对低质量粗饲料也有良好的适应性。

不过，在水牛养殖的营养供给方面，仍存在诸多待解之谜。不同的饲养方式会显著改变动物源性产品的营养成分，在牛奶和乳制品生产中，饲料的合理配置至关重要，但瘤胃生理学的相关特性在配置饲料时却常常被忽视。瘤胃的代谢过程与牛奶营养成分的组成紧密相连，瘤胃发酵产生的短链脂肪酸（SCFAs）等物质，不仅是水牛重要的能量来源，还参与了营养物质向乳腺的转运。然而，目前对于营养物质如何影响瘤胃生理学，尤其是通过何种分子机制发挥作用，科学界还知之甚少。

此外，营养对表观遗传标记的影响也逐渐成为研究热点，其中 DNA 甲基化作为一种重要的表观遗传修饰，参与调控众多生物学过程。在脊椎动物中，DNA 甲基化在胚胎发育、染色体稳定性、染色质结构和转录等方面都起着关键作用。虽然已知一些营养素如胆碱、叶酸和甜菜碱等可作为甲基供体影响 DNA 甲基化，且营养的质量和数量能调节家畜的表观遗传景观，但针对反刍动物 DNA 甲基化的研究相对较少，在水牛这一物种上更是缺乏深入探索。

为了揭开这些谜团，来自意大利多家研究机构（包括那不勒斯的 “A. Buzzati-Traverso” 遗传学和生物物理学研究所、萨勒诺大学、那不勒斯 “费德里科二世” 大学等）的研究人员携手开展了一项意义非凡的研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为水牛养殖和营养调控领域带来了新的曙光。

研究人员采用了多种关键技术方法来深入探究这一复杂的生物学现象。在实验动物选取上，他们挑选了 14 头意大利地中海奶用水牛，将其随机分为两组，一组水牛饲喂标准全混合日粮（TMR），另一组则在 TMR 基础上添加 30% 的黑麦草绿色饲料（TMR + 黑麦草）。实验结束后，采集瘤胃样本用于后续分析。在样本处理和分析技术方面，研究人员首先从瘤胃壁组织中提取基因组 DNA，随后利用简化代表性亚硫酸氢盐测序（RRBS）技术对 DNA 甲基化进行全基因组范围的研究。RRBS 技术是一种高效且经济的方法，它结合了限制性酶切和亚硫酸氢盐测序，能够获取基因组中高 CpG 含量区域的 DNA 甲基化信息。此外，研究人员还运用了基因本体分析（GO），以确定与差异甲基化区域（DMRs）相关基因的功能富集情况；通过整合 RRBS 数据与之前获得的转录组数据，深入探究 DNA 甲基化与基因表达之间的关系。

下面来看看具体的研究结果：

1. 瘤胃壁的甲基化组分析：通过 RRBS 技术，研究人员获得了两组水牛瘤胃壁的甲基化组谱。结果显示，平均每个样本能产生 21,524,186 条高质量 100bp 的读数，约 70% 的读数可映射到水牛参考基因组序列，且超过 50% 为唯一映射。经过去重处理后，唯一映射读数的平均百分比为 40%。总体而言，每个样本平均鉴定出 6,195,365 个 CpG 位点，其中 3,456,649 个位点在所有样本中共享。在这些共享位点中，对照组中 52.5% 的 CpG 位点被甲基化，而处理组中这一比例为 46.7%。进一步的差异甲基化分析发现，两组之间存在 6571 个具有统计学意义的 DMRs，其中 3399 个（51.73%）为低甲基化区域，3172 个（48.27%）为高甲基化区域。
2. 绿色饲料对 DNA 甲基化的全基因组影响：研究人员对 DMRs 的染色体分布进行分析，发现它们在所有染色体上均匀分布，且与染色体上的基因数量和染色体大小呈正相关。在基因组分布方面，DMRs 在基因区域（55%）和基因间区域（45%）的分布相似。不过，基因区域的 DMRs 主要为低甲基化，而基因间区域的 DMRs 大多为高甲基化。在基因区域内，22% 的 DMRs 位于启动子区域（转录起始位点上游 2kb 范围内），18% 位于内含子，15% 位于外显子。
3. 与 DMRs 相关的基因：研究人员共鉴定出 4648 个与 DMRs 相关的基因（DMGs），其中 82.4% 为蛋白质编码基因，10.95% 为长链非编码 RNA 基因，3.89% 为假基因，2.75% 属于其他生物类型。对与高甲基化和低甲基化 DMRs 相关的基因进行深入分析，发现了许多与重要生物学功能相关的基因。例如，与高甲基化 DMRs 相关的基因包括 MICU2、KCTD1 等，这些基因参与线粒体钙摄取、Wnt 信号通路调节等过程；与低甲基化 DMRs 相关的基因有 TMEM245、CTNNAL1 等，它们在细胞膜组成、细胞骨架连接等方面发挥作用。
4. 基因本体分析：对 DMGs 进行基因本体分析发现，与高甲基化 DMRs 相关的基因在能量代谢、线粒体呼吸功能、氧化磷酸化、昼夜节律、肌肉功能和发育、脂肪酸代谢以及炎症反应等多个生物学过程中显著富集；与低甲基化 DMRs 相关的基因则主要富集在能量代谢、线粒体功能、呼吸作用、离子运输等方面，且与 ATP 功能密切相关。此外，还发现这些基因在 L - 蛋氨酸生物合成过程、细胞对激素刺激的反应以及对真菌的反应等类别中也有富集。
5. DNA 甲基化与基因表达的关系：虽然研究人员未发现全局基因表达与 DMRs 中 DNA 甲基化之间存在显著相关性，但通过整合之前的差异表达数据与 DMGs 中 DNA 甲基化的变化，他们鉴定出了一批基因，这些基因的表达变化与 DNA 甲基化改变相关。例如，GRB10、GREB1L 等基因在启动子区域的 DNA 甲基化状态与基因表达水平呈现出特定的关联，而 BMP6、CDC42EP5 等基因在基因体区域的 DNA 甲基化变化也与其表达改变密切相关。

在研究结论与讨论部分，该研究首次全面揭示了绿色饲料对水牛瘤胃壁 DNA 甲基化的影响。绿色饲料在全基因组水平上调节 DNA 甲基化，且倾向于诱导 DNA 低甲基化。这些 DNA 甲基化变化主要影响蛋白质编码基因，涉及水牛健康和福利的多个重要生物学过程，如氧化应激反应、昼夜节律调节、真菌感染防御、炎症反应以及瘤胃功能相关的肌肉结构与功能、能量和脂质代谢等。

研究还发现，绿色饲料的摄入可能会增加瘤胃活性，有助于生产营养保健分子，提升牛奶中有益生物分子的含量。尽管 DNA 甲基化与基因表达之间的关系较为复杂，并非所有基因的表达都与 DNA 甲基化状态直接相关，但研究人员仍鉴定出了部分基因，其表达受 DNA 甲基化调控，这进一步证实了绿色饲料可能通过改变 DNA 甲基化来调节瘤胃壁转录的推测。

总的来说，这项研究为水牛养殖中的精准饲养策略提供了重要的理论依据。它不仅加深了人们对瘤胃代谢、活性和生理学对绿色饲料饮食反应的理解，还明确了 DNA 甲基化在饮食依赖性转录调节中的关键作用，为进一步研究饮食对动物福利和营养保健分子生产的影响奠定了坚实基础，有望推动畜牧业朝着更加科学、高效的方向发展。