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【编辑推荐】为探究热应激（HS）对妊娠奶牛及其后代的影响，研究人员通过多组学分析，发现 HS 导致奶牛及其雌性后代在 DNA 甲基化、基因表达和代谢模式上出现显著差异，且跨代效应明显，为解析热应激机制及抗热应激育种提供依据。
全球气候变暖背景下，高温高湿环境对畜牧业的威胁日益凸显。热应激（Heat Stress, HS）不仅直接影响奶牛的生理机能、繁殖性能和健康状态，其跨代效应还可能通过子宫内环境对后代的生长发育和生产性能产生长期影响。然而，热应激诱导的表观遗传变化、基因表达调控与代谢通路改变之间的交互作用，以及这些变化如何在代际间传递，仍是尚未完全明晰的科学问题。传统单一组学研究难以全面揭示热应激响应的复杂机制，因此，整合多组学数据成为解析其分子网络的关键途径。
德国吉森尤斯图斯 - 李比希大学（Justus-Liebig-University Giessen）的研究团队针对这一科学问题，开展了一项跨代多组学研究。研究以德国荷斯坦奶牛为对象，通过监测温度 - 湿度指数（Temperature-Humidity Index, THI），将妊娠后期奶牛及其雌性后代（F1 和未产犊的 F1 后代）分为热应激组与对照组，系统分析血液样本的 DNA 甲基化、转录组（RNAseq）和代谢组数据，旨在揭示热应激的直接效应与跨代滞后效应的分子机制。该研究成果发表于《Scientific Reports》，为深入理解热应激的跨代影响提供了新视角。
研究采用的关键技术方法包括：
- 样本采集与分组：对 88 头奶牛及其 93 头雌性 calves 进行血液采样，依据 THI≥60 的阈值划分热应激组与对照组，其中后代的热应激状态基于其母亲妊娠后期的 THI 水平评估。
- 多组学分析：通过全基因组甲基化测序分析 CpG 位点甲基化模式，利用 RNA 测序（RNAseq）检测 14,355 个基因的表达水平，采用靶向代谢组学技术定量 630 种代谢物。
- 统计与整合分析：运用主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）、基因本体论（Gene Ontology, GO）富集分析、多组学数据整合（DIABLO 算法）等方法，解析不同组学数据的关联与差异。
研究结果
1. 主成分分析（PCA）揭示组学数据的代际差异与热应激效应
- 基因组关系：PCA 显示 dams（F0）、F1 和 F2 calves 存在轻微代际分离，PC1 和 PC2 解释的遗传变异分别为 2.71% 和 2.51%。
- 甲基化：7,364 个启动子的甲基化数据未呈现明显热应激聚类，但 PC1 和 PC2 分别解释 16.48% 和 11.63% 的变异。
- 转录组与代谢组：dams 与 calves 在基因表达（PC1 解释 42.07% 变异）和代谢模式（PC1 解释 30.51% 变异）上存在显著分离，且热应激组与对照组可通过基因表达数据清晰区分。
2. 差异甲基化启动子与基因表达分析
- 直接热应激（dams）：鉴定出 6 个差异甲基化启动子（5 个高甲基化，1 个低甲基化），涉及 LSAMP、GIMAP8 等基因，但 GO 富集未发现显著生物学过程；383 个差异表达基因（159 上调，224 下调），主要与免疫和炎症反应相关（如 CXCL1、CXCL2）。
- 间接跨代热应激（calves）：39 个基因的启动子甲基化差异显著（仅 1 个高甲基化），94 个差异表达基因（83 上调，11 下调），GO 分析显示 95 个过度表达的生物学过程，包括 “细菌来源分子响应” 和 “趋化因子信号通路”。
3. 多组学整合分析
- 组学数据关联：直接热应激 dams 中，甲基化与基因表达的相关系数为 0.45，基因表达与代谢物的相关系数为 0.62。
- 分类效能：结合甲基化、转录组和代谢组数据的主成分平均值，可显著区分热应激组与对照组，其中 RNAseq 的分类效能最高（AUC=0.99），甲基化数据贡献最低。
- 关键特征：9 个启动子甲基化、37 个基因表达和 27 个代谢物是区分热应激状态的主要驱动因素，如 ILRUN、AXIN1 基因表达与特定代谢物呈负相关。
研究结论与讨论
本研究通过多组学整合分析，首次在德国气候条件下揭示了热应激对奶牛及其雌性后代的跨代效应机制：
- 代际差异的分子基础：转录组和代谢组的显著代际分离表明，不同年龄阶段的奶牛对热应激的分子响应存在本质差异，这可能与发育阶段的生理需求和表观遗传重编程有关。
- 热应激的直接与跨代效应：直接热应激主要通过调控免疫相关基因（如 CXCL 家族）诱发炎症反应，而跨代热应激则通过广泛的基因表达重编程和代谢通路扰动（如脂质代谢异常）影响后代健康，且部分基因（如 ENSBTAG00000051923）在两代中均呈现甲基化差异，提示存在保守的跨代调控机制。
- 多组学整合的价值：基因表达数据在热应激分类中效能最高，而甲基化与代谢组的关联较弱，表明转录组可能是热应激响应的核心调控层，但多组学联合分析能更全面地捕捉复杂表型的分子基础。
该研究的科学意义在于：
- 理论层面：拓展了对热应激跨代效应的认知，证实表观遗传修饰（如 DNA 甲基化）、转录调控与代谢网络的动态互作是热应激响应的关键机制，并鉴定出 CXCL1、GIMAP8 等潜在生物标志物。
- 应用层面：为抗热应激奶牛品种的分子育种提供了新靶点，例如通过筛选特定代谢物或基因表达模式预测个体热应激敏感性，辅助制定精准的环境管理策略。
尽管研究存在样本采集时间点局限性（仅聚焦妊娠后期和新生阶段），且 THI 阈值在不同生理阶段的适用性需进一步验证，但其跨代多组学研究框架为解析畜禽应激响应的复杂机制提供了方法论参考，有助于推动气候适应性畜牧业的可持续发展。
