牦牛不同繁殖阶段血液转录组与代谢组特征分析：揭示关键基因与激素调控网络

《Frontiers in Veterinary Science》：Analysis of transcriptome and metabolome characteristics of blood in yaks at different reproductive stages

本研究通过整合转录组（RNA-seq）和靶向代谢组学技术，系统分析了成年雌性牦牛在乏情期（Y-A）、发情期（Y-E）和妊娠期（Y-P）血液中RNA表达谱和类固醇激素水平的动态变化。研究筛选出PDK4、ALAS2、SLC25A39等关键差异表达基因（DEGs），并揭示其通过卵巢血管生成、激素合成和能量代谢等通路（如PPAR信号通路、ECM-受体相互作用）调控繁殖性能。加权基因共表达网络分析（WGCNA）进一步发现SLC25A39基因参与乏情期糖皮质激素稳态调节，MARCHF2基因与脱氢表雄酮（DHEA）协同调控发情期生殖激素波动。该研究为提升牦牛繁殖效率提供了分子理论基础。

　　

1 引言

牦牛作为青藏高原特有牛种，其繁殖生理存在性成熟晚、发情时间短、受胎率低等挑战。繁殖效率低下严重制约牦牛养殖业发展。血液作为易重复采样的生物样本，可反映动物生理状态动态变化。本研究联合血液转录组和靶向代谢组技术，探究牦牛不同繁殖阶段（乏情期、发情期、妊娠期）基因表达与类固醇激素的互作机制，旨在为发情鉴定和早期妊娠诊断提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 发情同步化

采用孕酮栓+PGF_2α+GnRH方案对健康成年雌性牦牛进行同期发情处理，并于发情期进行定时人工授精。

2.2 样本采集

追踪采集乏情期（Y-A）、发情期（Y-E）和妊娠期（Y-P）血液样本，分别用于转录组（TRIzol LS保存）和代谢组（EDTA抗凝）测序。所有样本来自青海省牦牛繁育推广服务中心的4–8岁成年牦牛。

2.3 转录组分析

通过Illumina Novaseq 6000平台进行PE150测序，使用HISAT2将质控后的数据比对至牦牛参考基因组（v101），以FPKM值量化基因表达水平。差异基因筛选标准为|log₂FC|≥1且q<0.05，并进行GO和KEGG富集分析。

2.4 代谢组分析

采用UHPLC-MS/MS技术靶向检测15种类固醇激素代谢物，通过PCA和OPLS-DA模型分析组间差异，筛选标准为VIP>1且p<0.05。

2.5 WGCNA分析

将代谢组数据作为性状，与转录组数据联合构建基因共表达网络，筛选与繁殖阶段显著相关的模块及核心基因（Hub基因）。

3 结果

3.1 转录组特征

PCA显示三组样本明显分离，重复样本聚集良好。共筛选到93个（Y-E vs. Y-A）、319个（Y-P vs. Y-A）和422个（Y-P vs. Y-E）DEGs。GO分析表明DEGs显著富集于氧运输、血红素结合等生物学过程。KEGG通路分析揭示DEGs参与孕酮介导的卵母细胞成熟、HIF-1信号通路、VEGF信号通路等繁殖相关通路。

3.2 代谢物动态

发情期脱氢表雄酮（DHEA）显著上调，醛固酮、皮质酮等糖皮质激素下调；妊娠期孕酮、睾酮、DHEA等显著上升。代谢物变化与繁殖阶段转换密切相关。

3.3 WGCNA网络

深灰色模块与乏情期显著相关（cor=0.71），蓝绿色模块与妊娠期强相关（cor=0.85）。模块内核心基因如SLC25A39（乏情期）、MARCHF2（发情期）与特定激素代谢物（如DHEA、11-脱氧皮质醇）高度关联，提示其在不同繁殖阶段的调控作用。

4 讨论

关键基因PDK4、ALAS2、GLP1R等通过调控卵母细胞减数分裂、激素代谢和能量平衡参与繁殖生理。SLC25A39作为线粒体腺嘌呤核苷酸转运体，可能通过调节三羧酸循环影响乏情期糖皮质激素合成；MARCHF2作为E3泛素连接酶，可能参与发情期激素受体周转调控。DHEA作为激素前体，在发情期和妊娠期均维持高水平，支持性激素合成和免疫耐受。妊娠期糖皮质激素下调可能有助于母胎免疫平衡维持。这些发现揭示了牦牛繁殖周期中基因-激素网络的精细调控机制。

5 结论

研究明确了牦牛不同繁殖阶段血液转录组和代谢组的动态特征，发现SLC25A39、MARCHF2等基因与类固醇激素（如DHEA、皮质酮）协同调控卵巢功能、激素稳态和能量代谢。成果为牦牛分子育种和繁殖管理提供了新靶点。