整合血液转录组与代谢组分析揭示荷斯坦奶牛天然耐热性的生物标志物

针对热应激严重威胁奶牛生产性能的问题，研究人员通过整合生理表型、血液代谢组和转录组分析，采用熵权TOPSIS模型筛选出耐热(HR)与热敏感(HS)荷斯坦奶牛，鉴定出PDGFRA、TIMP3等关键基因及3-甲氧基酪胺等代谢标志物，揭示了鞘脂信号通路和花生四烯酸代谢在热耐受中的核心作用，为耐热奶牛选育提供了非侵入性筛查方案。

　　

随着全球气候变化加剧，极端高温天气对畜牧业尤其是高产荷斯坦奶牛造成严重威胁。热应激不仅导致产奶量下降、繁殖性能受损，还会引发免疫抑制和疾病易感性增加。尽管传统指标如直肠温度(RT)和呼吸频率(RR)能反映即时热应激状态，但无法揭示其分子机制，更难以应用于遗传选育。如何从分子层面解析奶牛天然耐热性机制，建立精准高效的生物标志物筛查体系，成为当前奶牛抗逆育种领域的关键科学问题。

为此，Mingxun Li等学者在《Journal of Dairy Science》发表研究，通过多组学整合策略揭示了荷斯坦奶牛的耐热性分子特征。研究团队在江苏宿迁某商业化牧场选取120头泌乳荷斯坦奶牛，在自然夏季高温条件下，采用熵权逼近理想解排序法(TOPSIS)整合7项指标（RT、RR、唾液指数、血清HSP70、皮质醇、K⁺浓度和产奶量），客观筛选出耐热(HR)和热敏感(HS)个体。随后通过转录组测序(RNA-seq)和液相色谱-质谱联用技术(LC-MS)进行血液多组学分析，结合生物信息学方法系统解析了耐热性的分子基础。

关键技术方法包括：1) 基于熵权TOPSIS模型的表型分类；2) 白细胞RNA-seq转录组分析；3) 血浆非靶向代谢组检测；4) 基因-代谢物共表达网络构建；5) 受试者工作特征曲线(ROC)评估生物标志物效能。

表型特征分析

HR奶牛在高温时段(13:00-15:00)直肠温度显著低于HS个体(差异约0.2°C)，同时维持更高产奶量和更低血清HSP70、皮质醇水平。温度-湿度指数(THI)与RT的线性关系显示HR组温升更平缓，证实其优越的体温调节能力。

差异基因表达特征

转录组分析鉴定出330个差异表达基因(DEG)，其中PDGFRA在HR组显著上调7.5倍，而基质金属蛋白酶抑制剂TIMP3和趋化因子CCL5显著下调。GO分析显示这些基因富集于MAPK信号通路、巨噬细胞趋化调控等过程，KEGG分析提示自然杀伤细胞介导的细胞毒性等通路激活。蛋白质互作网络(PPI)证实PDGFRA-TIMP3-CCL5构成核心调控模块。

代谢标志物鉴定

代谢组检测到220个差异代谢物(DEM)，HR组中抗炎化合物6-姜烯酚和PIP[18:1(11Z)/6-酮-PGF_1α]显著减少，而2-甲基环十二酮等促炎脂质增加。ROC分析确定3-甲氧基酪胺(3-MT)和(3Z)-植物色素胆素[(3Z)-PΦB]具有最佳判别效能(AUC>0.88)。通路分析显示鞘脂信号和花生四烯酸代谢显著富集。

多组学整合发现

411个显著基因-代谢物对揭示SIRT4与脂代谢物、ALAD与抗氧化物质的强相关性。共表达网络显示HR奶牛通过协调转录调控与代谢重编程维持稳态，其特征是抑制过度炎症反应、增强膜稳定性及优化能量分配。

该研究首次在自然热应激条件下系统解析了奶牛耐热性的多组学特征，突破性地发现：1) PDGFRA上调通过MAPK通路促进血管修复；2) TIMP3/CCL5下调减轻细胞外基质应激；3) 3-MT和(3Z)-PΦB可作为高效血浆标志物。这些发现不仅阐明热耐受的分子机制，更建立了基于血液检测的非侵入性筛查方案，为抗热应激奶牛分子设计育种提供了理论依据和实践工具。研究采用的熵权TOPSIS-多组学整合策略，也为其他畜禽抗逆性状研究提供了方法论参考。未来需在更大群体中验证标志物的遗传稳定性，并探索其在基因组选择中的应用价值。