转录组与代谢组联合分析揭示海南黑山羊和努比亚黑山羊背最长肌肉质差异的分子机制

本研究针对热带山羊品种肉质差异的分子机制尚不明确的问题，通过整合转录组和代谢组学技术，对比分析了海南黑山羊（HN）和努比亚黑山羊（NB）的背最长肌。研究发现HN山羊具有更高的肌内脂肪（IMF）含量和更优的肌肉纤维组成，并筛选出17个关键基因和185个显著差异代谢物（SCMs），主要富集于脂质代谢和肌肉发育通路。该研究为热带山羊的分子育种和肉质改良提供了重要理论依据和数据支撑。

　　

在亚热带地区，山羊肉作为重要的营养蛋白来源，其需求量和经济价值日益凸显。然而，山羊养殖的可持续利润和供应，很大程度上取决于对肉质遗传和环境决定因素的深入解析。肉质是一个受多种内在因素影响的复杂性状，关键指标包括肌内脂肪（IMF）含量、pH值、保水性（WHC）、嫩度以及肌肉纤维特性等。这些参数不仅决定了肉产品的感官特性（风味、多汁性、质地），还显著影响其加工产量和保质期等工艺特性。在众多山羊品种中，海南黑山羊（HN）和努比亚黑山羊（NB）表现出截然不同的表型。HN山羊适应中国南方热带气候，其卓越的感官特性归因于遗传适应与发育环境因素之间复杂的相互作用。相反，作为全球公认的商业品种，NB山羊以快速生长和优异的饲料转化效率著称，能够加速上市并带来高经济回报。然而，关于品种特异性肉质差异的分子机制，尤其是在热带背景下这两个代表性黑山羊品种之间的差异，仍然知之甚少。因此，阐明这些品种特异的分子机制，特别是那些调控肉质性状的机制，对于优化育种策略和推进热带山羊生产至关重要。

近年来，多组学关联分析已成为解析复杂生物表型背后时空调控网络的有力方法，尤其在牲畜肉质研究中。转录组分析在剖析控制关键肉质性状（如IMF、肌纤维肥大和宰后糖酵解）的转录景观方面被证明是有效的。靶向LC-MS/MS分析揭示了与WHC相关的32种代谢物，如肌肽和次黄嘌呤，它们将糖酵解中间产物与宰后pH下降动力学联系起来。与单一组学不同，这种整合范式捕捉了转录组和代谢组之间的动态相互作用，揭示了单模式方法可能遗漏的补偿性途径和调控网络。综合组学研究已鉴定出品种特异性的调控枢纽。整合转录组-代谢组分析是解析调控山羊肉质性状复杂调控网络的有力范式。这些发现证明了多组学策略在破译基因型-表型关联方面的有效性，为探索HN和NB山羊品种特异性肉质机制奠定了基础。

在此背景下，本研究采用整合组学方法，对表现出不同肉质表型的两个遗传分化山羊品种（HN与NB）进行了转录组（RNA-Seq）和代谢组（LC-MS/MS）分析，系统比较了差异表达基因（DEGs）和显著变化代谢物（SCMs）。通过整合多组学方法，本研究旨在精确识别HN和NB山羊中品种特异的分子标记（基因/代谢物），同时阐明导致肉质变异的生物学通路。这些发现将增进对热带山地山羊品种肉质性状分子基础的理解，并为旨在提升热带山羊生产系统肉质的标记辅助育种计划提供宝贵资源。

为开展本研究，研究人员采用了多项关键技术方法。研究使用了80头纯种雄性山羊（40头HN，40头NB），所有山羊在相同条件下进行90天的放牧饲养。从群体中选取具有完整数据集且体重在品种平均值±1.5个标准差范围内的14个体 per breed 进行深入肌肉分析。样本采集于背最长肌（LT）。关键技术包括：对肌肉纤维结构、化学成分和关键肉质性状进行组织学和分析化学测定；使用RNA-Seq进行转录组测序和差异表达基因（DEGs）分析；利用LC-MS/MS进行非靶向代谢组学分析以鉴定显著变化代谢物（SCMs）；以及整合转录组和代谢组数据进行通路富集和相关性分析，以揭示调控网络。

3.1. 胴体性能与背最长肌的化学成分

比较分析显示，NB山羊的屠宰体重、热胴体重和冷胴体重均显著高于HN山羊。然而，两品种的屠宰率没有差异。肌肉组织中的脂肪含量在HN山羊中显著更高，而胶原蛋白含量则显著低于NB山羊。水分和蛋白质含量在两品种间无差异。

3.2. 血清抗氧化活性与背最长肌的肉质参数

测定血清中谷胱甘肽 peroxidase (GSH-Px)、总抗氧化能力（T-AOC）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性以及丙二醛（MDA）浓度。结果显示，除CAT活性在HN山羊中较低外，其他抗氧化指标在两品种间无差异。肉质分析表明，HN山羊的肌内脂肪（IMF）含量显著更高，而Warner-Bratzler剪切力（WBSF）值显著更低，表明其肉质更嫩。

3.3. 背最长肌的肌肉纤维特性

与NB山羊相比，HN山羊的肌纤维直径、横截面积、周长和肌束膜厚度均显著减小。此外，HN山羊的I型和IIA型肌纤维比例显著更高，而IIB型肌纤维比例显著更低。这种肌纤维类型的组成与更高的IMF沉积和更优的嫩度相关。

3.4. 转录组数据质量评估与DEGs分析

转录组分析产生了高质量数据，共鉴定出2619个DEGs（HN vs. NB），其中1340个上调，1279个下调。GO功能富集分析表明，这些DEGs主要参与肌肉结构发育、脂质代谢调节和热生成等生物过程。KEGG通路富集分析突出了与肉质性状相关的通路，如糖尿病心肌病、胚胎发生、钙信号通路和血管平滑肌收缩等。

3.5. 代谢组数据分析与SCMs

代谢组学分析共鉴定出681种代谢物，其中110种为SCMs。在正离子和负离子模式下均发现HN与NB山羊之间存在显著的代谢物差异。富集分析发现，这些SCMs显著富集于脂肪酸生物合成、天冬氨酸、谷氨酸和丙氨酸代谢以及亚油酸代谢等关键代谢通路。

3.6. 转录组与代谢组的联合分析

通过整合分析，发现DEGs和SCMs在KEGG通路中共同富集，特别是在细胞过程、药物开发、环境信息处理、遗传信息处理、代谢和机体系统等领域。确定了四个主要的KEGG通路（谷氨酸能突触、牛磺酸和亚牛磺酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢）中包含17个关键基因，它们与多种功能关键的代谢物（如丙酮酸、L-天冬氨酸、IMP、烟酰胺、牛磺酸、甜菜碱、磷酸肌酸、吡哆胺、苏氨酸和肌醇）相关。qRT-PCR验证了RNA-seq数据的可靠性。

本研究通过表型结合多组学分析，揭示了热带山羊品种间肉质差异的新分子机制。主要结论包括：NB山羊具有更大的胴体重和更高的IIB型肌纤维比例；而HN山羊则拥有更高的IMF含量和更多氧化型肌纤维（I型和IIA型），这些特性与更优的肉质相关。多组学分析揭示了不同的调控网络，并确定脂质代谢通路（脂肪酸生物合成、亚油酸代谢）和肌原纤维发育是区分不同品种的关键因素。这些分析鉴定出17个基因和几种必需代谢物——特别是味觉和芳香氨基酸的前体——与这些通路相关，从而阐明了肉质变异的遗传和代谢决定因素。

讨论部分强调，这些发现为理解特定品种肉质属性的机制提供了基础性见解，同时强调需要对已识别的靶点进行功能验证，以建立通路调控与山羊肉性状之间的因果关系。尽管本研究的多组学方法识别出17个与肉质变异相关的关键基因和代谢物，但仍存在局限性。首先，每品种14个动物的分析可能遗漏细微的相互作用，需要更大样本进行验证。其次，缺乏采食量记录使得难以区分遗传效应与环境效应。未来研究应扩大样本量、监测采食量并进行功能验证，以建立因果关系并完善山羊育种的选择策略。

该研究成功地将传统肉质表型与多组学 investigation 相结合，不仅详细描述了HN和NB山羊的肉质差异，更重要的是从分子水平揭示了造成这些差异的潜在调控机制和关键生物通路。这为热带山羊的遗传改良提供了具体的靶点和方向，例如通过选育或营养干预调控脂质代谢和肌肉纤维类型相关基因的表达，从而定向改良肉质。论文发表在《LWT》（食品科学与技术领域的重要国际期刊）上，表明其研究成果得到了学界的认可，对推动山羊产业的高质量发展具有重要的理论和实践意义。