罗马尼亚上皮细胞转录组分析揭示了西门塔尔牛对氮源替代日粮适应的调控机制

《Food Science & Nutrition》：Rumen Epithelial Transcriptome Analysis Revealed the Regulatory Mechanism of Host Adaptation to Nitrogen Source Replacement Diet in Simmental Cattle

凝胶尿素替代大豆粕可调控瘤胃上皮细胞脂质代谢及免疫相关基因表达，增强营养吸收能力而不影响生长性能。

　　这项研究探讨了在牛饲料中使用胶凝尿素替代部分大豆粕后，瘤胃上皮组织在基因表达和功能调控方面的变化。随着畜牧业的快速发展，动物蛋白需求显著增加，而植物源性蛋白质饲料，如大豆粕，由于资源有限和价格昂贵，逐渐成为制约行业发展的瓶颈。因此，寻找替代蛋白质来源，尤其是非蛋白质氮（NPN）饲料，成为研究的热点。尿素作为一种常见的非蛋白质氮来源，因其成本低廉和广泛可得性，被广泛用于替代传统蛋白质饲料。然而，尿素的使用也伴随着一定的风险，如瘤胃中氨浓度升高，可能引发代谢负担增加、瘤胃酸中毒或氨中毒等问题。因此，理解动物对这种饲料变化的生理和分子反应，对于优化饲料配方、保障动物健康和提高生产性能具有重要意义。

研究中采用了一种创新的饲料策略，即将胶凝尿素作为替代品，取代了饲料中10%的大豆粕。实验对象为西门塔尔肉牛，分为实验组和对照组。实验组的饲料配方包括4.8%的大豆、6.6%的DDGS（酒糟）、8.1%的玉米胚芽粉、6.93%的米糠粉以及0.75%的胶凝尿素。而对照组则完全依赖于大豆粕，其配方为10.2%的大豆、6%的DDGS和6%的玉米秸秆粉。实验过程中，所有牛只均在自由放牧条件下饲养，每天两次投喂，保证了实验的稳定性与可重复性。通过124天的实验，研究人员采集了瘤胃组织样本，利用RNA测序技术分析了其基因表达模式，并结合代谢组学和生理指标，全面评估了这种饲料变化对瘤胃功能的影响。

在实验设计中，研究人员特别关注瘤胃上皮组织的结构和功能变化。瘤胃上皮是饲料消化和吸收的关键部位，其细胞间的连接性和通透性对营养物质的转运和代谢起着重要作用。通过RNA测序和相关分析，研究发现，当尿素取代部分大豆粕后，瘤胃上皮组织的基因表达发生了显著变化。具体而言，某些与脂蛋白合成相关的基因表达上调，表明瘤胃上皮可能通过增强脂蛋白合成能力，来适应饲料中氮源的变化，从而维持体内营养平衡。同时，基因表达模式的变化也显示了瘤胃上皮细胞间连接性的减弱，以及通透性的增加，这可能有助于提高营养物质的吸收效率。

在功能性基因富集分析中，研究人员利用KEGG和GO数据库，对差异表达基因进行了分类和分析。结果显示，免疫相关、炎症反应、应激和代谢相关的通路被显著激活。这些通路的上调可能反映了动物对饲料变化的应激反应，通过增强免疫系统功能，以应对潜在的代谢压力和环境变化。此外，与脂质代谢相关的通路也表现出上调趋势，例如胆固醇代谢、视黄醇代谢和亚油酸代谢等。这些通路的激活可能与动物体内脂质合成和转运能力的增强有关，从而支持了瘤胃上皮在适应新饲料时，通过提高脂质代谢效率来维持能量供应和抗氧化平衡的假设。

为了进一步验证这些通路的变化是否具有统计学意义，研究人员采用了GSEA（基因集富集分析）方法。结果显示，超过一半的KEGG免疫相关通路被显著富集，且整体呈现出上调趋势。这表明，饲料中尿素的引入可能触发了动物体内的免疫反应，以应对由于氮源变化带来的潜在压力。同时，与脂质代谢相关的基因集也表现出类似的上调趋势，进一步支持了瘤胃上皮通过增强脂质代谢能力来维持体内营养平衡的结论。

此外，研究还关注了瘤胃上皮细胞间的连接通路，如紧密连接（tight junction）通路。在尿素替代部分大豆粕的情况下，该通路的基因表达呈现下调趋势，这可能意味着细胞间的连接性减弱，通透性增强。这种变化可能有助于提高瘤胃上皮对营养物质的吸收效率，因为更宽松的细胞连接可以促进营养物质更快地穿过细胞膜，进入体内循环。然而，这种变化也可能带来一定的风险，例如可能增加有害物质（如氨）的渗透，从而影响动物健康。因此，研究还评估了瘤胃pH值、氨氮浓度以及挥发性脂肪酸（VFA）的含量，结果显示这些指标在两组之间没有显著差异，表明尿素替代大豆粕并未对瘤胃的发酵环境造成明显干扰。

研究结果还表明，尽管尿素的引入对瘤胃上皮的基因表达模式产生了显著影响，但这些变化并未对动物的生长性能造成负面影响。实验组和对照组在初始体重、最终体重、总增重和日均增重等方面均无显著差异，这说明尿素作为饲料替代品在一定程度上可以维持动物的正常生长。此外，瘤胃pH值、氨氮浓度和VFA含量也保持稳定，进一步验证了这种饲料策略的可行性。

从分子机制的角度来看，研究揭示了瘤胃上皮在应对饲料变化时，可能通过一系列补偿机制来维持其功能。例如，脂质代谢相关通路的激活可能意味着瘤胃上皮在提高脂质合成和转运能力，以应对氮源变化带来的代谢需求。同时，免疫相关通路的上调可能表明动物正在通过增强免疫系统功能，来适应新的营养环境。这些发现不仅有助于理解瘤胃上皮的适应性机制，也为未来优化饲料配方、提高饲料利用效率提供了理论依据。

研究还强调了基因表达变化与瘤胃上皮功能之间的潜在联系。例如，某些基因的上调可能与细胞膜结构的调节有关，而其他基因的下调可能与细胞间连接的松散化相关。这种分子层面的调整可能有助于瘤胃上皮在维持营养吸收的同时，减少代谢负担，从而提高动物的整体健康水平。然而，研究也指出，这些变化的长期影响仍需进一步探讨，尤其是在不同个体之间的差异性表现。一些个体可能对尿素替代大豆粕的反应更为敏感，而另一些个体则表现出较强的适应能力，这提示在实际应用中需要考虑个体差异对饲料效果的影响。

此外，研究还提到，通过整合表型数据和代谢组学分析，可以更全面地评估饲料变化对动物的影响。例如，通过分析瘤胃上皮的吸收能力，研究人员发现，在某些情况下，瘤胃上皮细胞间的连接减弱，细胞间隙增大，这可能有助于提高营养物质的吸收效率。然而，这种变化也可能导致某些有害物质的渗透增加，从而影响动物健康。因此，在推广这种饲料策略时，需要综合考虑其潜在的利弊，确保在降低饲料成本的同时，不会对动物健康造成不利影响。

总的来说，这项研究为饲料中氮源替代的可行性提供了重要的科学依据。通过RNA测序和基因表达分析，研究人员揭示了瘤胃上皮在应对饲料变化时的分子机制，包括脂质代谢的增强、免疫功能的调节以及细胞间连接性的变化。这些发现不仅有助于优化饲料配方，提高畜牧业的经济效益，也为动物健康和福利提供了新的视角。未来的研究应进一步探讨这些变化的长期影响，以及如何通过基因调控和代谢优化，实现更高效的饲料利用和更稳定的动物生产性能。