母胎单元的多元组学图谱揭示了代谢分层以及可能与肉质发育相关的前孕期特征

《Food Chemistry》：A multi-omic atlas of the maternal-fetal dyad reveals metabolic stratification and prenatal signatures potentially relevant to meat quality development

　　摘要肉质受非脂质小分子的影响，但产前代谢组织尚不清楚。在此，我们利用母体-胎儿山羊对构建了一个与风味和色泽相关的高分辨率代谢图谱。我们整合了全谱代谢组学、基质辅助激光解吸/电离质谱成像（MALDI-MSI）和全长转录组学，对最长背肌（LDM）和腿部股二头肌（LM）进行了表征。多组学分析揭示了一个主导性的双轴模式，许多代谢物在母体肌肉中的丰度高于胎儿肌肉，且在LDM中高于LM。母体LDM中次黄嘌呤核苷酸-5'-单磷酸（IMP）和柠檬酸含量丰富，同时伴随更高的AMPD1转录本丰度和与母体相关的三羧酸循环相关基因的转录本丰度模式。相反，胎儿LM中积累了次黄嘌呤核苷和次黄嘌呤。尽管胎儿肌肉整体氨基酸储备较低，但赖氨酸和谷氨酸在表层快肌纤维中局部富集。组氨酸二肽显示出类似的表层富集，为了解可能与后期肉质发育相关的产前代谢特征提供了见解。引言肉质——涵盖感官属性（风味）、色泽稳定性和加工性能——不仅源于脂质，还源于非脂质小分子（游离氨基酸/二肽、核苷酸、肽、有机酸和辅因子）的协同化学作用，这些分子共同定义了风味前体并调控色泽稳定性和加工性能（You等，2024）。其中，核苷酸（尤其是IMP）和谷氨酸等氨基酸以加性/协同方式作用，驱动鲜味和汤味口感，使核苷酸-氨基酸平衡成为适口性的核心轴（To等，2023）。辅因子和维生素调节细胞氧化还原和热反应前体，而胆汁酸相关分子则是苦味或膜稳态的潜在贡献者（You等，2024）。此外，比较研究表明，小分子池和相关代谢物随年龄发生依赖性变化，这与肌肉代谢和品质性状的变化相一致（Chen等，2023）。同时，肌肉身份（如最长背肌LDM和腿部股二头肌LM）在纤维组成和代谢活性上存在差异，导致呈味溶质的区域特异性分布和不同的品质结果（Joo等，2013）。然而，大多数牲畜研究关注的是屠宰年龄动物，优先考虑肌内脂肪，并依赖均质化批量定量方法，使得这些非脂质的原位空间组织基本未被探索（Zhang等，2021）。尽管纤维类型组成与肉质性状之间已确立的联系，但全面研究考察发育阶段（胎儿，FG和母体，MG）如何与肌肉身份（LDM和LM）相互作用以塑造代谢表型的系统研究仍然有限（Joo等，2013）。与肉质相关的性状不仅受死后过程影响，还受产前发育事件影响。母体营养和代谢调控胎儿肌肉生长和能量利用，设定了后期风味和嫩度的小分子前体（Anas等，2023；Caton等，2025；Gundersen & Anas，2025）。在哺乳动物牲畜中，骨骼肌纤维数量在出生前基本固定（Caton等，2025；Stickland，1978；Zhu等，2004），妊娠期母体营养可以重编程肌发生和肌内脂肪生成，从而影响出生后生长、大理石纹潜力和整体脂肪沉积（Tong等，2008；Zhu等，2004）。因此，母体-胎儿对提供了一种具有生物学信息的对比，其中胎儿肌肉代表"构建模式"前体池，而母体肌肉反映"维护/供应模式"稳态。三种互补方法对肉质研究特别有用，尽管它们很少在单一研究中结合使用。质谱成像（MSI）揭示组织切片中代谢物的空间分布，代谢组学/脂质组学分析捕获呈味化合物及相关通路的整体变异，长读长转录组学解析与肌肉发育和品质性状相关基因的全长异构体（Ren等，2023；Yoshimura & Zaima，2020；Zhang等，2021）。这些方法共同提供了与肉质相关的肌肉化学的空间、组成和调控的综合见解。在此，我们实施了母体-胎儿配对设计，同步采样两种典型肌肉以实现二维比较。在方法上，我们整合了三个互补层面：利用MSI原位绘制氨基酸/短肽、5'-核苷酸及其衍生物、硫-氧化还原物质、碳水化合物相关代谢物、有机酸、辅因子/维生素和胆汁酸相关分子的空间微区；利用非靶向LC-MS代谢组学定量整体组成和通路平衡；利用长读长转录组学解析合成-运输-分解代谢网络的基因和异构体水平程序。这些数据集共同提供了妊娠后期山羊发育阶段和肌肉特异性非脂质化学的整合空间-组成-调控图谱，揭示了可调节的通路以增强风味、维持色泽稳定性和改善加工性能，并为发育比较提供参考，为旨在改善肉质的因果验证研究提供起点。伦理批准实验方案及所有动物操作于2022年1月1日获湖南农业大学动物护理和使用委员会批准，方案编号HAU ACC 2022120。所有操作均遵循中华人民共和国实验动物福利伦理审查指南（GB/T 35892-2018）、湖南农业大学机构指南以及欧盟指令2010/63/EU动物保护原则进行。山羊骨骼肌中年龄和肌肉特异性代谢组学特征母体和胎儿山羊之间以及不同肌肉组织之间的代谢差异被清晰观察到。代谢组学和脂质组学分析的主成分分析（图2A）显示四组具有明显的代谢聚类。前两个主成分（PC1和PC2）分别解释了62.7%和19.5%的变异，突出了这些组之间的明显分离。MSI代谢物组成分析（图2B）表明氨基酸及其代谢物……讨论基于母体-胎儿对和LDM与LM的平行采样，我们整合了非靶向LC-MS代谢组学、MALDI-MSI和长读长转录组学，系统描绘了支撑肉质的发育阶段和肌肉解析的非脂质化学景观。该图谱共同绘制了关键小分子类别、其原位热点和通路转录本，揭示了一个连贯的双轴分层（母体 > 胎儿，LDM > LM）（图1）。从概念上讲，这种模式表明……结论在母体-胎儿对系统中，我们整合了代谢组学和脂质组学分析、MALDI-MSI和全长转录组学，构建了两种不同肌肉类型在两个发育阶段极性质代谢的系统级图谱。该方法揭示了一致性的双轴分层模式，母体样本的代谢水平高于胎儿样本，LDM超过LM。关键观察包括母体肌肉中IMP的富集，伴随……CRediT作者贡献声明黄鹏：撰写-审阅与编辑，撰写-原稿，调查，数据整理。李竹：验证，调查，资金获取。刘佳文：监督，数据整理，概念化。李洋：撰写-原稿，软件。李张：软件，形式分析，数据整理。席荣生：方法学，调查，形式分析。刘梅：撰写-审阅与编辑，监督，资金获取。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢本研究得到国家重点研发计划（2023YFD1300503）、湖南省自然科学基金（2025JJ40017）、国家自然科学基金（32002166）、湖南省重点研发计划（2023DK2004）、国家自然科学基金区域联合基金重点项目（U23A20229）和岳麓山实验室人才专项（YLS-2025RC1001）资助。动物实验对象本研究按照ARRIVE（动物研究：活体实验报告）指南进行。本研究获湖南农业大学动物护理和使用委员会批准。（批准号：HAU ACC 2022120）作者：黄鹏 | 李竹 | 刘佳文 | 李洋 | 李张 | 席荣生 | 刘梅