乳脂是牛奶的重要成分,乳脂率是评价奶牛生产性能的重要指标,也是影响奶牛业经济效益的重要因素。当前,我国奶业正处在由传统数量增长向质量效益阶段转变的关键时期,通过发展规模化养殖,提高奶牛单产和原料奶质量已经成为我国奶牛养殖的发展方向[1]。乳脂率的高低受到多种因素的影响,如遗传、饲养管理、养殖环境和个体健康等。奶牛瘤胃内栖息着数量庞大的微生物群落,同时瘤胃微生物影响着奶牛营养物质消化吸收、产奶性能以及机体健康[2-5]。近年来,关于奶牛瘤胃微生物及乳脂合成关键酶基因影响奶牛乳脂合成的研究逐渐增多,表明瘤胃微生物及其代谢产物与乳脂合成关键酶基因对乳脂率具有重要影响[6-8],奶牛的泌乳性能与瘤胃微生物具有密切的相关性。乳脂合成过程中涉及众多相关基因的表达,一个复杂的基因网络调控着乳脂的合成与分泌,但作用机制仍不明了。因此,在分析影响奶牛乳脂合成的基础上,针对性的探索瘤胃微生物和乳脂合成酶基因影响奶牛乳脂率高低的深层次机制,为创新奶牛生产提供参考。1乳脂来源及合成机制牛奶中的乳脂来源于2个途径:一是乳腺上皮细胞利用乳脂前体物在多种酶的作用下合成;二是从血液中摄取脂肪酸后整合到乳腺细胞中去,然后在乳腺细胞内进一步加工形成脂滴(见图1)。瘤胃微生物代谢的乙酸等其他乳脂前体物合成牛乳中约50%的乳脂[9]。短链脂肪酸(C4-C14)在乳腺上皮细胞内从头合成,约占乳脂的38%;中链脂肪酸(C16)一半由乳腺上皮细胞合成,另一半从血液中摄取,合计约占乳脂的27%;长链脂肪酸(>C16)则全部从血液中摄取,约占乳脂的35%[10-11]。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.03.028.F001图1乳脂合成途径奶牛乳腺上皮细胞从头合成脂肪酸是在乙酰辅酶A羧化酶(ACACA)和脂肪酸合成酶(FASN)的催化作用下形成的。乙酸在乳腺细胞内转化为乙酰辅酶A,β-羟丁酸转化为丁酰辅酶A,ACACA作为从头合成的限速酶,催化乙酰辅酶A转化为丙二酸单酰辅酶A,然后在脂肪酸合成酶的作用下实现脂肪酸碳链的延长并合成C4-C14以及50%的C16短中链脂肪酸[12-13]。2瘤胃微生物对奶牛乳脂率的影响瘤胃是一个厌氧发酵室,里面栖息着复杂的微生物群落。瘤胃微生物的活动产物主要以挥发性脂肪酸为主。乙酸、丙酸和丁酸的含量约占总挥发性脂肪酸的95%以上,乙酸作为生成最多的挥发性脂肪酸,占比高达60%~70%;丙酸大致占20%~30%;丁酸占10%左右。瘤胃微生物的结构与组成决定挥发性脂肪酸各组分的比例和浓度。乙酸和丁酸合成牛乳中约50%的脂肪酸,对反刍动物的乳脂产量和乳脂率有着重要的影响,同时也是反刍动物能量的主要来源。研究表明,奶牛泌乳性能与瘤胃微生物存在相关性,瘤胃微生物多样性对牛奶品质和产量具有重要贡献。近年来,关于瘤胃微生物影响奶牛乳脂率高低的研究越来越多,但大多集中于二者相关性方面的研究,少数通过人工干预改变瘤胃微生物的多样性和结构来进行研究。研究发现,当奶牛发生低乳脂综合征(MFD)时,部分瘤胃微生物相对丰度显著升高或降低,且大部分丰度有显著变化的菌群都是与乳脂前体物相关的产酸菌,表明乳脂率降低与瘤胃内微生物群落有相关性[14-15]。奶牛乳脂率与拟杆菌门和厚壁菌门的比例有极强的相关性[16]。热应激会使奶牛瘤胃微生物的多样性和相对丰度发生改变,进而影响奶牛的产奶量和乳成分,使乳脂中总饱和脂肪酸和总不饱和脂肪酸的质量分数发生改变[17]。通过给奶牛饲喂低纤维高脂肪日粮后瘤胃的微生物区系发生变化,菌群的变化引起奶牛乳脂率降低[18]。在奶牛的日粮中添加丙酸杆菌后发现,不同添加水平组的奶牛乳脂率增减明显[19]。添加普雷沃氏菌,引起牛奶的乳脂率降低[20]。添加纳豆枯草芽孢杆菌,促进瘤胃内多种微生物的生长,同时也显著提高奶牛产奶量和乳脂肪含量[21]。在奶牛日粮中补饲半胱胺,瘤胃微生物蛋白产量显著提高,同时乳脂率和乳蛋白率也得到显著提升[22]。添加牛至油可以同时提高瘤胃微生物蛋白和乳脂率[23]。添加茶皂素增加普雷沃氏菌属细菌的数量,使得乳脂率有上升的趋势[24]。综上所述,瘤胃微生物对奶牛乳脂率的高低具有重要影响,但深层次的作用机制还不明确,有待进一步探索。3瘤胃微生物及其代谢产物对乳脂合成关键酶基因的影响乳脂是在众多酶的催化作用下形成的,而表达这些酶的基因受到瘤胃微生物及其代谢物的影响。瘤胃微生物合成的代谢物作为乳脂生成的重要前体物,其含量的高低直接影响奶牛乳脂率。共轭亚油酸是瘤胃微生物代谢的中间产物,能够抑制乳脂肪合成的机制与抑制编码单脂肪酸摄取、转运的酶、脂肪酸从头合成酶(系)、去饱和酶、甘油三酯合成酶几种酶的基因表达相关,具有降低乳脂合成的作用[25-28]。乙酸和丁酸是瘤胃微生物的重要代谢产物也是合成乳脂的主要前体物,乳脂中17%~45%的脂肪酸是以乙酸为原料合成的。金鑫等[29]通过实时荧光定量的方法检测到乙酸钠可以提高脂肪酸易位酶(CD36)基因、FAS和ACC mRNA的表达量,降低SCD mRNA的表达量。β-羟丁酸钠可以显著提高CD36、FAS和ACC mRNA的表达,降低SCD mRNA的表达量。刘莉莉[30]研究发现,辛酸钠能抑制奶牛乳腺上皮细胞甘油三酯合成,并对甘油三酯合成关键酶的表达具有抑制作用。刘阳[31]发现乙酸能上调乳腺上皮细胞内ACACA、FASN的活性及过氧化物酶体增殖激活受体γ(PPARγ)的表达,还能显著提高乳腺细胞内哺乳动物西罗莫司靶蛋白(mTOR)的含量。张花等[32]研究发现,乙酸、β-羟丁酸、油酸、亚油酸、亚麻酸的浓度分别为7.20、7.20、75.20、58.00、7.80 μmol/L时,提高CSN1S1、CSN3、AKT、4EBP1、S6K1、DGAT2基因的表达量,对乳腺上皮细胞乳蛋白和乳脂的合成有较好的促进作用。4乳脂合成关键酶基因对奶牛乳脂率的影响乳脂的合成是一个复杂的过程,在乳脂合成调控因子的作用下主要经历脂肪酸的分解与摄入、脂肪酸的激活和转运、脂肪酸的合成、甘油三酯的合成、乳脂滴的形成5个阶段[33],并且涉及众多乳脂合成相关基因的调控。现有的关于乳脂率与乳脂合成基因的研究主要集中于奶牛乳脂率与乳脂合成基因表达水平相关性的研究,以及运用SNP方法分析奶牛乳脂合成基因与泌乳性状的关系2个方面。目前的研究局限于单基因与乳脂率相关性的研究,基因家族和基因网络影响奶牛乳脂率的深层次机制鲜有报道。研究表明,在乳腺组织中ATP结合转运蛋白G超家族成员2(ABCG2)与奶牛低产乳量、高乳脂率和高乳蛋白率密切相关[34-35]。奶牛的乳脂率和乳中脂肪酸组成与乳腺中乙酰辅酶A羧化酶(ACACA)和脂肪酸合成酶(FASN)基因表达水平具有明显的正相关性[36-38]。硬脂酰辅酶A去饱和酶1(SCD1)基因多态性与奶中脂肪酸成分具有相关性,乳脂肪减少的同时乳腺中SCD的表达量也相应降低[39-41]。甘油-3-磷酸酰基转移酶(GPAM)基因与奶牛乳腺上皮细胞内甘油三酯含量呈正相关关系,其对脂肪代谢通路有正调控作用,GPAM基因可能间接的影响奶牛的乳脂率[42]。研究表明,DGAT1对乳脂量、乳脂率和产奶量有显著影响,并且与奶牛高乳脂率相关[43-45]。嗜乳脂蛋白(BTN1A1)对乳脂率、乳蛋白率以及产乳量具有显著影响,超表达BTN1A1促进乳腺上皮细胞的脂滴合成[46-48]。过氧化物酶体增殖物激活受体家族(PPARs)是乳腺组织脂肪代谢过程中重要的转录调控因子,通过调控脂肪酸合成相关基因的表达进而影响乳中脂肪的含量。PPARG1能广泛上调脂肪酸代谢过程中的运输、吸收、脂肪酸合成、去饱和化以及调控转录因子等基因[49]。激活牛乳腺组织中PPARG能够促使脂肪酸代谢基因上调。激活PPARD上调脂肪酸活化和脂质形成相关基因的表达,对乳腺上皮细胞中参与脂肪酸从头合成和去饱和化等基因的表达无显著影响[50]。固醇调节元件结合蛋白1(SREBP1)基因低表达会降低脂肪酸的从头合成和摄取量;SREBP1基因表达量上调,能够调控乳脂合成相关基因的表达,进而促进乳脂的合成以及乳脂率的提升[51-52]。SREBP1能够直接结合在酰基辅酶A合成酶短链家族成员2基因(ACSS2)的启动子上,继而调控脂肪酸的从头合成[53]。SREBP1过表达后,乳脂相关基因表达显著上调,脂滴含量和甘油三酯含量显著升高;SREBP1基因沉寂后,乳脂相关基因表达显著下调,脂滴含量和甘油三酯含量显著降低[54],进一步研究乳脂合成基因与乳脂形成的关系,对提高乳脂含量和改善乳品质具有重要的意义。5展望前人从多角度研究奶牛乳脂率高低的原因,间接证实瘤胃微生物、乳脂前体物、乳脂合成酶基因以及乳脂率之间具有极强的相关性。鉴于瘤胃微生物以及乳脂相关基因网络的复杂性,至今未见系统的关于瘤胃微生物及其代谢产物-乳脂合成关键酶基因-乳脂率关联分析的研究。奶牛乳脂率高低的详细机制还有待进一步探索,组学分析、系统生物学以及表观遗传学方法的成熟为明晰深层次奶牛乳脂率高低以及乳脂合成机制奠定基础。探索乳脂合成途径中功能微生物及其代谢产物、相关基因与乳脂率的互作关系,将成为未来反刍动物乳脂合成机制研究的一个新方向。
使用Chrome浏览器效果最佳,继续浏览,你可能不会看到最佳的展示效果,
确定继续浏览么?
复制成功,请在其他浏览器进行阅读
复制地址链接在其他浏览器打开
继续浏览