基于多组学研究应激对生长肉兔血液及肠道代谢的影响

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应激反应是畜禽受到外界刺激时而发生的生理(心理)状态的改变。在肉兔生产中应激是普遍存在和关注的关键问题。但是目前对于运用系统生物学方法在研究应激对肉兔影响目前较少。糖皮质激素作为下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴上重要的末端调节因子,能够调控机体的动态平衡,引起机体对应激的应答反应,本文通过皮下注射地塞米松(一种人工合成的糖皮质激素),应用蛋白质组学和代谢组学高通量分析技术,在整体水平上研究肉兔应激下蛋白质和小分子代谢物的变化,揭示应激肉兔肠道中的差异蛋白及其生物学功能以及血清代谢产物的变化及其整体代谢通路,基于应激肠道菌群的变化解析应激对肉兔肠道功能的影响。进一步通过肉兔血清代谢组学和盲肠菌群的研究分析热应激对肉兔的影响,探索肉兔应激响应的分子机制。主要内容如下:1、选取42日龄生长期伊拉肉兔60只,随机分为3组,每组20只,DEX组:皮下注射地塞米松磷酸钠注射液(1.3 mg/kg BW,即注射地塞米松1mg/kg);Control组:皮下注射等剂量生理盐水;Pair-fed组:皮下注射等剂量生理盐水并饲喂DEX组采食量的配对组。试验期内连续注射7d。通过测定肉兔的生产性能、屠宰性能和血液生化指标来检测是地塞米松对生长肉兔的影响。研究结果表明:与对照组相比,皮下注射地塞米松会显著降低肉兔平均日增重(P<0.05),增大料肉比(P<0.05),影响肉兔的生产性能。DEX组肉兔血清中的碱性磷酸酶(ALP)、丙氨酸转氨酶(ALT)、天冬氨酸转氨酶(AST)、总胆固醇(TC)、TNF-α和IL-6含量与Control组相比显著增加(P<0.05),血清总蛋白(TP)、葡萄糖(GLU)的含量显著降低(P<0.05),由此可见皮下注射地塞米松会诱发肉兔产生应激反应。2、基于TMT标记定量蛋白质组学和UPLC-MS/MS代谢组学方法研究地塞米松诱导的应激对肉兔的影响,对DEX组和Control组进行肠道差异蛋白筛选和血清差异代谢物筛选。肉兔血清代谢组学分析发现,血清中差异代谢物显著富集与嘧啶代谢、氨基酸生物合成、氨酰-t RNA生物合成通路。与Control组相比,DEX组肉兔血清中多种磷脂酰胆碱和γ-氨基丁酸的含量显著下调(P<0.05),γ-氨基丁酸可以参与三羧酸循环。DEX组肉兔血清中氨基酸合成通路的甘氨酸、莽草酸盐的多种氨基酸水平显著下调(P<0.05),地塞米松诱导应激可能通过抑制氨酰t RNA的生物合成来影响蛋白质的合成。在肉兔空肠组织中成功的鉴定到了366个差异表达蛋白。GO注释和富集分析表明差异蛋白在功能上主要涉及离子结合与氧化还原过程,KEGG通路富集分析发现差异蛋白显著富集到碳水化合物消化吸收、脂肪消化吸收、矿物质的吸收、戊糖和葡萄糖酸酯的相互转化、精氨酸和脯氨酸的代谢、蛋白质消化吸收等代谢通路以及DNA复制和PPAR信号通路等通路。PPAR信号通路中7种差异蛋白显著下调,通路中ACOX1作为脂肪酸β氧化的关键限速酶,其表达量下降可以激活PPARα调控脂肪酸氧化代谢。差异蛋白中营养转运载体蛋白PepT1、B0AT、FATP4、SGLT1等显著下调(P<0.05),定量结果显示Pept1、B0AT、SGLT1 mRNA表达水平在小肠各个肠段显著下调(P<0.05),而FATP4在转录水平仅在回肠有显著差异。由此可见,地塞米松诱导应激可能会通过抑制肠道内营养转运载体PepT1、B0AT、SGLT1在转录和翻译水平的表达,影响肠道内营养物质的消化吸收,通过PPARγ信号通路下调FATP4在翻译水平的表达,影响脂肪酸的转运,进而影响脂肪沉积。3.基于16S扩增子技术分析地塞米松诱导应激对肉兔肠道菌群多样性的研究。结果表明地塞米松诱导应激影响肉兔空肠和盲肠内微生物区系和微生物丰度,显著降低了肉兔空肠内厚壁菌门的丰度(P<0.05),显著降低了盲肠内拟杆菌门的丰度(P<0.05),地塞米松诱导应激显著增加了空肠和盲肠内变形菌的丰度(P<0.05)。地塞米松诱导应激增加肠道内有害菌的数量。4.选取体重相近35日龄断奶后的伊拉肉兔80只,在24±1℃适温环境下预饲7d,随后从中选取42日龄肉兔60只随机分为2组,每组30只,分别为适温组(24±1℃)和持续热应激组(高温饲养,34±2℃),试验期14d。测定肉兔的生产性能、血液生化指标,运用UPLC-MS/MS代谢组学技术分析血清小分子代谢物以及16S扩增子技术研究热应激对肉兔盲肠菌群的影响。结果表明肉兔持续高温暴露显著降低了平均日增重、平均日采食量和胸腺指数(P<0.05),血液中HSP70、ALP、皮质醇含量显著升高(P<0.05),而TP、GLU、T3、T4显著降低(P<0.05)。热应激显著升高了肉兔小肠HSP70在mRNA水平的表达(P<0.05),显著降低了PepT1、B0AT、SGLT1 mRNA表达水平(P<0.05)。血清代谢组学筛选到的差异代谢物共有39种,其中上调差异代谢物12种,下调差异代谢物27种,可以有效地区分热应激组和适温组,可以作为肉兔热应激的生物标志物。对筛选到的差异代谢物进行KEGG注释和富集分析,结果显示筛选到的差异代谢物通过KEGG途径富集分析,共鉴定出了14条热应激后受影响的通路,包括磷脂代谢通路(Sphingolipid metabolism),乙醛酸和二羧酸代谢(Glyoxylate and dicarboxylate metabolism),嘧啶代谢通路(Pyrimidine metabolism),丙酮酸代谢(Pyruvate metabolism),丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢(Alanine,aspartate and glutamate metabolism),赖氨酸生物合成(Lysine biosynthesis),柠檬酸循环(Citrate cycle(TCA cycle)),氨酰-t RNA生物合成(Aminoacyl-t RNA biosynthesis)等。16S扩增子测序分析发现,热应激组肉兔盲肠变形菌门丰度显著增高(P<0.05),肉兔热应激后盲肠菌群中与炎症疾病相关的Candidatus-saccharimonas属的菌群显著高于适温组。综上所述,肉兔可能通过以下途径响应地塞米松诱导应激和热应激:1)影响血液中嘧啶代谢和氨酰-t RNA生物合成通路,降低机体氨基酸、蛋白质的合成;2)抑制肠道内营养转运载体如:PepT1、B0AT、SGLT1的表达,从而影响肠道对糖类、蛋白质的消化吸收;2)通过PPAR信号通路,影响脂质代谢和沉积;3)肉兔空肠和盲肠内的厚壁菌门和拟杆菌门是绝对优势菌,应激会改变肉兔厚壁菌门和拟杆菌门二者的比例。应激增加了肠道内变形菌门的数量,影响肠道有益菌与有害菌的平衡,影响肠道健康。
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