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组学时代下，高通量测序技术的发展无疑加速了农业动物经济性状分子机制的研究进程。但相关基因和调控通路对性状发生的贡献度尚不明确，对基因表达与最终表型形成之间的复杂变化知之甚少，基因组学和蛋白质组学的分析仍无法解析动物体内所有生理代谢过程。1998 年，Oliver 提出了“代谢组”的概念，即各种代谢反应前后的小分子代谢物（分子质量<1 000），分为内源代谢物（机体产生的初级代谢物和次级代谢物） 和外源代谢物（食物和药物等）。目前，代谢组学已成为后基因组学的重要分支，可有效地捕捉机体生命活动过程中的细微变化，弥补了基因与表型间的空缺，常用于人类临床疾病诊断和预测、食品营养检测、作物育种和环境监测等。代谢组学在农业动物中的研究起步较晚， 但凭借无创、高效、灵敏等优势逐步成为农业动物研究的重要工具（图1）。本文将介绍代谢组学的研究手段和在畜禽经济性状育种价值评估、农业动物疾病诊断和预防、畜禽产品安全性评价和动物医学模型使用中的应用，有助于增进学者了解代谢组学在农业动物相关研究中的现状和应用前景 。
1 代谢组学在农业动物研究中的技术平台和分析思路代谢组学在农业动物上的研究主要包括以下几个核心环节：
① 研究对象。大部分农业动物研究样本以体液为主，如牛主要集中于血液、乳汁和精液，猪、绵羊和山羊集中于血液、尿液、脑脊液、胆汁等；组织以肝脏、肌肉和脂肪为主；而微生物的研究较少。
② 样本含量。大部分农业动物研究样本含量为6~30，小于人和部分模式动物的研究规模（约100~1 000）。
③ 技术平台。随着代谢组学技术的发展，其在农业动物研究上的手段从传统的核磁共振（NMR）逐步发展为高通量、高灵敏度、高准确度的色谱质谱联用方式，包括气相色谱- 质谱联用（GC-MS）和液相色谱- 质谱联用（LC-MS） 技术。
④ 研究策略。根据研究目的选择合理的研究策略，如非靶向代谢组学（可无偏向性鉴定所有代谢物）、靶向代谢组学（定量已知几类代谢物）、广泛靶向代谢组学（可同时准确定性和定量代谢物）和脂质组学（针对脂质检测）等。
⑤ 分析思路。代谢组学分析方法从常规代谢组学分析演化为多组学整合的方式，可为农业动物经济性状形成机制解析提供更加系统和有效的解决方案。因此，可靠的研究手段和合理的分析策略势必推动代谢组学在农业动物研究中的发展和运用。
2 代谢组学在畜禽经济性状育种价值评估上的应用近年来，通过全基因组关联分析已鉴定农业动物主要经济性状的重要候选基因，但相关基因遗传效应评价有待完善。运用代谢组学技术可对机体整个代谢组分进行动态跟踪分析，有助于系统和全面地解析畜禽表型及其与环境和遗传的关系，为经济性状的改良育种提供代谢表型数据。
Bovo 等运用基于LC–MS 的靶向代谢组学技术对两种商品猪血浆和血清中180 种代谢物进行了检测，发现鞘磷脂、犬尿素和乙酰鸟氨酸等存在明显差异。
Beauclercq 等采用NMR 方法在肌糖原含量差异的2 种鸡品系间鉴定出15 个差异代谢物（包括甲基组氨酸、次黄嘌呤、腺苷酸和尿苷等）。这些差异物鉴定可用于不同品种和品系间生产性能的评定。
另外， Bovo 等利用靶向代谢组学技术比较了阉割公猪和母猪血浆的代谢组分，发现阉割公猪血浆中脂质生成和沉积相关的代谢物丰度较高，如碱基肉毒碱、生物胺、色氨酸分解代谢产物，显示不同性别猪种间代谢特征的差异。
Karisa 等利用NMR 方法鉴定出与生产性状密切相关的代谢标志物（如肉毒碱、肌酸和马尿酸盐等）， 对剩余采食量的变异解释度达到32%，可应用于肉牛选育。
Yang结合NMR 和LC–MS 方法对中国荷斯坦奶牛和娟姗牛、牦牛、水牛、山羊、骆驼和马的乳汁代谢组分进行了比较分析，发现荷斯坦奶牛乳汁中特有差异代谢物为胆碱和琥珀酸，其与娟姗牛、牦牛、水牛、山羊共有代谢物主要富集于缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸生成代谢通路，与骆驼和马共有代谢物主要富集在不饱和脂肪酸生成通路，可用于奶品质的评定。
为了进一步在分子水平上研究畜禽重要经济性状的遗传规律，更有效地应用于基因组选择的优化及辅助遗传力的评估，代谢组学常与其他组学联用，旨在全面解析“基因– 蛋白– 代谢物– 表型”的复杂调控网络。
Ji 等联合LC–MS 代谢组学与转录组对瘦肉型和脂质易沉积型商品鸡脂肪的代谢物和差异基因进行了检测，鉴定出13 种差异代谢物（如肌酸酐、肉毒碱和磷酸烯醇丙酮酸盐等） 和脂肪酸代谢相关的基因。
Melzer 等从1 305 头荷斯坦奶牛乳汁中鉴定出的标志代谢物能够有效地评定奶质，并关联上具有显著遗传效应的SNP 位点。
在牛的选育中，Widmann 等整合了表型、代谢组、基因组数据，对NCAPG I442M 和GDF8 Q204X 位点与剩余采食量、日常能量摄入和饲料转化率等表型，及221 个血浆代谢物进行关联分析，构建并寻找与控制饲料转化率相关的基因互作网络（表1）。
3 代谢组学在农业动物疾病诊断和预防中的应用疾病诊断和预防是畜禽生产中重要的内容。早期诊断是代谢组学的优势之一，已被广泛应用于畜禽健康评估和疾病诊断。
Fabrizio 等介绍了蛋白质组学和代谢组学在奶牛生产疾病（如低钙血症、脂肪肝综合征、蹄叶炎和酮症）相关研究的现状，阐述了代谢组学在畜禽疾病诊断中的应用前景。
猪瘟是一种猪高度传染性疾病，Gong 等对被猪瘟病毒感染仔猪血清的代谢物进行检测，发现在感染第3、7 天血清代谢物主要富集在色氨酸分解代谢、苯丙氨酸代谢、脂质代谢等关键代谢通路上，并发现几类代谢物与肠道微生物相关，暗示肠道微生物与宿主代谢具有潜在的互作关系。
Chen 等 采用GC–MS 和LC–MS 联用的方法准确鉴定了急性肝衰竭猪血浆的代谢标志物，如氨基酸、结合胆汁酸、溶血磷脂酰胆碱和磷脂酰胆碱等。
骨关节炎不仅是退化性疾病，也是一种代谢性疾病，但缺乏早期诊断标志物， de Sousa 等阐述了代谢组学在人、鼠、狗和绵羊中该疾病诊断上的应用，并强调代谢组学是骨关节炎早期诊断的一种有力工具。
4 代谢组学在畜禽产品安全性评价上的应用
畜禽产品的品质与人类健康密切相关，运用代谢组学检测技术可对微量或难分离的残留化合物进行快速和灵敏地检测，因此常用于畜禽产品安全性评价。
Yin 等开发出一种快速、简便的动物组织样品制备方法，采用LC–MS 跟踪检测了猪肉中210 种残留药物，提高了畜禽产品安全检测效率。生产中会使用饲料添加剂、激素以提高动物生产性能，如克仑特罗的使用可促进猪的肌肉增长和提高瘦肉率；雌二醇可改善牛的生长和繁殖性能。但药物和激素残留对人体健康不利。
Li 等利用GC–MS 对饲喂克仑特罗的猪肌肉和脂肪组织代谢物进行检测，发现大多差异代谢物与脂肪酸和氨基酸代谢有关，表明克仑特罗可调动脂肪和肌肉间的能量分配。
但克仑特罗在我国猪生产中已被禁用，LC–MS/GC-MS 已成为猪尿液和组织中克仑特罗残余量检测的标准方法。
Regal 等运用HPLC–MS/MS 方法有效地检测牛血清中包括雌二醇在内17 项激素的正常浓度范围，为畜禽产品激素残留的检测提供了参考标准。
此外，食品微生物检测是畜禽产品安全评估的关键环节，Cevallos- Cevallos 等采用测定大肠杆菌代谢物的方法，可在18 h 内快速检测牛肉和鸡肉中大肠杆菌O157:H7 和沙门氏菌的含量。
5 代谢组学在动物医学模型中的使用
人类疾病研究大多以小鼠为医学模型，但小鼠在某些特定疾病上并未展现与人类类似的表征，如囊胞性纤维症。寻找合适动物医学模型对人类疾病的研究意义重大。目前，多种农业动物已经被用于人类疾病的研究， 如绵羊作为研究骨关节炎的模型、兔常用于心血管疾病的研究、牛可用于胎儿过大综合征的研究等。猪的生理和代谢特征与人相似，其模拟人类疾病的作用日益凸显。
Benahmed 等采用高分辨率核磁共振光谱方法发现猪与人肺脏的代谢组分更加相似，而小鼠和大鼠肺脏中所含脂肪酸组成种类明显高于人，呈现较大差异。
Nielsen 等发现人和猪在饮食干预后26 种血液代谢物中有21 种变化趋势一致，暗示猪和人可能具有更为相似的营养代谢反应。
Zabek 等构建猪动脉粥样硬化模型，基于NMR 技术对饲喂不同饮食猪的血清、尿液和骨骼肌中代谢组分进行了测定，发现代谢水平的改变先于临床症状和常规检查指标的变化，如血清中的亮氨酸、缬氨酸和丙氨酸，尿液中的肌酐，肌肉中的葡萄糖、肌酸和氨基酸等，可作为人类动脉粥样硬化疾病潜在的参考指标。可见，代谢组学技术能有效地评估农业动物在人类疾病研究中的应用潜力和效果。
6 展 望
综上所述，代谢组学技术以其独特的优势成为检测机体表型变化和筛选标志代谢物的强有力工具，已被逐步应用于畜禽育种、性状改良、疾病诊断和畜禽产品安全监测，展现出巨大的应用潜力。相关数据库的不完善是代谢组学与其他组学技术联用的瓶颈所在，其广泛应用仍然受到诸多制约，代谢物数据库物种分类检索功能的不断完善将为农业动物研究提供更全面的信息。在人和鼠上的研究已逐渐采用更新的技术，如质谱成像技术和同位素标记的代谢流分析，但由于其成本较高，在农业动物中的使用尚不普及。伴随代谢组学技术发展，结合农业动物重要经济性状复杂调控网络解析的需求，相信代谢组学技术将为挖掘和开发畜禽优质性状提供新的切入点。（参考文献略）
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