國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目申報(bào)書-牛奶重要營養(yǎng)品質(zhì)形成與調(diào)控機(jī)理研究

項(xiàng)目名稱：牛奶重要營養(yǎng)品質(zhì)形成與調(diào)控機(jī)理研究首席科學(xué)家：王加啟 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所起止年限：2011.1至2015.8依托部門：農(nóng)業(yè)部二、預(yù)期目標(biāo)（一）總體目標(biāo)運(yùn)用現(xiàn)代營養(yǎng)學(xué)、營養(yǎng)基因組學(xué)和整合生理學(xué)等理論與方法，揭示乳成分前體物的生成、利用及其調(diào)節(jié)機(jī)制，闡明乳脂肪和乳蛋白合成的分子基礎(chǔ)與代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，建立調(diào)控乳脂肪、乳蛋白含量與組成的理論和方法，為改善我國牛奶品質(zhì)提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑。（二）五年預(yù)期目標(biāo)1揭示消化道內(nèi)乳成分前體物的生成、吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律及其調(diào)節(jié)機(jī)制；探明乳成分前體物生成與瘤胃微生物優(yōu)勢菌群之間的關(guān)系，鑒定23個(gè)參與乳成分前體物生成的關(guān)鍵菌群；闡明瘤胃酸中毒時(shí)LPS的生成機(jī)制及其與乳成分前體物生成的關(guān)系。2. 揭示肝臟內(nèi)乳成分前體物的動(dòng)態(tài)變化和代謝轉(zhuǎn)化規(guī)律；闡明LPS影響肝臟內(nèi)乳成分前體物重分配的規(guī)律；揭示肝臟內(nèi)乳成分前體物重分配的細(xì)胞重編程分子機(jī)制，闡明肝臟內(nèi)參與乳成分前體物轉(zhuǎn)化與分配的功能基因差異表達(dá)及其表觀遺傳機(jī)理。3. 建立乳蛋白最大合成量所需游離氨基酸與小肽的理想模式；鑒定出乳腺上皮細(xì)胞攝取氨基酸和小肽的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白23個(gè)；闡明VFA、氨基酸等乳成分前體物發(fā)揮最大協(xié)同作用的平衡模式和調(diào)控交匯點(diǎn)，揭示乳腺內(nèi)乳脂肪和乳蛋白合成的互作關(guān)系及其調(diào)節(jié)機(jī)理；揭示LPS對乳腺細(xì)胞重編程的影響及其機(jī)理。4. 篩選確定參與乳脂肪和乳蛋白合成的第一基因組和第二基因組中主要功能基因1015個(gè)；揭示乳成分前體物與乳腺功能基因的互作關(guān)系；探明兩個(gè)基因組在乳成分合成中的關(guān)聯(lián)性，獲得具有關(guān)聯(lián)性的功能基因35個(gè)。5. 從機(jī)體、細(xì)胞和分子水平揭示我國當(dāng)前牛奶營養(yǎng)品質(zhì)低下的主要原因，解析乳脂肪和乳蛋白合成的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，建立符合中國飼料資源特色的改善牛奶營養(yǎng)品質(zhì)的系統(tǒng)整合理論；形成瘤胃“穩(wěn)態(tài)”調(diào)控技術(shù)23項(xiàng)；建立干預(yù)乳脂肪和乳蛋白合成的關(guān)鍵代謝調(diào)控通路的技術(shù)途徑，經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)使乳脂肪和乳蛋白含量分別達(dá)到3.5%和3.1%；闡明乳脂肪和乳蛋白特征圖譜的變化規(guī)律，建立鑒別牛奶營養(yǎng)品質(zhì)的基準(zhǔn)。6. 發(fā)表SCI收錄論文100篇以上，申請發(fā)明專利1015項(xiàng)，培養(yǎng)博士和碩士研究生100120名，學(xué)術(shù)帶頭人1015名，出版專著35部。三、研究方案（一）學(xué)術(shù)思路立足我國不同產(chǎn)地的飼料資源和奶牛生產(chǎn)實(shí)際，以“科學(xué)飼養(yǎng)、健康瘤胃、健康奶牛和優(yōu)質(zhì)牛奶”為目標(biāo)，依據(jù)現(xiàn)代動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)、營養(yǎng)基因組學(xué)和整合生理學(xué)等理論與方法，以瘤胃、肝臟和乳腺內(nèi)乳成分前體物的生成與利用為核心，深入到組織器官、細(xì)胞和分子水平剖析牛奶重要營養(yǎng)品質(zhì)形成過程中的關(guān)鍵物質(zhì)代謝和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，整合形成乳脂肪和乳蛋白合成的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)理論，建立干預(yù)關(guān)鍵代謝調(diào)控通路的技術(shù)途徑，揭示我國當(dāng)前牛奶品質(zhì)低下的深層次原因，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)控乳脂肪和乳蛋白合成的目標(biāo)。（二）技術(shù)途徑立足我國不同產(chǎn)地的飼料資源，針對大規(guī)模、中等規(guī)模和農(nóng)戶養(yǎng)殖3種主要生產(chǎn)方式，以健康經(jīng)產(chǎn)奶牛為試驗(yàn)動(dòng)物，研究比較不同日糧結(jié)構(gòu)（粗料型、精料型和混合型）和營養(yǎng)水平（高、中、低）組成的日糧模式下，宏觀上，主要應(yīng)用現(xiàn)代動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)的研究方法，以研究乳成分前體物在奶牛消化道（瘤胃、小腸）、肝臟和乳腺中的生成、吸收、代謝、轉(zhuǎn)化分配和利用規(guī)律為主線；微觀上，采用營養(yǎng)基因組學(xué)的理論與方法，深入到第一基因組和第二基因組，鑒定乳蛋白和乳脂肪合成相關(guān)功能基因，并研究兩個(gè)基因組與乳成分前體物生成與利用之間的關(guān)系；整體上，應(yīng)用整合生理學(xué)的理論與方法，系統(tǒng)整合瘤胃、肝臟和乳腺對乳成分前體物形成乳成分前體物生成與利用的關(guān)鍵物質(zhì)代謝通路、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)，繪制乳脂肪和乳蛋白合成的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并建立干預(yù)代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵通路的技術(shù)途徑。技術(shù)途徑如下圖：圖1 項(xiàng)目技術(shù)途徑（三）與國內(nèi)外同類研究相比的創(chuàng)新性和特色.學(xué)術(shù)思想具有前瞻性在項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)上始終貫徹“科學(xué)飼養(yǎng)、健康瘤胃、健康奶牛和優(yōu)質(zhì)牛奶”的科學(xué)思路，以整合生物學(xué)的基本原理為指導(dǎo)，引入現(xiàn)代生命科學(xué)提出的“細(xì)胞編程、重編程、兩個(gè)基因組和表觀遺傳”的新理論和新方法，立足我國優(yōu)質(zhì)粗飼料嚴(yán)重不足，奶牛飼料資源利用不合理的現(xiàn)狀，以乳成分前體物為主線，在進(jìn)行組織器官、分子、細(xì)胞水平研究的同時(shí)，進(jìn)行整合研究，實(shí)現(xiàn)宏觀研究與微觀研究的系統(tǒng)整合，避免了發(fā)達(dá)國家項(xiàng)目單薄，只能開展單一組織器官研究的片面性；本項(xiàng)目將探索瘤胃代謝異常產(chǎn)物引起機(jī)體免疫功能變化和細(xì)胞重編程的機(jī)理，以及對牛奶營養(yǎng)品質(zhì)形成的影響，比國際上血液注射單一外源有害成分的研究切合實(shí)際，更能夠揭示“健康瘤胃”的科學(xué)內(nèi)涵；由此建立的理論體系和技術(shù)途徑更具有前瞻性。2.技術(shù)路線具有新穎性“乳成分前體物”是飼料營養(yǎng)物質(zhì)向乳脂肪、乳蛋白轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。本項(xiàng)目通過“乳成分前體物”將奶牛瘤胃、肝臟和乳腺三個(gè)主要器官內(nèi)營養(yǎng)素代謝及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與基因調(diào)控機(jī)理聯(lián)系在一起，由此篩選第一基因組（奶牛機(jī)體）和第二基因組（消化道微生物）中參與乳脂肪和乳蛋白合成與調(diào)控的功能基因，同時(shí)揭示神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)通過激素和生長因子的信號(hào)調(diào)節(jié)通路。以整合生理學(xué)和營養(yǎng)基因組學(xué)為指導(dǎo)，由“表”及“里”，由“宏觀”向“微觀”，從乳脂肪和乳蛋白合成與調(diào)控的關(guān)鍵物質(zhì)通路、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)等不同的層面實(shí)現(xiàn)整合，這一技術(shù)路線比國外單一功能器官的研究更能深入揭示牛奶品質(zhì)控制的關(guān)鍵因素。3.研究成果具有實(shí)用性科學(xué)理論研究緊密銜接生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新，科學(xué)問題源于生產(chǎn)，科學(xué)成果回歸生產(chǎn)，是取得重大突破的動(dòng)力。本項(xiàng)目的特色在于立足我國現(xiàn)實(shí)飼料資源和奶牛生產(chǎn)實(shí)際，揭示當(dāng)前我國牛奶品質(zhì)低下的深層次原因，提出牛奶重要營養(yǎng)品質(zhì)形成與調(diào)控的關(guān)鍵調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，建立適合我國國情的乳脂肪和乳蛋白合成調(diào)控的理論和技術(shù)途徑，對于改善我國牛奶品質(zhì)具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，而且必將進(jìn)一步提升我國反芻動(dòng)物營養(yǎng)學(xué)科的研究水平，增強(qiáng)其國際影響力。（四）課題設(shè)置1、各課題間相互關(guān)系本項(xiàng)目立足我國不同產(chǎn)地的飼料資源和生產(chǎn)實(shí)際，運(yùn)用現(xiàn)代營養(yǎng)學(xué)、營養(yǎng)基因組學(xué)和整合生理學(xué)的理論與方法，從奶牛瘤胃、肝臟和乳腺三個(gè)器官切入，以不同典型日糧模式下營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乳脂肪和乳蛋白的生物學(xué)過程和調(diào)節(jié)為主線，設(shè)置如下5個(gè)課題（見圖2）：以課題1、2、3為縱線，從現(xiàn)代營養(yǎng)學(xué)的角度分別研究消化道、肝臟和乳腺內(nèi)乳成分前體物的生成吸收、代謝分配和攝取利用規(guī)律及調(diào)節(jié)機(jī)制；而課題4以兩個(gè)基因組為核心，從營養(yǎng)基因組學(xué)的角度研究參與乳脂肪和乳蛋白合成的功能基因及其與乳成分前體物之間的關(guān)系；課題5整合乳脂肪和乳蛋白合成在“分子-細(xì)胞-組織器官-機(jī)體”水平的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)和驗(yàn)證干預(yù)關(guān)鍵調(diào)控通路的營養(yǎng)調(diào)控措施，建立改善乳脂肪和乳蛋白的新理論和新方法。圖2 項(xiàng)目課題設(shè)置課題1、消化道內(nèi)乳成分前體物生成與吸收的規(guī)律及其調(diào)節(jié)機(jī)制預(yù)期目標(biāo)：1. 揭示瘤胃和小腸乳成分前體物的生成規(guī)律及其吸收和調(diào)節(jié)機(jī)制；2. 探明乳成分前體物生成與瘤胃微生物優(yōu)勢菌群之間的關(guān)系，鑒定23個(gè)參與乳成分前體物生成的關(guān)鍵菌群；3. 闡明瘤胃酸中毒時(shí)LPS等代謝異常產(chǎn)物生成的機(jī)制及其對乳成分前體物生成與吸收的效應(yīng)。研究內(nèi)容：1. 瘤胃內(nèi)乳脂肪前體物的生成、吸收及其調(diào)節(jié)研究不同日糧模式下主要乳脂肪前體物揮發(fā)性脂肪酸（VFA）在瘤胃內(nèi)的生成量和比例及其與瘤胃發(fā)酵調(diào)控的關(guān)系，VFA在瘤胃上皮細(xì)胞的吸收機(jī)制；探討不同來源的日糧長鏈脂肪酸在瘤胃內(nèi)的氫化效率及其影響規(guī)律與機(jī)制。2. 瘤胃和小腸乳蛋白前體物的生成、吸收與調(diào)節(jié)研究主要乳蛋白前體物小腸可代謝氨基酸、小肽的生成量及其比例與瘤胃微生物蛋白合成量和效率、日糧非降解蛋白的關(guān)系；探索氨基酸和小肽在小腸貼膜上皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)通路、吸收動(dòng)力學(xué)及其調(diào)節(jié)機(jī)制。3. 乳成分前體物生成與瘤胃微生物區(qū)系之間的關(guān)系應(yīng)用基因與基因組文庫等微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)，研究飼料組合效應(yīng)、能氮平衡、氮硫平衡、氨基酸補(bǔ)飼、激素與生長因子等對瘤胃微生物種群結(jié)構(gòu)、數(shù)量和功能的影響，鑒別參與乳脂肪和乳蛋白前體物生成的關(guān)鍵菌群；應(yīng)用體外共培養(yǎng)、特定微生物驅(qū)除等技術(shù)，研究細(xì)菌、真菌或原蟲在乳成分前體物生成過程中的互作及其調(diào)節(jié)機(jī)制；解析日糧-瘤胃微生物-乳成分前體物三者之間的相互關(guān)系。4. 瘤胃內(nèi)LPS等代謝異常產(chǎn)物的生成機(jī)制及其對乳成分前體物生成與吸收的影響研究瘤胃酸中毒時(shí)，瘤胃微生物區(qū)系紊亂導(dǎo)致的代謝異常產(chǎn)物L(fēng)PS等的生成、吸收機(jī)制及其控制；探討瘤胃內(nèi)LPS等代謝異常產(chǎn)物對VFA生成與吸收及微生物蛋白質(zhì)合成的影響，以及LPS等產(chǎn)物對瘤胃上皮細(xì)胞功能的影響。經(jīng)費(fèi)比例：20%承擔(dān)單位：浙江大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：劉建新學(xué)術(shù)骨干：王佳堃、吳躍明、沈贊明、毛勝勇、楊紅建、李勝利課題2、肝臟內(nèi)乳成分前體物的代謝、分配及其分子機(jī)理預(yù)期目標(biāo)：1. 揭示肝臟內(nèi)乳成分前體物的動(dòng)態(tài)變化和代謝轉(zhuǎn)化規(guī)律；2. 闡明LPS影響肝臟內(nèi)乳成分前體物重分配的規(guī)律；3. 揭示肝臟內(nèi)乳成分前體物重分配的細(xì)胞“重編程”分子機(jī)制以及肝臟內(nèi)參與乳成分前體物轉(zhuǎn)化與分配的功能基因差異表達(dá)及其表觀遺傳機(jī)理。研究內(nèi)容：1. 肝臟內(nèi)乳成分前體物的代謝與分配規(guī)律應(yīng)用肝臟慢性血管瘺和血流量測定技術(shù)，實(shí)時(shí)測定不同日糧模式下肝臟門脈引流區(qū)和肝靜脈中脂肪酸和氨基酸等乳成分前體物的總流量和組成，研究肝臟內(nèi)乳成分前體物的動(dòng)態(tài)變化、吸收轉(zhuǎn)化和分配。2. 瘤胃代謝異常產(chǎn)物L(fēng)PS對肝臟內(nèi)乳成分前體物重分配的影響通過測定進(jìn)出肝臟的LPS的動(dòng)態(tài)變化，確定肝臟對LPS的清除效率；結(jié)合體內(nèi)和體外方法研究LPS引起的肝臟免疫防御反應(yīng)，分析LPS對肝細(xì)胞免疫活性的影響，研究LPS引起的免疫防御反應(yīng)對肝臟內(nèi)乳成分前體物重分配的作用。3. 肝臟內(nèi)乳成分前體物重分配的細(xì)胞“重編程”分子機(jī)制采用肝臟活體取樣和基因表達(dá)譜芯片技術(shù)，比較不同日糧模式下，肝臟細(xì)胞基因表達(dá)譜差異，研究乳成分前體物與功能基因表達(dá)的互作關(guān)系；分析在代謝異常產(chǎn)物L(fēng)PS作用下，肝臟乳成分前體物代謝功能基因與免疫相關(guān)基因表達(dá)譜發(fā)生變化的細(xì)胞“重編程”現(xiàn)象及表觀遺傳機(jī)理。經(jīng)費(fèi)比例：18%承擔(dān)單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：沈向真學(xué)術(shù)骨干：倪迎冬、張?jiān)词?、莊蘇、楊國宇、王林楓課題3、乳腺對乳成分前體物的攝取、利用及其調(diào)節(jié)機(jī)理預(yù)期目標(biāo)：1. 建立乳蛋白最大合成量所需游離氨基酸和小肽的理想模式；2. 鑒定出參與乳腺上皮細(xì)胞攝取氨基酸和小肽的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2-3個(gè)；3. 提出揮發(fā)性脂肪酸和氨基酸等乳成分前體物發(fā)揮最大協(xié)同作用的平衡模式與調(diào)控交匯點(diǎn)，揭示乳腺內(nèi)乳脂肪和乳蛋白合成的調(diào)節(jié)機(jī)理；4. 揭示代謝異常產(chǎn)物對乳腺細(xì)胞“重編程”影響的機(jī)理。研究內(nèi)容：1. 乳腺對乳脂肪前體物的攝取、利用與調(diào)節(jié)應(yīng)用乳腺動(dòng)靜脈血插管技術(shù)，測定不同日糧模式下乳腺內(nèi)乙酸、-羥基丁酸和長鏈脂肪酸等乳脂肪前體物流量與組成的動(dòng)態(tài)變化，研究不飽和脂肪酸對乳腺內(nèi)從頭合成脂肪酸（C4C16）關(guān)鍵酶（乙酰輔酶A羧化酶、脂肪酸合成酶等）基因表達(dá)和長鏈脂肪酸（來自血液VLDL等）攝取效率的影響及其機(jī)制，研究催乳素、胰島素和類胰島素生長因子-I等對乳腺內(nèi)乳脂肪合成的調(diào)節(jié)作用。2. 乳腺對乳蛋白前體物的攝取、利用與調(diào)節(jié)測定不同日糧模式下進(jìn)入乳腺的氨基酸和小肽流量與組成，鑒定參與乳腺上皮細(xì)胞攝取的關(guān)鍵氨基酸和小肽的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)方法，篩選乳蛋白最大合成量所需游離氨基酸和小肽的理想模式，研究激素（催乳素等）、功能性氨基酸(亮氨酸等)對乳腺中-酪蛋白和-乳清蛋白合成的調(diào)節(jié)作用。3. 乳腺細(xì)胞內(nèi)乳脂肪和乳蛋白合成的互作關(guān)系應(yīng)用精準(zhǔn)灌注和乳腺細(xì)胞體外三維培養(yǎng)等技術(shù)，分析乳腺上皮細(xì)胞內(nèi)乳脂肪和乳蛋白合成對乳成分前體物利用的協(xié)同與競爭關(guān)系，確定揮發(fā)性脂肪酸、氨基酸等乳成分前體物發(fā)揮最大協(xié)同作用的平衡模式和調(diào)控交匯點(diǎn)，研究乳成分前體物組成、激素和生長因子等對乳腺細(xì)胞內(nèi)乳脂肪和乳蛋白合成的關(guān)鍵酶活性、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑以及候選基因表達(dá)的影響，確定調(diào)控交匯點(diǎn)。4. 瘤胃代謝異常產(chǎn)物L(fēng)PS對乳腺細(xì)胞“重編程”的影響研究瘤胃代謝異常產(chǎn)物L(fēng)PS進(jìn)入乳腺后引起的乳脂肪和乳蛋白合成代謝與免疫功能的變化，探討乳腺上皮細(xì)胞“重編程”規(guī)律及其表觀遺傳機(jī)理。經(jīng)費(fèi)比例：19%承擔(dān)單位：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)、內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院、西南大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：敖長金學(xué)術(shù)骨干：閆素梅、高民、董國忠、王洪榮課題4、第一基因組和第二基因組中乳脂肪和乳蛋白合成的功能基因（組）篩選預(yù)期目標(biāo)：1. 篩選確定參與乳脂肪和乳蛋白合成的第一基因組和第二基因組中主要功能基因1015個(gè)；2. 揭示乳成分前體物與乳腺功能基因的互作關(guān)系；3. 揭示“兩個(gè)基因組”在乳成分合成中的關(guān)聯(lián)性，獲得具有關(guān)聯(lián)性的功能基因35個(gè)。研究內(nèi)容：1. 篩選第一基因組（奶牛乳腺）中參與乳脂肪和乳蛋白合成的功能基因（組）應(yīng)用基因芯片、功能基因鑒定、蛋白質(zhì)組學(xué)等方法，分析添加激素、氨基酸、脂肪酸、植物生物活性物質(zhì)等干預(yù)條件下乳腺上皮細(xì)胞全基因組表達(dá)譜差異，鑒定乳腺內(nèi)參與乳脂肪和乳蛋白合成的主要功能基因的結(jié)構(gòu)信息，并確定其在合成代謝、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用，驗(yàn)證其在不同日糧模式下的表達(dá)。2. 篩選第二基因組（瘤胃微生物）中參與乳成分前體物生成功能基因（組）利用功能驅(qū)動(dòng)篩選的方法，從瘤胃微生物元基因組文庫中克隆參與乳成分前體物生成的基因；利用人工瘤胃模型，結(jié)合琥珀酸、己酸和氨基酸的同位素標(biāo)記，分析瘤胃微生物群落元轉(zhuǎn)錄組表達(dá)譜，鑒定參與乙酸、丁酸和瘤胃微生物蛋白質(zhì)形成的微生物功能基因的結(jié)構(gòu)信息及其功能，并驗(yàn)證其在不同日糧模式下的表達(dá)。3. 乳成分前體物與乳腺功能基因的互作應(yīng)用營養(yǎng)基因組學(xué)方法，分析乳成分前體物對乳脂肪和乳蛋白合成功能基因表達(dá)的影響及瘤胃代謝異常產(chǎn)物L(fēng)PS導(dǎo)致DNA甲基化等表觀遺傳變化；確定激素、生長因子、植物生物活性物質(zhì)等外源信號(hào)干預(yù)基因組表達(dá)后乳成分前體物需求的變化。4. 乳脂肪和乳蛋白合成過程中“兩個(gè)基因組”之間的關(guān)聯(lián)性應(yīng)用生物信息學(xué)方法，分析不同日糧模式下第一基因組與第二基因組在乳脂肪和乳蛋白合成代謝中的基因表達(dá)關(guān)聯(lián)性，篩選具有協(xié)同作用的功能基因（組）。經(jīng)費(fèi)比例：19%承擔(dān)單位：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院微生物研究所、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所課題負(fù)責(zé)人：李慶章學(xué)術(shù)骨干：高學(xué)軍、王春梅、戴欣、孫鵬課題5、乳脂肪與乳蛋白合成的代謝網(wǎng)絡(luò)整合與調(diào)控預(yù)期目標(biāo)：1. 從機(jī)體、細(xì)胞和分子水平揭示我國當(dāng)前牛奶營養(yǎng)品質(zhì)低下的主要原因，繪制出乳脂肪和乳蛋白合成的關(guān)鍵代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，建立具有中國飼料資源特色的改善牛奶重要營養(yǎng)品質(zhì)的系統(tǒng)整合理論；2. 形成瘤胃“穩(wěn)態(tài)”調(diào)控技術(shù)2-3項(xiàng)；3. 根據(jù)不同生產(chǎn)水平的需求，建立干預(yù)乳脂肪和乳蛋白合成的關(guān)鍵代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控通路的技術(shù)途徑，試驗(yàn)驗(yàn)證乳脂肪和乳蛋白含量分別達(dá)到3.5%和3.1%;4. 闡明乳脂肪和乳蛋白特征圖譜變化規(guī)律，為評(píng)價(jià)牛奶營養(yǎng)品質(zhì)提供依據(jù)。研究內(nèi)容：1. 乳脂肪和乳蛋白合成中關(guān)鍵物質(zhì)代謝通路及其神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)制應(yīng)用整合生理學(xué)的理論與方法，分析乳成分前體物生成與利用的關(guān)鍵物質(zhì)在瘤胃、肝臟和乳腺中的代謝通路及其協(xié)同關(guān)系，研究代謝關(guān)鍵物質(zhì)與生長軸、下丘腦垂體腎上腺軸和催乳素系統(tǒng)的相互作用及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，解析機(jī)體主要神經(jīng)內(nèi)分泌因子對維持瘤胃、肝臟和乳腺功能“穩(wěn)態(tài)”的作用及其機(jī)理，繪制乳脂肪和乳蛋白合成的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，闡明代謝關(guān)鍵物質(zhì)與神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)的互作機(jī)制，構(gòu)建乳脂肪和乳蛋白合成的整合分析系統(tǒng)。2. 日糧模式對乳脂肪和乳蛋白合成代謝網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵通路的調(diào)控基于乳脂肪和乳蛋白合成的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)整合理論，根據(jù)不同生產(chǎn)水平的需求，設(shè)計(jì)預(yù)期的日糧模式，驗(yàn)證其對代謝網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵通路的干預(yù)效果，優(yōu)化乳成分前體物的形成與利用，以確保瘤胃“穩(wěn)態(tài)”為前提，研究提高乳脂肪和乳蛋白合成的營養(yǎng)調(diào)控方法。3生物活性物質(zhì)對乳脂肪和乳蛋白合成代謝網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵通路的調(diào)控篩選植物提取物等生物活性物質(zhì)，研究其作為代謝調(diào)控物質(zhì)對乳脂肪和乳蛋白合成代謝網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵通路的干預(yù)效果及其機(jī)理，建立應(yīng)用生物活性物質(zhì)改善乳脂肪和乳蛋白合成的調(diào)控方法。4. 牛奶營養(yǎng)品質(zhì)特征及其對日糧變化的響應(yīng)運(yùn)用蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等方法，研究不同日糧模式下牛奶乳脂肪和乳蛋白的特征圖譜，鑒定牛奶中乳脂肪和乳蛋白的組成與比例，分析乳脂肪和乳蛋白主要成分對日糧變化的響應(yīng)關(guān)系，揭示牛奶營養(yǎng)品質(zhì)的基本特征,為評(píng)價(jià)牛奶營養(yǎng)品質(zhì)提供依據(jù)。經(jīng)費(fèi)比例：24%承擔(dān)單位：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所、吉林大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：王加啟學(xué)術(shù)骨干：卜登攀、熊本海、雷連成、盧慶萍、柳巨雄四、年度計(jì)劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年1. 應(yīng)用消化道瘺管和血管慢性插管動(dòng)物模型，研究不同日糧模式對瘤胃發(fā)酵、瘤胃微生物區(qū)系組成、乳成分前體物的生成及其在小腸流量的影響；分析乳成分前體物在門靜脈、肝靜脈、乳腺動(dòng)脈和乳靜脈中的濃度變化及其在肝臟的吸收與代謝，以及在乳腺的攝取、代謝和利用的動(dòng)態(tài)變化；不同日糧模式下瘤胃內(nèi)LPS等代謝異常產(chǎn)物生成；2. 乳腺上皮細(xì)胞全基因組表達(dá)譜、蛋白質(zhì)組表達(dá)譜等差異，鑒定乳腺內(nèi)參與乳脂肪和乳蛋白合成的主要功能基因的結(jié)構(gòu)信息；利用奶牛乳腺上皮細(xì)胞三維培養(yǎng)模型探討乳成分前體物和LPS等對乳腺功能基因表達(dá)及甲基化狀態(tài)、組蛋白乙?；挠绊?；從瘤胃微生物元基因組文庫中篩選參與乳脂肪前體物生成的基因，克隆并測序列；3. 分析瘤胃、肝臟和乳腺與乳成分前體物生成和利用的協(xié)同關(guān)系及關(guān)鍵物質(zhì)代謝通路；研究JAK-STATs等信號(hào)通路在乳成分前體物生成與利用中的作用；探討機(jī)體生長軸對維持瘤胃、肝臟和乳腺“穩(wěn)態(tài)”功能的調(diào)節(jié)作用及其機(jī)理；探索牛奶乳脂肪和乳蛋白圖譜的系統(tǒng)分析方法和條件。1. 揭示日糧組成影響瘤胃VFA生成和肝臟內(nèi)乳脂肪和乳蛋白前體物的動(dòng)態(tài)變化、代謝轉(zhuǎn)化和分配規(guī)律；初步闡明飼料組合與微生物區(qū)系組成的關(guān)系；提出瘤胃、肝臟和乳腺對乳成分前體物生成與利用的協(xié)同關(guān)系；2. 闡明不同日糧模式下乳成分前體物及LPS等異常代謝產(chǎn)物在奶牛乳腺中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及影響因素，找出乳成分前體物和LPS等異常代謝產(chǎn)物對乳腺乳成分、激素、免疫指標(biāo)、基因表達(dá)及甲基化狀態(tài)的影響規(guī)律；3. 篩選參與乳脂肪和乳蛋白合成的第一基因組和第二基因組中功能基因（組）13個(gè)；4. 揭示JAK-STATs等信號(hào)通路在乳成分前體物生成與利用中的作用，闡明生長軸對乳脂肪和乳蛋白前體物生成與利用的調(diào)節(jié)機(jī)制；5. 確定乳脂肪和乳蛋白圖譜的分析方法和條件；6. 發(fā)表SCI收錄論文46篇,培養(yǎng)研究生1012名。第二年1. 分析不同日糧模式下小腸內(nèi)乳成分前體物的生成量及組成，探討乳成分前體物的組成模式與參與乳脂肪、乳蛋白合成和分泌的關(guān)鍵酶活性、候選基因表達(dá)、乳成分前體物轉(zhuǎn)運(yùn)載體表達(dá)等的關(guān)系；鑒定參與乳腺上皮細(xì)胞攝取的關(guān)鍵氨基酸和小肽的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；2. 研究LPS等代謝異常產(chǎn)物在瘤胃的產(chǎn)生條件，分析其在門靜脈、肝靜脈中的變化及清除狀況；研究肝臟中免疫相關(guān)細(xì)胞因子的濃度變化及其對肝臟免疫功能的影響；探討LPS等對乳腺乳脂肪和乳蛋白合成功能基因表達(dá)及甲基化狀態(tài)及乳腺細(xì)胞組蛋白乙?；挠绊懀?. 初步確定乳腺功能基因在合成代謝、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用，驗(yàn)證其在不同日糧模式下的表達(dá)；篩選鑒定瘤胃微生物中參與乳成分前體物生成的微生物功能基因的結(jié)構(gòu)信息及其功能；4. 結(jié)合體內(nèi)和體外模型研究GC-GR和Wnt等信號(hào)通路在乳成分前體物生成與利用中的作用，下丘腦垂體腎上腺軸和催乳素系統(tǒng)對維持瘤胃、肝臟和乳腺 “穩(wěn)態(tài)”功能的調(diào)節(jié)作用及其機(jī)理，篩選對乳脂肪和乳蛋白合成有干預(yù)作用的植物提取物等生物活性物質(zhì)。1. 揭示日糧蛋白質(zhì)組成與乳蛋白前體物小腸可代謝氨基酸、小肽生成的內(nèi)在聯(lián)系，鑒定參與乳腺上皮細(xì)胞攝取的關(guān)鍵氨基酸和小肽的特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；2. 建立VFA在瘤胃上皮的吸收模式，初步揭示其吸收機(jī)制，鑒定參與乳蛋白、乳脂肪前體物生成的關(guān)鍵菌群12個(gè);3. 闡明瘤胃代謝異常產(chǎn)物在肝臟中的清除效率、對肝臟免疫功能和營養(yǎng)重分配的影響；4. 鑒定參與乳脂肪和乳蛋白合成的第一基因組和第二基因組中主要功能基因5個(gè)；5. 闡明GC-GR和Wnt等信號(hào)通路在乳成分前體物生成與利用中的作用，闡明下丘腦垂體腎上腺軸和催乳素系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)制；6. 繪制出乳脂肪和乳蛋白合成的關(guān)鍵代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，獲得具有調(diào)節(jié)乳脂肪和乳蛋白的生物活性物質(zhì)24種；7. 發(fā)表SCI收錄論文1518篇，培養(yǎng)研究生2025名，申報(bào)專利23項(xiàng)。第三年1. 營養(yǎng)素平衡對瘤胃乳成分前體外和異常代謝產(chǎn)物的代謝、乳脂肪前體物在瘤胃上皮的轉(zhuǎn)運(yùn)與吸收、乳蛋白前體物在小腸上皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)與吸收影響；確定瘤胃酸中毒條件下LPS等代謝異常產(chǎn)物對乳成分前體物生成、吸收和胃腸道粘膜屏障功能的影響；2. 研究參與肝臟物質(zhì)代謝的關(guān)鍵功能基因在不同日糧模式下的表達(dá)譜變化，分析LPS等對肝臟物質(zhì)代謝關(guān)鍵功能基因表達(dá)譜的影響，揭示其對肝臟內(nèi)乳成分前體物重分配的調(diào)節(jié)機(jī)理及乳腺乳脂肪和乳蛋白合成影響的表觀遺傳機(jī)理；3. 分析乳成分前體物對乳腺乳脂肪和乳蛋白合成的功能基因表達(dá)及甲基化程度的影響，確定激素、生長因子、植物生物活性物質(zhì)等外源信號(hào)對乳腺細(xì)胞內(nèi)乳成分前體物攝取、代謝和利用的影響機(jī)制；4. 研究乳成分前體物生成利用與神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)節(jié)的互作關(guān)系，繪制乳脂肪和乳蛋白合成的代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，研究設(shè)計(jì)營養(yǎng)素和生物活性物質(zhì)對關(guān)鍵通路的干預(yù)效果及其機(jī)理；完成典型日糧模式下牛奶乳脂肪和乳蛋白的特征圖譜；1. 揭示乳成分前體物在瘤胃合成、吸收和代謝的機(jī)制，建立乳蛋白前體物在小腸的吸收模式及吸收動(dòng)力學(xué)模型；探明微量營養(yǎng)成分影響瘤胃發(fā)酵以及微生物區(qū)系的機(jī)制；2. 闡明LPS等異常代謝產(chǎn)物影響胃腸道上皮細(xì)胞功能的機(jī)理，揭示LPS等影響肝臟物質(zhì)代謝關(guān)鍵功能基因表達(dá)譜變化規(guī)律，及其對乳成分前體物重分配影響的分子機(jī)理；3. 揭示外源調(diào)節(jié)因子對乳腺上皮細(xì)胞乳脂肪前體物代謝、攝取、利用和分配的影響規(guī)律及其機(jī)制；4. 確定參與乳脂肪和乳蛋白合成的第一基因組和第二基因組中主要功能基因10個(gè)；5. 揭示不同日糧模式下瘤胃、肝臟和乳腺內(nèi)乳成分前體物生成與利用的協(xié)同關(guān)系;繪制出乳脂肪和乳蛋白合成的關(guān)鍵代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，建立干預(yù)乳脂肪和乳蛋白合成的關(guān)鍵代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控通路的技術(shù)途徑；建立典型日糧條件下牛奶乳脂肪和乳蛋白的特征圖譜，獲得具有明確干預(yù)效果的日糧模式12種，形成瘤胃“穩(wěn)態(tài)”調(diào)控技術(shù)1項(xiàng)；6. 發(fā)表SCI收錄論文2025篇，培養(yǎng)研究生2530名，申報(bào)專利23項(xiàng)。第四年1. 研究瘤胃細(xì)菌、真菌和原蟲在乳成分前體物生成過程中的互作；日糧因素影響瘤胃上皮和小腸吸收乳成分前體物的機(jī)理； 2. LPS等對肝臟物質(zhì)代謝關(guān)鍵功能基因與免疫相關(guān)細(xì)胞因子基因表達(dá)譜式發(fā)生變化的細(xì)胞重編程的影響，分析肝臟免疫與代謝功能的相互關(guān)系，及其對肝臟免疫功能和營養(yǎng)重分配的影響；揭示LPS等異常代謝產(chǎn)物對肝臟內(nèi)乳成分前體物重分配和乳腺乳成分合成“重編程”的分子機(jī)制；3. 研究肝臟物質(zhì)代謝功能基因與免疫相關(guān)細(xì)胞因子基因表達(dá)譜式建立和維持的細(xì)胞編程規(guī)律；乳成分前體物的組成模式對乳腺功能基因、乳蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)載體表達(dá)量的影響，探討其調(diào)控機(jī)制；確定激素、生長因子、植物生物活性物質(zhì)等外源信號(hào)干預(yù)基因組表達(dá)后乳成分前體物需求的變化；4. 研究不同日糧模式下關(guān)鍵代謝物質(zhì)與神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的互作關(guān)系，構(gòu)建基于信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的關(guān)鍵物質(zhì)與神經(jīng)內(nèi)分泌網(wǎng)絡(luò)互作的整合分析系統(tǒng)；建立應(yīng)用生物活性物質(zhì)改善乳脂肪和乳蛋白合成的調(diào)控方法；確定牛奶中乳蛋白、乳脂肪的特征組成及其比例。1. 闡明乳成分前體物在消化道內(nèi)的吸收機(jī)制及日糧影響瘤胃VFA的吸收機(jī)理，探明日糧長鏈脂肪酸在瘤胃的氫化效率及其影響機(jī)制，揭示瘤胃微生物在乳成分前體物生成中的調(diào)節(jié)作用；2. 闡明肝臟物質(zhì)代謝功能基因與免疫相關(guān)細(xì)胞因子基因表達(dá)譜式和細(xì)胞編程規(guī)律，揭示肝臟內(nèi)乳脂肪和乳蛋白前體物重分配的細(xì)胞“重編程”分子機(jī)制；3. 提出脂肪酸和氨基酸等乳成分前體物發(fā)揮最佳協(xié)同作用的平衡模式，確定乳成分前體物與乳腺功能基因的互作關(guān)系；4. 揭示乳脂肪和乳蛋白功能合成基因（組）高效表達(dá)的營養(yǎng)需要和調(diào)控途徑；5. 闡明乳脂肪和乳蛋白特征圖譜變化規(guī)律，建立具有中國飼料資源特色的改善牛奶重要營養(yǎng)品質(zhì)的系統(tǒng)整合理論；6. 發(fā)表SCI收錄論文2630篇；培養(yǎng)研究生3035名，申報(bào)專利34項(xiàng)。第五年1. 日糧組成以及飼料添加物對瘤胃發(fā)酵類型、微生物菌群結(jié)構(gòu)、數(shù)量與功能的影響；2. 分析功能基因的甲基化水平，研究瘤胃代謝異常產(chǎn)物影響肝臟和乳腺細(xì)胞重編程的表觀遺傳機(jī)理；瘤胃上皮對LPS等異常代謝產(chǎn)物適應(yīng)機(jī)制及其瘤胃內(nèi)LPS等代謝異常產(chǎn)物生成的控制；3. 分析預(yù)測第一基因組與第二基因組在乳脂肪和乳蛋白合成中的關(guān)聯(lián)性，通過不同日糧模式奶牛試驗(yàn)篩選驗(yàn)證具有關(guān)聯(lián)作用功能基因（組）； 4. 探討實(shí)現(xiàn)“前體物質(zhì)最大化，異常物質(zhì)最小化、活性物質(zhì)高效化”三種模式的條件，優(yōu)化乳成分前體物的形成與利用，研究提高乳脂肪和乳蛋白合成的營養(yǎng)調(diào)控方法；分析乳脂肪和乳蛋白特征圖譜對日糧變化的響應(yīng)關(guān)系，研究評(píng)價(jià)牛奶營養(yǎng)品質(zhì)特征的基礎(chǔ)方法。1. 鑒定參與乳脂肪、乳蛋白前體物生成的關(guān)鍵菌群12個(gè)；獲得兩個(gè)基因組中具有關(guān)聯(lián)性的功能基因35個(gè)；2. 建立消化道內(nèi)乳脂肪和乳蛋白前體物生成的優(yōu)化模式；揭示維護(hù)瘤胃上皮結(jié)構(gòu)和功能完整性的途徑和機(jī)理，形成控制代謝異常產(chǎn)物的瘤胃健康模式；3. 揭示引起肝臟內(nèi)參與乳脂肪和乳蛋白前體物轉(zhuǎn)化與分配的功能基因差異表達(dá)的表觀遺傳機(jī)理；闡明乳腺乳成分和LPS等異常代謝產(chǎn)物對乳腺乳成分前體物的攝取、利用及其調(diào)節(jié)機(jī)理；4.