趙秀新，婁文琦，李建斌，蔡高占，李榮嶺，侯明海，王雅春*

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，山東濟(jì)南 250100；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100093）

牛奶是人類(lèi)重要的食物來(lái)源，其中乳脂含有約400種脂肪酸，飽和脂肪酸（Saturated Fatty Acid,SFA）、單不飽和脂肪酸（Monounsaturated Fatty Acid，MUFA）和多不飽和脂肪酸（Polyunsaturated Fatty Acid，PUFA）分別約占總脂肪酸的70%、25% 和5%[1-3]。這些脂肪酸除了與牛奶風(fēng)味、理化特性及奶酪制作等存在直接關(guān)系外[4-6]，還與人體健康息息相關(guān)。研究表明，SFA與心血管疾病、肥胖和體重增加有關(guān)[7-10]，而不飽和脂肪酸（Unsaturated Fatty，UFA）如油酸（Oleic Acid，OA）、共軛亞油酸（Conjugated Linoleic Acid，CLA）以及PUFA 則被認(rèn)為對(duì)人體健康有益[9]。此外，乳中脂肪酸含量還能反映奶牛個(gè)體能量和健康狀況[11-12]。因此對(duì)乳中不同脂肪酸性狀進(jìn)行遺傳選育，可以改善牛奶中有利脂肪酸比例，有助于提高人體健康及抗病能力，同時(shí)也能促使消費(fèi)者形成新的消費(fèi)偏好，提高牧場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。然而，相關(guān)脂肪酸數(shù)據(jù)收集往往受測(cè)定方法制約，傳統(tǒng)方法如氣相色譜法（Gas chromatography，GC），測(cè)定結(jié)果雖準(zhǔn)確[13]，但成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，無(wú)法大規(guī)模檢測(cè)；隨著傅里葉中紅外（Fourier Transform Mid-Infrared，F(xiàn)T-MIR）光譜法在乳品檢測(cè)行業(yè)的興起以及對(duì)乳中脂肪酸含量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的不斷提高[14-17]，該技術(shù)已成為一個(gè)大規(guī)模檢測(cè)乳中脂肪酸含量的常規(guī)且快速有效的方法，也為脂肪酸的遺傳分析和選擇提供了巨大潛力[18]。

脂肪酸作為重要的牛奶成分，深受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者重視。國(guó)外對(duì)FT-MIR 光譜法所預(yù)測(cè)脂肪酸的研究較早，從表型分析、遺傳參數(shù)估計(jì)到基因組關(guān)聯(lián)分析等領(lǐng)域均有涉及。2007—2008 年，Soyeurt 等[19-20]對(duì)比利時(shí)牛群FT-MIR 光譜預(yù)測(cè)的脂肪酸組分進(jìn)行遺傳評(píng)估，隨后美國(guó)、加拿大、新西蘭、韓國(guó)等國(guó)家對(duì)不同品種牛群基于MIR預(yù)測(cè)的牛奶脂肪酸組分及其遺傳力進(jìn)行探究[6,21-26]，結(jié)果顯示單個(gè)脂肪酸（如棕櫚酸C16:0 等）的遺傳力估計(jì)值在0.05 到0.54 之間，不同類(lèi)型脂肪酸組（如SFA 等）的遺傳力在0.11 到0.51 之間。Rutten 等[23]研究表明FT-MIR 光譜法預(yù)測(cè)與GC 法測(cè)定的脂肪酸，遺傳力估計(jì)值相近且具有高遺傳相關(guān)（0.82～0.99）。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于牛奶脂肪酸的研究主要集中在影響因素[27]、營(yíng)養(yǎng)調(diào)控和機(jī)理[28-29]以及候選基因的篩選與功能解析[30-32]，脂肪酸結(jié)果大都基于GC 法測(cè)得[33]，而FT-MIR 光譜法預(yù)測(cè)牛奶脂肪酸的遺傳基礎(chǔ)相關(guān)研究未見(jiàn)報(bào)道，婁文琦[34]、陳焱森等[35]僅對(duì)國(guó)內(nèi)外FT-MIR 預(yù)測(cè)牛奶脂肪酸的遺傳規(guī)律相關(guān)研究進(jìn)行綜述，也說(shuō)明近年我國(guó)科研人員對(duì)MIR 數(shù)據(jù)的重視程度逐漸提高。本研究旨在利用牛奶FT-MIR 光譜法預(yù)測(cè)相關(guān)脂肪酸指標(biāo)，探究中國(guó)荷斯坦牛脂肪酸的變化規(guī)律及遺傳規(guī)律，為后續(xù)研究和未來(lái)的平衡育種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 本研究的原始數(shù)據(jù)來(lái)自山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，收集了2019 年12 月到2020 年7月共53 172 條數(shù)據(jù)，涉及49 個(gè)牧場(chǎng)共30 016 頭健康荷斯坦牛。牧場(chǎng)每月采集奶樣，使用美國(guó)本特利乳成分分析儀（BENTLEY FTS）進(jìn)行測(cè)定。數(shù)據(jù)包括FTMIR 預(yù)測(cè)的脂肪酸、乳脂率、體細(xì)胞數(shù)（Somatic Cell Count，SCC）以及牧場(chǎng)收集的測(cè)定日期、產(chǎn)犢日期和胎次等信息。對(duì)有觀察值牛只進(jìn)行系譜追溯，獲得有效系譜數(shù)88 735 條，包括公牛4 088 頭、母牛50 122 頭。

1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)控和處理 牛奶各脂肪酸性狀包括MUFA、PUFA、SFA、UFA、棕櫚酸C16:0（Palmitic Acid，PA）、硬脂酸C18:0（Stearic Acid，SA）、OA。按照如下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和質(zhì)控：1）保留既有脂肪酸數(shù)據(jù)又有牛只信息的記錄；2）將奶牛胎次劃分為4 個(gè)水平，即1、2、3、4 胎及4 胎以上；3）泌乳天數(shù)保留5～305 d的數(shù)據(jù)記錄，并且以15 d 為間隔，劃分20 個(gè)泌乳階段；4）體細(xì)胞評(píng)分（Somatic Cell Score,SCS）由該公式SCS=log2（SCC/100）+3 對(duì)SCC（千個(gè)/mL）進(jìn)行轉(zhuǎn)換[36]；5）對(duì)于連續(xù)變量，剔除±3SD 外的數(shù)據(jù)；6）將測(cè)定場(chǎng)、年、月合并為場(chǎng)年月效應(yīng)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析 使用R（v3.52）對(duì)脂肪酸數(shù)據(jù)進(jìn)行基本描述性統(tǒng)計(jì)。利用SAS（v9.2）的廣義線性模型（GLM）過(guò)程進(jìn)行多因素方差分析（模型1），探究各環(huán)境因素對(duì)脂肪酸是否存在顯著影響（P<0.05），并且用于后續(xù)分析。使用DMU（v6.0）DMUAI 模塊采用AI-REML結(jié)合EM 算法利用單性狀及二性狀重復(fù)力模型估計(jì)各脂肪酸的遺傳方差/協(xié)方差組分（模型2）。

模型1 和模型2 中y 均為各脂肪酸（MUFA、PUFA、SFA、UFA、PA、SA、OA）；HYM 為測(cè)定場(chǎng)年月固定效應(yīng)（1～74）；Parity 為胎次固定效應(yīng)（1～4）；DIMstage 為泌乳階段固定效應(yīng)（1～20）；CM 為產(chǎn)犢月份固定效應(yīng)（1～12）；SCS 和SCS2為體細(xì)胞評(píng)分協(xié)變量的線性和二次項(xiàng)；β1和β2為相應(yīng)協(xié)變量的線性和二次回歸系數(shù)；DIM 和DIM2為泌乳天數(shù)協(xié)變量的線性和二次項(xiàng)；α1和α2為相應(yīng)協(xié)變量的線性和二次回歸系數(shù)；animal 為隨機(jī)加性遺傳效應(yīng)，符合N（0，）分布；pe 為永久環(huán)境遺傳效應(yīng)，符合N（0，）分布；e 為殘差。

遺傳力和遺傳力標(biāo)準(zhǔn)誤平方[37]的計(jì)算公式如下所示：

2 結(jié)果

2.1 乳脂率及牛奶脂肪酸的基本統(tǒng)計(jì)量 各脂肪酸的基本統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。群體平均乳脂率（Fat Percentage，F(xiàn)P）為4.03%，牛奶中SFA 和UFA 的平均含量分別是2.63%、0.95%。UFA 中以MUFA 為主，占比為0.88%，而PUFA 僅占0.08%。對(duì)于單個(gè)脂肪酸，PA 在牛奶中含量最高，占1.40%，SA、OA 的濃度較低，含量分別是0.39%和0.65%。

表1 牛奶中乳脂率及不同脂肪酸的描述性統(tǒng)計(jì)

2.2 牛奶脂肪酸的影響因素分析 根據(jù)模型1 分析結(jié)果，測(cè)定場(chǎng)年月、泌乳階段、產(chǎn)犢月份、SCS 對(duì)各脂肪酸均存在極顯著影響，而胎次只對(duì)MUFA、OA、PUFA 存在顯著影響。剔除其他效應(yīng)的影響，圖1 展示了各脂肪酸最小二乘均值在整個(gè)泌乳時(shí)期的變化趨勢(shì)，總體上乳脂率和所有脂肪酸含量變化均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。從碳鏈飽和度來(lái)看，SFA 含量顯著高于UFA。SFA和PA 含量變化曲線較平緩，趨勢(shì)一致；OA、PUFA、SA 的最小二乘均值變化范圍在0.3% 以內(nèi)，均低于其他各脂肪酸。除PUFA 含量在產(chǎn)后125～140 d 降到最低外，乳脂率和其他各脂肪酸均在產(chǎn)后95～110 d 降到最低。除SFA 之外，泌乳初期乳脂率和其他各脂肪酸含量都略高于泌乳后期。

圖1 不同泌乳階段下各脂肪酸的變化趨勢(shì)

圖2 中展示了MUFA、OA、PUFA 在不同胎次下的變化規(guī)律。MUFA 和OA 含量隨胎次增加而降低，1胎與4 胎及4 胎以上牛只之間2 種脂肪酸含量的差值均為0.02%，變化幅度?。ú钪嫡荚撝舅崛后w均值比例的2%、3%）。PUFA 變化趨勢(shì)與之相反，其隨胎次增加含量上升且變化幅度小，1 胎與4 胎及4 胎以上牛只之間PUFA 含量差值為0.01%。

圖2 不同胎次下各脂肪酸的變化趨勢(shì)

2.3 牛奶各脂肪酸的遺傳參數(shù)估計(jì)結(jié)果 根據(jù)方差分析結(jié)果，在SFA、UFA、PA、SA 的遺傳評(píng)估模型2 中不考慮胎次固定效應(yīng)，不同牛奶脂肪酸的遺傳力估計(jì)值如表2 所示，遺傳力在0.04（SA）到0.10（PUFA）之間，為中低遺傳力。SFA 與PA 的遺傳力一致，均為0.09；MUFA、UFA 和OA 的遺傳力一致，均為0.05；SA 的遺傳力最低。所有性狀的重復(fù)力估計(jì)值是0.16～0.26，為中低重復(fù)力。

表2 荷斯坦牛的牛奶脂肪酸性狀的方差組分及遺傳力估計(jì)值

牛奶各脂肪酸性狀之間存在較強(qiáng)的正表型相關(guān)和正遺傳相關(guān)（表3），且相同脂肪酸性狀之間的表型相關(guān)與遺傳相關(guān)方向較一致。牛奶脂肪酸性狀間遺傳相關(guān)范 圍為0.32～0.97，其 中MUFA 和OA、SFA 和PA 之間遺傳相關(guān)最高，均為0.97，而PUFA 和OA 之間最低（0.32）。UFA 和MUFA 之間存有很強(qiáng)的遺傳相關(guān)（0.96），而與PUFA 呈中等遺傳相關(guān)（0.51）；PUFA 與其他各脂肪酸之間均呈中等遺傳相關(guān)（0.32～0.51）；SFA 與PA、SA 之間存在高遺傳相關(guān)，遺傳相關(guān)系數(shù)分別是0.97、0.69；UFA 和OA 之間存在高遺傳相關(guān)（0.93）。

表3 荷斯坦牛的牛奶脂肪酸性狀之間的表型及遺傳相關(guān)

3 討 論

有研究表明最適合人體吸收的乳中脂肪酸含量比例為SFA 占10%，UFA 占90%[3]，但實(shí)際奶牛乳中SFA占70%，UFA 占30%[2]，因此改善乳中脂肪酸比例對(duì)人類(lèi)健康具有重要意義。國(guó)外有大量研究報(bào)道了牛奶脂肪酸含量具有遺傳變異性[19,38-39]，說(shuō)明可以通過(guò)選擇性育種改變牛乳中脂肪酸組成。并且，脂肪酸的遺傳參數(shù)變異較大，不同品種、不同地區(qū)各脂肪酸遺傳力[22]、遺傳相關(guān)和表型相關(guān)[19,24]存在較大差異。因此，本研究結(jié)果為今后我國(guó)奶牛特色選育提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 牛奶脂肪酸組成的影響因素分析 前人研究顯示，在意大利荷斯坦牛群體中牛奶SFA、UFA、MUFA 和PUFA 濃度分別是2.58%、1.11%、0.91% 和0.09%，這與本研究的統(tǒng)計(jì)結(jié)果近似[40]。而在比利時(shí)群體中，一胎荷斯坦牛的各脂肪酸含量略高于本研究結(jié)果，可能與胎次有關(guān)，但總體趨勢(shì)一致[6]。

有研究表明，牛奶脂肪酸的組成易受飼養(yǎng)方式、品種、泌乳階段、代謝狀態(tài)等多因素影響[1,41]，本研究中方差分析結(jié)果與之一致。泌乳早期脂肪酸變化最明顯，這與奶牛生理和能量平衡狀態(tài)密切相關(guān)。由于奶牛體脂中儲(chǔ)存了大量PA（C16:0）、SA（C18:0）和OA（C18:1 cis-9），當(dāng)牛只處于能量負(fù)平衡，機(jī)體內(nèi)過(guò)度動(dòng)員體脂[42]，導(dǎo)致這些脂肪酸大量進(jìn)入牛奶中[43]。另有研究報(bào)道，牛奶中PA 有從頭合成和血脂循環(huán)2 個(gè)來(lái)源[3]，當(dāng)泌乳早期脂肪組織脂解程度高時(shí)，牛奶中C18 家族脂肪酸的含量高于C16:0[6,44]，OA（C18:1 cis-9）的變化可作為體脂動(dòng)員的指標(biāo)[6]，解釋了本研究中OA、SA 在泌乳初期含量較高、下降幅度最大，而PA 變化相對(duì)平緩的現(xiàn)象。泌乳中后期，各脂肪酸含量隨著奶牛達(dá)到正能量平衡而變得更加穩(wěn)定[45]。

Bastin 研究[6]發(fā)現(xiàn)UFA 尤其是MUFA 產(chǎn)后80 d以內(nèi)下降更明顯，與本研究結(jié)果類(lèi)似。同樣地UFA 在泌乳早期比SFA 下降的更快。UFA 大多為長(zhǎng)鏈脂肪酸，主要從血脂中提取，泌乳初期較高的UFA 可能是由于奶牛的能量負(fù)平衡造成的，隨著泌乳的進(jìn)行奶牛能量趨于平衡，體脂肪動(dòng)員減少，長(zhǎng)鏈脂肪酸加入到牛奶中的量降低使各脂肪酸組分趨于穩(wěn)定，這導(dǎo)致了泌乳早期OA、SA 和UFA 含量的顯著下降。因此，脂肪酸組成含量的表型變異可能有助于評(píng)價(jià)奶牛泌乳早期能量狀態(tài)。

關(guān)于飼養(yǎng)方式、品種對(duì)脂肪酸組成的影響也有相關(guān)的報(bào)道。Poulsen 等[41]研究了日糧中不同比例的草產(chǎn)品、玉米青貯、谷物和精料對(duì)丹麥荷斯坦牛、丹麥娟姍牛和瑞典紅牛3 個(gè)品種脂肪酸組成的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飼料種類(lèi)與各品種奶牛脂肪酸組成均存在顯著相關(guān)。有研究表明，與荷斯坦牛相比，娟姍牛乳中往往含有更高的SFA[21]，而不同飽和度的脂肪酸含量在西門(mén)塔爾牛與荷斯坦牛之間沒(méi)有顯著差異[1]。

Gottardo 等[1]研究發(fā)現(xiàn)一胎荷斯坦牛牛奶中UFA、MUFA、PUFA、C18:0、C18:1 含量顯著高于經(jīng)產(chǎn)牛，與本研究中MUFA 以及C18:1 中占比最高的OA（C18:1 cis-9）[39]含量隨胎次變化的結(jié)果相似。而本研究中PUFA 含量隨著胎次增加呈上升趨勢(shì)，這與前人結(jié)果不一致[1]。早期有研究認(rèn)為低濃度的牛奶脂肪酸特別是一些UFA，不能通過(guò)紅外分析準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[14]。本研究中PUFA 含量最低，平均值僅為0.08%，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值可能存在一定的偏差，并且PUFA 隨胎次雖有遞增趨勢(shì)但變動(dòng)幅度小，可忽略不計(jì)，這也可能與本研究的數(shù)據(jù)量較小有關(guān)。

3.2 牛奶脂肪酸遺傳力 國(guó)外學(xué)者研究估計(jì)了法國(guó)[46]、比利時(shí)[6]、意大利[40]、荷蘭[47]、加拿大[25]以及韓國(guó)[26]的荷斯坦牛群體MIR 預(yù)測(cè)牛奶脂肪酸的遺傳力，研究結(jié)果不盡相同，SFA、UFA、MUFA 和PUFA 的遺傳力范圍分別為0.246～0.53、0.069～0.41、0.082～0.42 和0.078～0.37，PA、SA 和OA 的遺傳力分別是0.28～0.51、0.231～0.28 和0.11～0.179。本研究中，荷斯坦牛各脂肪酸遺傳力估計(jì)值在0.04（SA）到0.10（PUFA）之間，低于前述國(guó)外研究結(jié)果。牛奶脂肪酸含量受到環(huán)境條件的影響，例如牛場(chǎng)之間的飼料差異、不同的管理因素等，可能導(dǎo)致不同地區(qū)牛群脂肪酸遺傳力的明顯差異。重復(fù)測(cè)定次數(shù)較少和可追溯的系譜代數(shù)較少可能也是本研究遺傳力低的原因之一。本研究平均每頭牛有1.77 條測(cè)定數(shù)據(jù)，而Soyeurt[19]、Lopez-Villalobos[21]、Fleming[25]的研究中每頭奶牛重復(fù)測(cè)定次數(shù)分別是19.5、3.62、4.9次。Rutten[23]的研究中1 917 頭實(shí)驗(yàn)?？勺匪莸降南底V包含26 300 頭牛只，F(xiàn)leming[25]的研究中10 029 頭荷斯坦牛追溯的系譜包含76 074 頭牛只，相比之下，本研究可追溯到的系譜較少。

SFA 主要由牛奶中從頭合成的脂肪酸組成[2,43]，而UFA 主要源于攝食或體脂動(dòng)員。有研究表明，參與脂肪酸合成的CoA 羧化酶和脂肪酸合成酶部分受基因控制，因此從頭合成的脂肪酸比食物中攝入和體脂儲(chǔ)備的脂肪酸更容易受遺傳控制[6,21,40]。這與本研究中SFA 組遺傳力高于UFA 組的結(jié)果一致。

3.3 牛奶中不同脂肪酸之間的遺傳相關(guān) 遺傳相關(guān)反映了脂肪酸的來(lái)源以及飽和度的相似性或差異性。本研究中單個(gè)脂肪酸與所屬的脂肪酸組具有高度遺傳相關(guān)，且單個(gè)脂肪酸含量占所屬脂肪酸組的比例越大，二者的遺傳相關(guān)越高。例如，PA 在SFA 中占比最高[2]，為牛奶中總脂肪酸量的30%，其與SFA 的遺傳相關(guān)最高（0.97）。牛奶中MUFA 占脂肪酸總量的25%[2]，遠(yuǎn)高于僅占5%的PUFA，本研究得出MUFA 與UFA 的遺傳相關(guān)為0.96，明顯高于PUFA 與UFA 之間的遺傳相關(guān)，也說(shuō)明UFA的變化更大程度上依賴(lài)于MUFA 的變化。OA 是牛奶中含量最高的MUFA，與UFA、MUFA 之間具有極強(qiáng)的遺傳相關(guān)，遺傳相關(guān)系數(shù)分別是0.93、0.97。相比前幾種情況，SFA 與UFA、MUFA、PUFA 和OA 之間的遺傳相關(guān)性偏低，因?yàn)榕Ｄ讨蠸FA 主要是乳腺?gòu)念^合成，而后者主要從血液中吸收。Soyeurt 等[19]報(bào)道了來(lái)源相似的脂肪酸之間的高度遺傳相關(guān)性，與本研究結(jié)果相符。

所有脂肪酸之間均呈正遺傳相關(guān)。Bastin 等[6]發(fā)現(xiàn)脂肪酸組之間的遺傳相關(guān)性非常相似，部分脂肪酸間的相關(guān)性略高于本研究，如SFA 與MUFA 和PUFA 的相關(guān)性分別為0.60 和0.61，UFA 和MUFA 之間為完全遺傳相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為1），UFA 和PUFA 之間遺傳相關(guān)為0.79，MUFA 和PUFA 之間為0.73。Soyeurt 等[19]報(bào)道了SFA 與MUFA 之間的遺傳相關(guān)性為0.66，略高于本研究。Bastin[50]研究了1～3 胎次的荷斯坦牛，SFA 與UFA、UFA 與MUFA 之間遺傳相關(guān)性與本研究基本一致，分別為0.61 和0.63，UFA 與PUFA 的遺傳相關(guān)性為0.77，MUFA 與PUFA 之間的遺傳相關(guān)性為0.72，略高于本研究，但趨勢(shì)基本一致?？傮w而言，牛奶中UFA 含量高意味著MUFA 含量更高。

4 結(jié) 論

借助FT-MIR 光譜法使得牛奶中脂肪酸表型信息的獲取更為便捷，本研究對(duì)其所預(yù)測(cè)的荷斯坦牛牛奶脂肪酸含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明牛奶中不同的預(yù)測(cè)脂肪酸與奶牛能量代謝存在不同的聯(lián)系，還需進(jìn)一步探究脂肪酸與奶牛能量負(fù)平衡的關(guān)系；遺傳分析結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)的各脂肪酸為中低遺傳力性狀，且各類(lèi)脂肪酸之間均呈正的中高遺傳相關(guān)性，與國(guó)外部分研究結(jié)果近似，說(shuō)明FT-MIR 用于脂肪酸預(yù)測(cè)具有巨大潛力。這是國(guó)內(nèi)首次對(duì)基于FT-MIR 光譜法預(yù)測(cè)牛奶的脂肪酸性狀進(jìn)行遺傳評(píng)估，但仍需繼續(xù)積累表型數(shù)據(jù)，深入探索改變牛奶脂肪酸比例的奶牛特色選育策略。