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，山東濟南 250100；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100093）

牛奶是人類重要的食物來源，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 則被認為對人體健康有益[9]。此外，乳中脂肪酸含量還能反映奶牛個體能量和健康狀況[11-12]。因此對乳中不同脂肪酸性狀進行遺傳選育，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，同時也能促使消費者形成新的消費偏好，提高牧場經(jīng)濟效益。然而，相關(guān)脂肪酸數(shù)據(jù)收集往往受測定方法制約，傳統(tǒng)方法如氣相色譜法（Gas chromatography，GC），測定結(jié)果雖準確[13]，但成本高、耗時長，無法大規(guī)模檢測；隨著傅里葉中紅外（Fourier Transform Mid-Infrared，F(xiàn)T-MIR）光譜法在乳品檢測行業(yè)的興起以及對乳中脂肪酸含量預(yù)測準確性的不斷提高[14-17]，該技術(shù)已成為一個大規(guī)模檢測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，深受國內(nèi)外學(xué)者重視。國外對FT-MIR 光譜法所預(yù)測脂肪酸的研究較早，從表型分析、遺傳參數(shù)估計到基因組關(guān)聯(lián)分析等領(lǐng)域均有涉及。2007—2008 年，Soyeurt 等[19-20]對比利時牛群FT-MIR 光譜預(yù)測的脂肪酸組分進行遺傳評估，隨后美國、加拿大、新西蘭、韓國等國家對不同品種牛群基于MIR預(yù)測的牛奶脂肪酸組分及其遺傳力進行探究[6,21-26]，結(jié)果顯示單個脂肪酸（如棕櫚酸C16:0 等）的遺傳力估計值在0.05 到0.54 之間，不同類型脂肪酸組（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)測與GC 法測定的脂肪酸，遺傳力估計值相近且具有高遺傳相關(guān)（0.82～0.99）。目前，國內(nèi)關(guān)于牛奶脂肪酸的研究主要集中在影響因素[27]、營養(yǎng)調(diào)控和機理[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 法測得[33]，而FT-MIR 光譜法預(yù)測牛奶脂肪酸的遺傳基礎(chǔ)相關(guān)研究未見報道，婁文琦[34]、陳焱森等[35]僅對國內(nèi)外FT-MIR 預(yù)測牛奶脂肪酸的遺傳規(guī)律相關(guān)研究進行綜述，也說明近年我國科研人員對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)測相關(guān)脂肪酸指標，探究中國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)來源 本研究的原始數(shù)據(jù)來自山東省農(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 個牧場共30 016 頭健康荷斯坦牛。牧場每月采集奶樣，使用美國本特利乳成分分析儀（BENTLEY FTS）進行測定。數(shù)據(jù)包括FTMIR 預(yù)測的脂肪酸、乳脂率、體細胞數(shù)（Somatic Cell Count，SCC）以及牧場收集的測定日期、產(chǎn)犢日期和胎次等信息。對有觀察值牛只進行系譜追溯，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。按照如下標準對數(shù)據(jù)進行整理和質(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 個泌乳階段；4）體細胞評分（Somatic Cell Score,SCS）由該公式SCS=log2（SCC/100）+3 對SCC（千個/mL）進行轉(zhuǎn)換[36]；5）對于連續(xù)變量，剔除±3SD 外的數(shù)據(jù)；6）將測定場、年、月合并為場年月效應(yīng)。

1.3 統(tǒng)計分析 使用R（v3.52）對脂肪酸數(shù)據(jù)進行基本描述性統(tǒng)計。利用SAS（v9.2）的廣義線性模型（GLM）過程進行多因素方差分析（模型1），探究各環(huán)境因素對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 為測定場年月固定效應(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為體細胞評分協(xié)變量的線性和二次項；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；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。

遺傳力和遺傳力標準誤平方[37]的計算公式如下所示：

2 結(jié)果

2.1 乳脂率及牛奶脂肪酸的基本統(tǒng)計量 各脂肪酸的基本統(tǒng)計結(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%。對于單個脂肪酸，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

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，測定場年月、泌乳階段、產(chǎn)犢月份、SCS 對各脂肪酸均存在極顯著影響，而胎次只對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泌乳時期的變化趨勢，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。從碳鏈飽和度來看，SFA 含量顯著高于UFA。SFA和PA 含量變化曲線較平緩，趨勢一致；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

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

2.3 牛奶各脂肪酸的遺傳參數(shù)估計結(jié)果 根據(jù)方差分析結(jié)果，在SFA、UFA、PA、SA 的遺傳評估模型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值

牛奶各脂肪酸性狀之間存在較強的正表型相關(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]，但實際奶牛乳中SFA占70%，UFA 占30%[2]，因此改善乳中脂肪酸比例對人類健康具有重要意義。國外有大量研究報道了牛奶脂肪酸含量具有遺傳變異性[19,38-39]，說明可以通過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)計結(jié)果近似[40]。而在比利時群體中，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)。由于奶牛體脂中儲存了大量PA（C16:0）、SA（C18:0）和OA（C18:1 cis-9），當牛只處于能量負平衡，機體內(nèi)過度動員體脂[42]，導(dǎo)致這些脂肪酸大量進入牛奶中[43]。另有研究報道，牛奶中PA 有從頭合成和血脂循環(huán)2 個來源[3]，當泌乳早期脂肪組織脂解程度高時，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員的指標[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 變化相對平緩的現(xiàn)象。泌乳中后期，各脂肪酸含量隨著奶牛達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)果類似。同樣地UFA 在泌乳早期比SFA 下降的更快。UFA 大多為長鏈脂肪酸，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平衡造成的，隨著泌乳的進行奶牛能量趨于平衡，體脂肪動員減少，長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價奶牛泌乳早期能量狀態(tài)。

關(guān)于飼養(yǎng)方式、品種對脂肪酸組成的影響也有相關(guān)的報道。Poulsen 等[41]研究了日糧中不同比例的草產(chǎn)品、玉米青貯、谷物和精料對丹麥荷斯坦牛、丹麥娟姍牛和瑞典紅牛3 個品種脂肪酸組成的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飼料種類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塔爾牛與荷斯坦牛之間沒有顯著差異[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，這與前人結(jié)果不一致[1]。早期有研究認為低濃度的牛奶脂肪酸特別是一些UFA，不能通過紅外分析準確預(yù)測[14]。本研究中PUFA 含量最低，平均值僅為0.08%，預(yù)測值與實際值可能存在一定的偏差，并且PUFA 隨胎次雖有遞增趨勢但變動幅度小，可忽略不計，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 國外學(xué)者研究估計了法國[46]、比利時[6]、意大利[40]、荷蘭[47]、加拿大[25]以及韓國[26]的荷斯坦牛群體MIR 預(yù)測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值在0.04（SA）到0.10（PUFA）之間，低于前述國外研究結(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)測定次數(shù)分別是19.5、3.62、4.9次。Rutten[23]的研究中1 917 頭實驗?？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)反映了脂肪酸的來源以及飽和度的相似性或差異性。本研究中單個脂肪酸與所屬的脂肪酸組具有高度遺傳相關(guān)，且單個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)，也說明UFA的變化更大程度上依賴于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，因為牛奶中SFA 主要是乳腺從頭合成，而后者主要從血液中吸收。Soyeurt 等[19]報道了來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，但趨勢基本一致。總體而言，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，本研究對其所預(yù)測的荷斯坦牛牛奶脂肪酸含量的數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明牛奶中不同的預(yù)測脂肪酸與奶牛能量代謝存在不同的聯(lián)系，還需進一步探究脂肪酸與奶牛能量負平衡的關(guān)系；遺傳分析結(jié)果顯示，預(yù)測的各脂肪酸為中低遺傳力性狀，且各類脂肪酸之間均呈正的中高遺傳相關(guān)性，與國外部分研究結(jié)果近似，說明FT-MIR 用于脂肪酸預(yù)測具有巨大潛力。這是國內(nèi)首次對基于FT-MIR 光譜法預(yù)測牛奶的脂肪酸性狀進行遺傳評估，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。