赫曉娜，金 鹿，李勝利，張春華，桑 丹，張崇志，孫海洲

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學動物科學學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院動物營養(yǎng)與飼料研究所/內(nèi)蒙古自治區(qū)草食動物營養(yǎng)科學重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031）

在子宮內(nèi)早期發(fā)育階段，營養(yǎng)是改變胎兒基因組表達的主要環(huán)境因素，并可能產(chǎn)生終生后果，該種現(xiàn)象被稱為“胎兒編程（fetal programming）”［1］。子宮內(nèi)營養(yǎng)可能導致發(fā)育適應(yīng)，從而永久性地改變后代的生理、結(jié)構(gòu)和代謝，進而使個體在成年后易患代謝、內(nèi)分泌和心血管疾?。?］。大量動物研究表明，母體營養(yǎng)不足或營養(yǎng)過剩都會限制胎兒的生長，其機制可能是通過對脫氧核糖核酸和組蛋白的共價修飾而不改變脫氧核糖核酸序列（即表觀遺傳學）介導基因的表達及調(diào)控［2］。目前，母體營養(yǎng)對胎兒基因表達的調(diào)節(jié)作用逐漸成為圍產(chǎn)期生命營養(yǎng)科學研究的熱點，也為動物營養(yǎng)研究提供了新的切入點。筆者結(jié)合國內(nèi)外研究報道，對草食家畜妊娠期母胎營養(yǎng)需求及代謝特征、激素在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中發(fā)揮的作用、妊娠期能量需求對妊娠健康的重要意義進行了綜述，總結(jié)了妊娠期營養(yǎng)的表觀遺傳學研究進展，以期為科學制定草食動物圍產(chǎn)期營養(yǎng)供給方案，提高養(yǎng)殖效益提供參考。

1 妊娠期母胎的營養(yǎng)代謝、激素調(diào)節(jié)和能量需求

妊娠期是胎兒以及母體各個器官和系統(tǒng)生理變化快速發(fā)生的時期。成功的妊娠依賴于子宮循環(huán)對胎盤的充分保供，母體必須滿足胚胎發(fā)育和初乳生產(chǎn)對營養(yǎng)的高需求。子宮內(nèi)的生長和生理發(fā)育模式不僅決定了新生仔畜的生存能力，而且在其生產(chǎn)性能表型和疾病易感性方面發(fā)揮重要作用。因此，生產(chǎn)者應(yīng)根據(jù)母畜所處的不同妊娠階段，合理飼喂，發(fā)揮最大的生產(chǎn)潛力。

1.1 妊娠期母胎之間的營養(yǎng)代謝

妊娠期母體的營養(yǎng)攝入和能量需求的滿足對妊娠的正常進行以及胎兒的生長發(fā)育和健康至關(guān)重要［3］，母畜在懷孕期間營養(yǎng)不足或營養(yǎng)過剩都不利于胎兒的生長［4］。胎盤和胎兒生長在著床期和胎盤快速發(fā)育時期（妊娠的前2個階段）最易受母體營養(yǎng)狀況的影響［5］。為了應(yīng)對妊娠早期能量負平衡危機，母畜通過提高日采食量、降低脂肪生成活性、增加脂肪分解和蛋白質(zhì)水解調(diào)動體內(nèi)儲存的內(nèi)源底物。在山羊胎盤中，毛細血管生長速度和總毛細血管體積在妊娠2周后顯著增加并持續(xù)整個妊娠過程［6］。在妊娠晚期，隨著胎齡的增加，母畜每單位代謝體重可代謝能量的攝入量減少，胎兒—胎盤質(zhì)量及其本身對能量、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)的需求反而急劇增加［7］。在對荷斯坦奶牛孕期營養(yǎng)物質(zhì)和能量的一項研究中發(fā)現(xiàn)，妊娠晚期牛胎兒生長的平均凈能量需求預計為3.21 MJ/d，可代謝蛋白質(zhì)約為300 g/d［6］，并且胎兒常量礦物質(zhì)含量的增加與胎兒有機物的增加平行，常量礦物質(zhì)占胎兒有機物的9%～10%，微量元素含量也隨著胎兒的發(fā)育而增加［5］。這些能量和營養(yǎng)物質(zhì)必須從日糧或身體儲備的能量動員中獲得，否則會降低母畜的繁殖能力［7］。因此，在動物生產(chǎn)中，日糧應(yīng)滿足常量營養(yǎng)元素和微量營養(yǎng)元素在母胎體內(nèi)的能量需求，凸顯孕期營養(yǎng)管理對母畜育種的重要性。

母畜能量消耗最旺盛的時期（妊娠后期和泌乳早期）易誘發(fā)與能量代謝相關(guān)的代謝性疾病或免疫機能障礙和炎癥，影響生產(chǎn)性能。在羊上開展的研究表明，母體營養(yǎng)供應(yīng)不足時，無論是否哺乳，母體和胎兒之間存在營養(yǎng)需求的競爭，不僅會降低母羊的繁殖和生產(chǎn)效能，也會損害后代的健康和未來的生產(chǎn)力［6］。特別是在除了妊娠需求還需要支持自身生長的初產(chǎn)母羊中，能量供應(yīng)不平衡的現(xiàn)象尤為嚴重。國外的一項統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，牧場（包括家庭牧場）奶牛圍產(chǎn)期的總死亡率為2.4%～9.7%（中位數(shù)6.7%）［8］。這些發(fā)現(xiàn)均表明，營養(yǎng)物質(zhì)吸收能力更佳、處于能量正平衡的母畜能夠更好地應(yīng)對妊娠和初乳帶來的代謝挑戰(zhàn)。

高產(chǎn)母羊機體在懷孕期間有較高的葡萄糖和膽固醇水平。葡萄糖是妊娠早中期和哺乳期母畜及胎兒主要消耗的營養(yǎng)物質(zhì)。母體葡萄糖是經(jīng)胎盤轉(zhuǎn)運的主要底物。在正常的子宮血流速率下，胎盤從母體循環(huán)中主要攝取的凈葡萄糖比從胎兒獲取的高出約7倍，其中，約20%被輸送給胎兒，50%被氧化，其余大部分轉(zhuǎn)化為乳酸并轉(zhuǎn)移回母體［9］。中度營養(yǎng)不良的母羊胎盤轉(zhuǎn)移葡萄糖的載體靶向葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白 （targeting glucose transporters，GLUTs）的數(shù)量與胎兒對葡萄糖的攝取量成比例地受到限制，導致胎兒生長遲緩［10］。隨著妊娠的發(fā)展，母羊肝臟對甘油和游離脂肪酸（non-estesterified fatty acid，NEFA）作為代謝底物的利用水平提高［11］。NEFA水平是脂質(zhì)分解代謝的標志，當葡萄糖代謝不足時，NEFA水平會升高。膽固醇是組織發(fā)育的關(guān)鍵營養(yǎng)素，也是胎兒發(fā)育所需的許多激素和代謝調(diào)節(jié)因子的前體［12］。高血漿膽固醇是泌乳母羊良好代謝狀態(tài)的標志。在懷孕母畜營養(yǎng)不良的情況下，胎兒對氨基酸獲取有優(yōu)先權(quán)。胎兒靠臍帶攝入氨基酸，母體氨基酸的含量與供給胎兒的氨基酸含量之間因氨基酸種類而異。對于某些氨基酸，在胎盤、胎兒和母體表面都有相對較大的雙向流量［13］。日糧中適當?shù)牡鞍踪|(zhì)攝入可支持蛋白質(zhì)生物合成，以供應(yīng)母體組織、胎盤和生長中的胎兒的需要。微量營養(yǎng)素（鐵、鈣、鎂、葉酸和VD）在懷孕期間特別重要，在實際生產(chǎn)中，微量營養(yǎng)素在懷孕母畜中的攝入量明顯不足。

總之，盡管草食家畜在妊娠期處于營養(yǎng)敏感狀態(tài)，但母胎之間存在顯著的代謝靈活性和相互影響的代謝溝通，這一機制有助于確保母胎充足的營養(yǎng)交換，在營養(yǎng)有限的時期尤為重要。

1.2 妊娠期母胎之間的激素調(diào)節(jié)

胎兒是母體的同種異體生命，隨著妊娠的進行，胎盤和子宮附著面積迅速增大，局部子宮和全身免疫活躍。據(jù)報道，細胞因子和生長因子與生殖激素一起，可能在胎盤發(fā)育、預防妊娠期胎兒丟失、分娩時消除胎兒和胎膜，以及預防人類和嚙齒類動物產(chǎn)后子宮感染方面發(fā)揮重要作用［14-16］。

有關(guān)胎兒生長的激素調(diào)節(jié)研究鮮有報道。在妊娠前期，胚胎發(fā)育的特點是自主發(fā)育，并不涉及嚴格的內(nèi)分泌機制，胚胎的生長可能通過營養(yǎng)供應(yīng)和局部活躍的生長因子控制單個器官的生長發(fā)育。最近的一項研究表明，新生兒下丘腦—垂體—甲狀腺軸的形成和成熟始于胎兒在妊娠早期對母體甲狀腺激素的依賴［17］。妊娠后期胎兒的營養(yǎng)需求通過母體激素變化表達，同時胎盤激素調(diào)節(jié)會影響胎兒的生長發(fā)育，胎兒內(nèi)分泌腺的功能有顯著變化［13］。表1總結(jié)了部分妊娠期母體激素水平的變化對胎兒生長發(fā)育的影響。

表1 妊娠期母體激素水平的變化對胎兒生長發(fā)育的影響

內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的相互作用是通過胎盤產(chǎn)生類固醇激素實現(xiàn)的。類固醇激素是維持妊娠過程中免疫抑制和抗炎必需的物質(zhì)［24］。妊娠早期母體胎盤黃體酮發(fā)出信號，負責為著床過程準備子宮內(nèi)膜環(huán)境并維持子宮內(nèi)的孕囊，也通過調(diào)節(jié)母體免疫系統(tǒng)改變母體代謝，增加胎兒獲得葡萄糖的途徑［25］。由于胚胎生長發(fā)育的特異性，在后期更多受限于母體營養(yǎng)環(huán)境的變化和內(nèi)分泌系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。妊娠期胰島素抵抗是出現(xiàn)于妊娠晚期的代謝變化［26］。胰島素樣生長因子 （insulin-like growth factor，IGF）是妊娠晚期胎兒循環(huán)中重要的生長激素。IGF在母體中含量升高，會增加妊娠期氮元素在母體的滯留以及母體循環(huán)中葡萄糖的利用和氨基酸的濃度，損害耐糖量。胎兒葡萄糖代謝取決于胎兒血漿葡萄糖和胰島素（insulin）的累加效應(yīng)［27］。在綿羊中，母體饑餓會導致胎兒的胰島素樣生長因子-1（insulin-likegrowth factor-1，IGF-1）快速下降。胎盤生長激素（placentalgrowthhormone，PGH）是孕期母體血清IGF-1的主要調(diào)節(jié)劑［28］。瘦素（leptin）被認為是生殖系統(tǒng)重要的信號分子，可以調(diào)節(jié)促性腺激素的產(chǎn)生、胚泡的形成和著床以及胎兒與胎盤之間的通信［29］。妊娠期除脂肪組織分泌瘦素外，胎盤是人體第2個被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生瘦素的組織［29］。動物模型和人類觀察研究均表明，圍產(chǎn)期瘦素激增在胎兒編程長期肥胖風險方面具有關(guān)鍵作用［30］。妊娠后期，營養(yǎng)不良還會導致全身炎癥加劇、瘦素和糖皮質(zhì)激素濃度升高。這些因素匯集在一起，導致表觀遺傳修飾的發(fā)生［13］。

1.3 妊娠期母胎的能量需求

能量平衡是實現(xiàn)最佳妊娠結(jié)局的關(guān)鍵因素之一，即母體和胎兒組織中能量攝入、消耗和儲存之間的關(guān)系保持平衡。懷孕母體的能量攝入需求反映了支持母體和胎兒新陳代謝（能量消耗）、胎兒生長以及懷孕期間能量儲存所需的能量總和［31］。詳細了解這些能量在整個妊娠期間的變化可以為滿足懷孕母畜能量需求提供科學決策，最大限度地降低不良妊娠結(jié)局的風險。

動物繁殖效率經(jīng)常受到日糧能量水平的制約，能量不足和能量過剩都會影響繁殖效率［32］。孕早期的能量攝入需求與懷孕前的需求差別較小，在妊娠中期和晚期，胎兒發(fā)育和母體妊娠代謝成本（包括心臟輸出量的增加、呼吸功能的增強、胎兒活動、胎兒組織代謝率）增加引起能量消耗增加［33］。不同品種動物的營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)的利用和分配效率不同，例如肉牛生長效率高、產(chǎn)奶量低，奶牛則相反［34］。懷孕期間補充熱量會導致胎兒出生體重增加［35］。在安格斯雜交肉牛中，給母牛飼喂以玉米為基礎(chǔ)的高淀粉日糧比飼喂以等熱量草為基礎(chǔ)的日糧所產(chǎn)犢牛的出生體重有所增加［36］。雙胞胎和三胞胎羔羊的生長速度與羔羊出生體重呈正相關(guān)［34］。研究結(jié)果顯示，母體能量不足和能量過剩都不利于胎兒生長（見表2）。能量攝入對氮平衡保持的影響明顯。對于體重為68 kg的產(chǎn)雙胎母羊來說，臨產(chǎn)前達到最高效率所需的氮的攝入量相當于每天攝入77 g明顯可消化的粗蛋白［43］。研究表明，人類妊娠早期和中期、中期和晚期以及妊娠早期和晚期之間，母體能量消耗的增加范圍分別為4.0%～17.7%，0.2%～30.2%，7.9%～33.2%［44］，母體能量不足會損害胎兒線粒體功能的發(fā)育［45］，同時胎兒的發(fā)育過程決定了個體成年后機體對能量代謝負荷的適應(yīng)能力［46］。另外，整個孕期的運動對母畜的健康妊娠至關(guān)重要。合理的運動可改善孕期代謝，防止母畜刻板行為，對妊娠期疾病的預防和治療起到一定的作用。

表2 妊娠期母畜能量水平變化對胎兒生長發(fā)育的影響

2 妊娠期的表觀遺傳修飾

成人疾病的胎兒起源假說最早是由Barker及其同事在20世紀80年代提出的。這一假說認為胎兒在孕期暴露于子宮內(nèi)環(huán)境，可能導致子代出生后甚至成年期的負面健康效應(yīng)［47］。研究表明，妊娠期是表觀基因組重編程的關(guān)鍵時期，易受營養(yǎng)物質(zhì)等外界環(huán)境因素的影響［48］。在動物模型中，無論是在子宮內(nèi)還是在出生后，母體營養(yǎng)不良和營養(yǎng)過剩都可改變后代的表型［47］。表觀遺傳機制在生物體發(fā)育可塑性的調(diào)節(jié)中起著關(guān)鍵作用，DNA甲基化、組蛋白乙?；?、miRNA轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)等是胎兒編程效應(yīng)的重要機制。了解營養(yǎng)對表觀遺傳機制的影響可能有助于預測、預防或改善后代表型結(jié)果。

2.1 妊娠期草食動物營養(yǎng)在表觀遺傳學的研究進展

表觀遺傳學特指不涉及DNA序列變化的可遺傳的基因表達研究［47］。目前，研究最多的2種表觀遺傳學修飾是甲基化（基因組DNA甲基化和組蛋白甲基化）和乙?；ńM蛋白乙?；NA甲基化是指DNA序列中的腺嘌呤（A）或胞嘧啶（C）堿基在甲基化轉(zhuǎn)移酶的催化下與甲基發(fā)生共價結(jié)合，可在細胞分裂過程中傳遞給子細胞的表觀遺傳現(xiàn)象［49］。組蛋白甲基化在DNA甲基化的建立和維護中發(fā)揮了重要作用，尤其是組蛋白H3賴氨酸9（histone H3 lysine 9，H3K9）的甲基化［50］。甲基化涉及遺傳物質(zhì)穩(wěn)定、基因表達調(diào)控、X染色體失活、轉(zhuǎn)座子沉默、組蛋白修飾等多個方面［50］。大量研究表明，母源飼糧中的營養(yǎng)水平對胎兒的生長和發(fā)育至關(guān)重要，對后代DNA甲基化狀態(tài)具有一定的調(diào)控作用。組蛋白乙?；磻?yīng)多發(fā)生在核心組蛋白N端εNH3+堿性氨基酸集中區(qū)的特定賴氨酸殘基上，通過將乙酰輔酶A的乙?；D(zhuǎn)移到賴氨酸上以中和正電荷，減弱DNA的相互作用，從而達到調(diào)節(jié)特定區(qū)域內(nèi)基因活性的目的。組蛋白乙?；魅趿私M蛋白與DNA之間的靜電親和力，從而促進染色體結(jié)構(gòu)接近轉(zhuǎn)錄基因機構(gòu)，引起基因持續(xù)性改變［51］。組蛋白乙?；峭ㄟ^組蛋白乙?；复呋瓿傻摹Ｒ阴］o酶A參與主要的代謝反應(yīng)，特別是三羧酸循環(huán)、糖酵解、脂質(zhì)β－氧化和氨基酸代謝。主要營養(yǎng)素，如碳水化合物、脂類和蛋白質(zhì)與組蛋白乙?；嘘P(guān)。由此可見，甲基化和乙?；磻?yīng)是由多種營養(yǎng)因素催化的，提示表觀遺傳學與營養(yǎng)和能量代謝相關(guān)。

草食動物營養(yǎng)的表觀遺傳變化主要在生命早期發(fā)育中誘導形成，許多研究證實通過改變母體營養(yǎng)會使后代產(chǎn)生遺傳分化。一般來說，在圍產(chǎn)期，為了防止或限制高產(chǎn)奶牛能量負平衡，一般會在日糧中添加營養(yǎng)補充劑。Osorio等［52］利用瘤胃保護性蛋氨酸補充圍產(chǎn)期荷斯坦奶牛日糧中的蛋氨酸，可提高后代PPARα基因及其靶基因（ANGPTL 4、FGF 21和pck1）在肝臟中的表達，改善犢牛的脂質(zhì)代謝，首次證明了補充蛋氨酸對反芻動物成體組織的表觀遺傳效應(yīng)。Lan等［53］在綿羊上也證明，妊娠期母體營養(yǎng)與胎兒組織中印記基因和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組改變有關(guān)聯(lián)?？梢妱游餇I養(yǎng)策略不僅影響生產(chǎn)性能，而且影響自身及后代的表觀遺傳標記。

2.2 表觀遺傳相關(guān)技術(shù)在草食家畜育種中的應(yīng)用

隨著全基因組學技術(shù)的發(fā)展，動物功能基因組逐漸成為國內(nèi)外研究的前沿和熱點。表觀基因組學領(lǐng)域的最新技術(shù)進展包括全基因組下一代測序、基因組位點動態(tài)成像、定量蛋白質(zhì)組學和計算分析［54-55］。確定各種家畜表觀修飾因子與動物群體的繁殖力、生產(chǎn)力、抗病力等表型變異的相關(guān)性，進而闡明表觀遺傳對家畜重要經(jīng)濟性狀的影響，開展家畜分子育種，是今后動物遺傳育種研究和應(yīng)用的重要方向之一。

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，基因組DNA可通過甲基化作用影響相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和染色體的構(gòu)型，從而實現(xiàn)動物生長發(fā)育及組織分化的精確調(diào)控［56］。在家畜生產(chǎn)中，表觀遺傳技術(shù)已經(jīng)成為選種育種的有效手段，不僅對胚胎特定基因、特定區(qū)域進行DNA甲基化分子遺傳標記，而且對動物的生產(chǎn)性狀與基因調(diào)控進行深層次的機理研究。通常關(guān)于豬的研究側(cè)重于雜種優(yōu)勢的表觀遺傳機制和高效利用，關(guān)于牛的研究偏向于異?？寺∨咛z測和犏牛雄性不育表觀機制，而關(guān)于羊DNA甲基化的研究傾向于與經(jīng)濟性狀相關(guān)的新型分子標記［57］。在動物育種中應(yīng)考慮表觀遺傳調(diào)控及預測動物表型，以選擇優(yōu)良的后代。

全基因組遺傳重組發(fā)生在胚子發(fā)生期間和早期胚胎發(fā)育階段。了解環(huán)境對表觀基因型的影響有助于設(shè)計促進家畜某些表觀基因型表達的管理策略。因此，通過改善親代營養(yǎng)和管理環(huán)境，可能對表觀基因組的表達起到調(diào)控作用，改變后代表型。此外，如果已知給定的表觀遺傳狀態(tài)對表型有影響，則表觀遺傳狀態(tài)本身可被視為預測未來表型的基因組。鑒于目前的技術(shù)水平，家畜群體中是否存在大量可遺傳的表觀遺傳變異是值得懷疑的。盡管如此，表觀基因組時代帶來了激動人心的發(fā)現(xiàn)和挑戰(zhàn)，這些發(fā)現(xiàn)和挑戰(zhàn)可能包含在畜牧業(yè)育種計劃中。

3 總結(jié)與展望

草食家畜后代的生產(chǎn)力與早期生命的生長模式相關(guān)，母體營養(yǎng)和發(fā)育可塑性是潛在的機制。確定有助于胎兒編程的機制對家畜的有效管理干預和提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要?？茖W的早期營養(yǎng)規(guī)劃與表觀遺傳基礎(chǔ)及其應(yīng)用對于遏制草食家畜當前普遍存在的不良妊娠現(xiàn)象至關(guān)重要。