热应激条件下奶牛乳腺酪蛋白合成关键基因调控网络研究

Milk protein is one of the major nutritional components associated with milk quality. Heat stress decrease in milk protein levels is partly explained by reduced intake (indirect effect). However, it is not clear how much of reduction in milk protein can be attributed directly to heat stress. Growth hormone and insulin directly regulate not only mammary gland milk protein synthesis genes, but also affect synthesis of milk protein indirectly through regulating body energy balance and substrate metabolism. Hormone balance is changed when cows respond to heat stress. However, regulation mechanisms for genes coding bovine mammary gland casein synthesis and hormonal signals responding to environmental heat stress have so far not been reported. Our hypothesis is that mammary gland milk protein synthesis is driven by gene network among hormone signals, milk protein precursors, and functional gene for casein synthesis. In order to understand this idea, this study will focus on examining effect of heat stress on lactating cow performance; and further to highlight the key regulatory pathway network for milk protein synthesis under heat stress. Elements of this network will include mRNA, non-coding RNA(miRNA), and epigenetic modifications.

乳蛋白是牛奶营养品质的重要物质基础，其合成是基因、营养和环境互作的结果。热应激引起奶牛采食量降低、内分泌激素变化而影响乳蛋白含量。近期研究表明，乳蛋白合成基因存在甲基化修饰，并受激素或miRNA调控。但关于奶牛乳腺酪蛋白合成基因及相关激素信号如何应答环境热应激的调控机制迄今国内外尚无报道。为此，本项目提出假设：热应激通过干预乳腺酪蛋白合成相关调节激素、乳蛋白前体物和功能基因之间的互作网络而调节酪蛋白的合成。为证实这一设想，本研究在确定热应激影响奶牛合成乳蛋白程度的基础上，从宏观（物质代谢、激素调节）向微观（功能基因）深入，在编码基因、非编码基因和表观遗传修饰三方面确定热应激条件下奶牛乳腺酪蛋白合成的关键调控通路，构建奶牛乳腺应答热应激的关键基因调控网络，提出热应激影响奶牛乳腺合成酪蛋白能力的新机制，为制定热应激环境下奶牛营养管理策略提供方法依据。

乳蛋白的含量是构成牛奶重要营养品质的主要物质基础，酪蛋白的合成是基因、营养和环境共同作用的结果，而热应激是影响乳蛋白合成的重要环境因素。本研究根据生产实践中奶牛热应激条件建立奶牛热应激模型，在排除热应激与非热应激奶牛干物质采食量差异的基础上，利用活体取样技术获得乳腺组织样品，分别开展编码基因、非编码基因（miRNA）的筛选研究，结合血液乳蛋白前体物代谢和激素变化规律，最终构建热应激条件下奶牛乳腺酪蛋白合成的关键基因调控网络，以期为缓解奶牛热应激和提高奶牛合成乳蛋白的效率提供理论依据和方法。研究发现，（1）在夏季温湿度指数（THI）超过72时，奶牛处于热应激状态，呼吸频率和直肠温度升高，干物质采食量和乳蛋白含量下降，出现“热应激乳蛋白降低综合征”，改变了机体蛋白质代谢和葡萄糖的利用，增加了乳腺外组织对氨基酸和葡萄糖的利用，引起乳腺用于合成酪蛋白的前体物（氨基酸和葡萄糖）发生营养重分配；（2）热应激在转录水平影响乳腺组织的代谢活性，整体上抑制了碳水化合物、能量和氨基酸等物质代谢途径，激活了免疫系统，显著抑制了酪蛋白合成基因和氨基酸转运载体基因表达，降低了酪蛋白的合成能力；（3）热应激期间，瘤胃液中脂多糖（LPS）的含量和血液中炎症因子浓度显著增加，机体发生炎性反应，激活了乳腺细胞的NF-κ B、TLR及细胞凋亡相关信号通路，增加了乳腺细胞凋亡，降低了用于乳腺合成酪蛋白的氨基酸和葡萄糖的供给，从而降低了酪蛋白合成；（4）项目实施期间，共发表论文15篇，培养出站中国农业科学院优秀博士后1人，博士研究生1人，硕士研究生3人；项目负责人先后入选科技部创新人才推进计划“中青年科技创新领军人才”和中组部“万人计划领军人才”，获2017年神农中华农业科技奖“优秀创新团队奖”（第3完成人）。