【正文】 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. 乳腺對(duì)乳蛋白前體物的攝取、利用與調(diào)節(jié) 測(cè)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(duì)乳腺中 α 酪蛋白和 β 乳清蛋白合成的調(diào)節(jié)作用。 2. 瘤胃代謝異常產(chǎn)物 LPS 對(duì)肝臟內(nèi)乳成分前體物 重 分配的影響 通過(guò)測(cè)定進(jìn)出肝臟的 LPS 的動(dòng)態(tài)變化，確定肝臟對(duì) 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(duì) 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(duì)肝臟內(nèi)乳成分前體物重分配的 作用 。 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(kù) 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(zhǎng)因子等 對(duì)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(chóng)在乳 成分 前體物 生 成 過(guò)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。 （四）課題設(shè)置 各課題間相互關(guān)系 本項(xiàng)目立足我國(guó) 不同產(chǎn)地的 飼料資源和 生產(chǎn)實(shí)際 ， 運(yùn)用現(xiàn)代營(yíng)養(yǎng)學(xué)、營(yíng)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?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乳脂肪和乳蛋白的生物學(xué)過(guò)程和調(diào)節(jié)為主線， 設(shè)置 如下 5 個(gè)課題 （見(jiàn)圖 2）：以課題 3 為縱線， 從現(xiàn)代 營(yíng)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?xún)蓚€(gè)基因組為核心，從營(yíng)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(yíng)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。本項(xiàng)目 通過(guò)“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(yíng)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(guò)激素和生長(zhǎng)因子的信號(hào)調(diào)節(jié) 通路 。 三、研究方案 （一）學(xué)術(shù) 思路 立足我國(guó) 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(yíng)養(yǎng)學(xué) 、 營(yíng)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(yíng)養(yǎng)品質(zhì)形成過(guò)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(guó)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) 。 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 2～ 3 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(duì)乳腺細(xì)胞重編程的影響及其機(jī)理。 20xx 年 973 項(xiàng)目農(nóng)業(yè) 8 個(gè)項(xiàng)目立項(xiàng) 申報(bào)書(shū) 牛奶重要營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)形成與調(diào)控機(jī)理研究 主要糧食作物骨干親本遺傳效應(yīng)和利用的基礎(chǔ)研究 水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)等重要性狀的分子機(jī)制和設(shè)計(jì)育種研究 作物養(yǎng)分高效利用的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò) 糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田地力提升機(jī)理與定向培育對(duì)策 重要園藝作物果實(shí)品質(zhì)形成機(jī)理與調(diào)控 植物免疫機(jī)制與作物抗病分子設(shè)計(jì)的重大基礎(chǔ)理論 作物多樣性對(duì)病蟲(chóng)害生態(tài)調(diào)控和土壤地力的影響 項(xiàng)目名稱(chēng)： 牛奶重要營(yíng)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所 起止年限： 至 依托部門(mén)： 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(yíng)養(yǎng)學(xué)、營(yíng)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(guó)牛奶品質(zhì)提供理論依據(jù)和技術(shù)途徑。 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 10～ 15 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 3～ 5 個(gè)。 （二）技術(shù)途徑 立足我國(guó)不同產(chǎn)地的飼料資源，針對(duì)大規(guī)模、中等規(guī)模和農(nóng)戶(hù)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(yíng)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(yíng)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(yíng)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?jī)蓚€(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(duì)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。以整合生理學(xué)和營(yíng)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(guó)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 。 圖 2 項(xiàng)目課題設(shè)置 課題 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(shì)菌群之間的關(guān)系，鑒定 2～ 3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(duì) 乳成分前體物生成 與吸收 的 效應(yīng) 。 4. 瘤胃 內(nèi) LPS 等代謝異常產(chǎn)物的 生成機(jī)制及其對(duì)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 LPS 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(duì) 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(duì)瘤胃上皮細(xì)胞功能的影響。 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 LPS 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。 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(duì)乳成分前 體物利用的協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)因子等對(duì)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)。 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(kù)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)。 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(yíng)養(yǎng)品質(zhì) 提供依據(jù)。 4. 牛奶營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)特征及其對(duì)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(duì)日糧變化的響應(yīng)關(guān)系， 揭示牛奶營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的基本特征 ,為評(píng)價(jià) 牛奶營(yíng)養(yǎng)品質(zhì) 提供依據(jù) 。 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 1?2 個(gè) 。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 四 年 1. 研究瘤胃細(xì)菌、真菌和原蟲(chóng)在乳成分前體物生成過(guò)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(duì)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(duì)肝臟免疫功能和營(yíng)養(yǎng)重分 配的影響； 揭示 LPS 等異常代謝產(chǎn)物對(duì)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(duì)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(zhǎng)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 。 一、研究?jī)?nèi)容 （一） 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 乳成分前體 物是 日糧營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)奶牛機(jī)體轉(zhuǎn)化為乳脂肪和乳蛋白的物質(zhì)基礎(chǔ)，其 生成與利用是形成牛奶營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的關(guān)鍵。 2. 代謝異常產(chǎn)物 的產(chǎn)生及其對(duì) 瘤胃、肝臟、乳腺代謝的影響 研究 代謝異常產(chǎn)物 的產(chǎn)生條件，代謝異常產(chǎn)物 對(duì)乳脂肪和乳蛋白合成的影響及其 引起 肝臟、乳腺細(xì)胞 “ 重編程 ” 機(jī)理， 建立代謝異常產(chǎn)物的控制途徑。 通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，將進(jìn)一步強(qiáng)化我國(guó)在農(nóng)作物骨干親本 基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究方面的原始創(chuàng)新，并通過(guò)創(chuàng)建圍繞農(nóng)作物骨干親本的新的育種理論與技術(shù)體系，以及創(chuàng)造的符合新時(shí)期育種目標(biāo)需求的候選骨干親本的應(yīng)用，繼續(xù)提高我國(guó)在雜交稻等作物育種領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位，最終為我國(guó)的糧食安全提供科學(xué)保障與技術(shù)和物質(zhì)支撐。 建立 水稻、小麥、玉米 候選 骨干親本 選育以及 最佳親本組配的分子設(shè)計(jì)模型 ；提出綜合評(píng)估候選骨干親本和改良現(xiàn)有骨 干親本的技術(shù)方法，指導(dǎo)并提高親本組配和育種效率。 三、研究方案 （一）學(xué)術(shù)思路 為了進(jìn)一步強(qiáng)化我國(guó)在農(nóng)作物基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究方面的原始創(chuàng)新，針對(duì)作物遺傳育種基礎(chǔ)研究中的關(guān)鍵問(wèn)題之一，骨干親本在育種中效果顯著但其形成與 利用的遺傳基礎(chǔ)不明的客觀現(xiàn)實(shí)，以水稻、小麥、玉米等主要糧食作物骨干親本及其衍生的大面積推廣品種系譜分析為出發(fā)點(diǎn)，在已解決了骨干親本的第一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 “遺傳構(gòu)成 ”的工作基礎(chǔ)上，綜合利用表型組學(xué)、基因組學(xué)、作物育種學(xué)、生物信息學(xué)等學(xué)科的理論與技術(shù)，從骨干親本重要基因組區(qū)段 /基因簇 /基因 /等位基因組合方式及其演變趨勢(shì)、一般配合力對(duì)骨干親本形成的作用及其遺傳基礎(chǔ)、候選骨干親本的分子設(shè)計(jì)與創(chuàng)制等多層次進(jìn)行系統(tǒng)研究，闡明骨干親本研究中的第二個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 “遺傳效應(yīng) ”，為創(chuàng)建骨干親本育種理論與技術(shù)體系，以及我國(guó)糧食安全 提供科學(xué)保障與技術(shù)和物質(zhì)支撐。由我國(guó)科學(xué)家完成有關(guān)的基礎(chǔ)研究，具有明顯的原始創(chuàng)新特色。 （四）取得重大突破的可行性分析 本項(xiàng)目將在以下 兩 個(gè)方面取得重大突破： —— 闡明骨干親本與 其它親本組配能夠衍生出眾多主栽品種的遺傳基礎(chǔ) ，將為創(chuàng)立骨干親本育種理論、提高育種效率、培育突破性新品種奠定基礎(chǔ)； —— 從基因組和基因兩個(gè)層次揭示水稻、玉米骨干親本一般配合力的分子基礎(chǔ)和調(diào)控機(jī)制，可以將作物一般配合力由統(tǒng)計(jì)學(xué)和育種學(xué)的概念提升到遺傳學(xué)概念 。 （ 3）