《Poultry Science》：Combined effects of incubation temperature and lipopolysaccharide exposure on immune response modulation in the quail gut
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本研究针对胚胎期热应激如何调控禽类出生后肠道免疫应答这一关键科学问题，通过设置不同孵化温度（37.5°C对照 vs 39°C高温）并结合LPS免疫挑战，利用RNA-seq技术系统分析了日本鹌鹑空肠转录组。研究发现，高温孵化虽降低孵化率但未改变胚胎形态；高温显著扩大了LPS诱导的差异基因表达谱，激活了炎症、代谢及膜运输通路，同时抑制了适应性免疫相关基因，揭示了胚胎热编程将肠道免疫应答转向先天炎症-代谢谱系的重要机制，为家禽抗逆育种提供了新见解。
在当今全球家禽产业中，如何提升禽类的健康水平和抗病能力是核心挑战之一。家禽的胚胎期是一个极其关键的“编程窗口”，在此期间的环境因素，如温度，能够深刻影响基因表达，并塑造个体出生后的适应能力。然而，我们对于胚胎期经历的热应激如何改变禽类肠道在面对未来病原挑战时的免疫和代谢反应，所知仍然有限。特别是在集约化养殖模式下，禽类不可避免地会接触各种病原体相关分子模式，如革兰氏阴性菌细胞壁成分脂多糖（LPS），它能够引发强烈的急性炎症反应。理解胚胎热环境与 postnatal（出生后）免疫挑战之间的相互作用，对于开发提高家禽福利和生产力的新策略至关重要。为此，一篇发表在《Poultry Science》上的研究对此进行了深入探索。
研究人员为了回答上述问题，设计了一个精巧的2×2因子实验。他们以日本鹌鹑（Coturnix coturnix japonica）为模型，将其受精蛋分别置于对照温度（37.5°C）和高温（39°C）下孵化。待雏鹌鹑生长至25日龄时，再分别对它们进行LPS（100 μg/kg体重）或生理盐水的腹腔注射。在注射后3.5小时，收集空肠组织样本，利用RNA测序（RNA-seq）技术进行转录组学分析。研究团队通过比较不同处理组间的基因表达差异，并结合基因本体论（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析，系统阐释了孵化温度与LPS挑战对鹌鹑肠道基因表达的单独及交互影响。
关键技术方法概述
本研究的关键技术方法包括：采用2×2因子实验设计（孵化温度 × LPS挑战）构建动物模型；通过RNA-seq对鹌鹑空肠组织进行全转录组分析；使用DESeq2软件进行差异表达基因（DEGs）鉴定；利用clusterProfiler R包对DEGs进行GO功能注释和KEGG通路富集分析，以揭示其潜在的生物学功能、分子功能和细胞组分，以及涉及的代谢与信号通路。
胚胎性能
研究结果显示，高温孵化（39°C）显著降低了总孵化率（56.62% vs 68.50%）和受精蛋孵化率（64.58% vs 74.75%），表明热应激对胚胎存活产生了不利影响。然而，对于成功孵化的胚胎，其肠道长度、胚胎重量、蛋重、卵黄囊重量以及卵黄囊利用率等形态学指标在对照组和高温组之间均无显著差异。这说明高温主要影响了胚胎的存活率，而对存活下来的胚胎的早期形态发育影响较小。
雏鹌鹑性能
对孵化后25日龄的鹌鹑进行分析发现，LPS攻击显著增加了脾脏的相对重量，反映了免疫系统的激活。然而，孵化温度（无论是对照还是高温）对雏鹌鹑的体重、心脏重量、脾脏绝对重量及肠道长度等性能参数均无显著影响。这表明，尽管胚胎期高温降低了孵化成功率，但对成功孵化个体的后期生长性能（至25日龄）未产生明显的持续性负面影响。
差异表达基因（DEG）鉴定
转录组分析揭示了截然不同的基因表达模式。在对照温度下孵化的鹌鹑，LPS攻击仅引起了41个基因的差异表达（22个上调，19个下调）。相比之下，在高温孵化条件下，LPS攻击引发了大规模的转录组重编程，共发现845个DEGs（405个上调，440个下调）。这清晰地表明，胚胎期高温处理极大地增强了肠道对后续LPS攻击的转录响应幅度。
对照温度下LPS攻击的效应
在对照温度组，LPS诱导的差异基因主要富集于细胞表面（如PDCD1LG2, ZPLD1）、胞外囊泡（如S100A12）等相关细胞组分，以及细胞因子结合（如IL1R2, IL18BP）和协同转运蛋白活性（如SLC5A12, SLC13A1）等分子功能。同时，一些参与氨基酸转运（如SLC25A13, SLC25A15）和核苷酸代谢（如GPD1, SAMHD1）的基因表达受到抑制。这表明在正常孵化条件下，肠道对LPS的反应相对克制，侧重于免疫调节和基本的代谢适应。
高温孵化下LPS攻击的效应
高温孵化背景下的LPS反应则表现出更广泛的转录重构。上调基因显著富集于多种生物过程，包括器官磷酸代谢、泛素依赖性蛋白质降解、GPI锚定蛋白生物合成等。在细胞组分上，这些基因主要定位在内质网及其亚结构、高尔基体、蛋白酶体核心复合物等。具体而言，涉及脂质代谢（LPCAT3, PANK3）、蛋白质加工与降解（ITCH, CUL4A, PSMA1, PSMA7）、内质网应激应答（ERLIN1, ERLIN2）以及囊泡运输（COPG1, CLTC）的大量基因被激活。与此同时，一系列与血管生成（VEGFC, FLT1）、细胞分化（SOX9, GATA2）、表观遗传调控（CHD4, DNMT3A）以及昼夜节律（PER2, CRY2）相关的基因表达被抑制。这种模式提示，在经历胚胎热应激后，肠道面对免疫挑战时，资源被更多地分配给即时的炎症反应、蛋白质质量控制和代谢支持，而一些长远的适应性功能，如组织修复和免疫记忆的形成可能被暂时搁置。
LPS调控的核心基因集
研究还发现了一组不受孵化温度影响、对LPS攻击做出保守应答的基因（共20个）。其中13个基因在两种孵化温度下均被LPS诱导上调，包括基质金属蛋白酶7（MMP7）、蛋白酶抑制剂3（PI3）、溶质载体家族6成员14（SLC6A14）等；另有7个基因被共同抑制，如线粒体融合蛋白1（MFN1）、脱氧核糖核酸酶1L3（DNASE1L3）等。这些基因构成了鹌鹑肠道应对LPS攻击的核心防御网络。
KEGG通路分析
KEGG通路富集分析进一步证实了上述发现。在对照温度+LPS组，花生四烯酸代谢通路被抑制。而在高温+LPS组，溶酶体通路和GPI锚定生物合成通路被显著激活，这与转录组数据中蛋白质降解和膜结构重塑的活跃状态相一致。
研究结论与意义
本研究得出结论：胚胎期高温孵化虽会降低鹌鹑的孵化率，但存活下来的个体在形态上未见显著异常。更重要的是，高温孵化深刻地改变了肠道对出生后LPS免疫挑战的转录应答模式。与对照孵化相比，高温孵化背景下的肠道响应从相对有限的免疫调节转向了一场大规模的、以先天免疫和代谢重组为特征的“风暴”，同时伴随着对血管生成、细胞分化和表观遗传调控等过程的抑制。这表明，胚胎期的热环境能够“编程”宿主的免疫表型，使其在面对挑战时倾向于发动更强的先天免疫反应，但这可能以牺牲部分适应性免疫和长期组织稳态为代价。
这项研究的意义在于，它从分子水平揭示了环境因素（孵化温度）与生物因素（病原挑战）在禽类生命早期相互作用的重要机制，深化了对“发育起源的健康与疾病”（DOHaD）理论在禽类中的应用理解。研究结果提示，在 poultry production（家禽生产）中，精细调控孵化条件可能成为塑造禽类终身免疫力和抗病能力的一种潜在策略，为改善家禽福利、减少抗生素使用提供了新的科学依据。该研究通过整合生理表型与多组学数据，为禽类环境生理学和免疫学领域贡献了宝贵的知识。
