《Biology》：Mechanisms Underlying Drought Adaptability in Duolang Sheep Based on Metabolomic and Transcriptomic Analyses
Bingjie Jiang,
Bin Chen,
Yaling Yang,
Yong Chen and
Wujun Liu
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本文通过血清生化指标、非靶向代谢组学与转录组学等多组学整合分析，系统解析了新疆干旱区多浪羊适应干旱环境的分子与代谢调控网络，为挖掘抗逆基因和品种遗传改良提供了理论依据。
1. 引言
动物的环境适应性是生物多样性形成和物种进化的重要驱动力，研究其内在机制对于家畜管理及抗逆品种选育具有关键理论意义。新疆作为中国典型的干旱与半干旱区，其南部与北部生态环境差异显著。多浪羊是新疆喀什地区优质的肉脂兼用地方品种，以其耐粗饲、抗逆性强、肉质鲜美、脂肪沉积均匀且无膻味等特点，成为研究动物对干旱环境适应的理想模型。本研究通过整合血清生化、非靶向代谢组学与真核参考转录组学分析，旨在揭示新疆南部（干旱区）与北部（相对湿润区）多浪羊在应对干旱胁迫时关键的生理、代谢与基因表达变化，为挖掘其抗逆相关基因及品种遗传改良提供理论基础。
2. 材料与方法
实验于2024年12月至2025年1月期间，在新疆阿克苏（南部）和乌鲁木齐（北部）选取了30只健康的一岁龄雄性多浪羊。所有实验羊在一致的饲养管理条件下进行。屠宰前禁食24小时，禁水2小时后，采集血液及尾脂、肾周脂、肺、肝、肾等组织样品，分别用于血清生化指标测定、代谢组学和转录组学分析。
3. 结果
3.1. 血清生化指标分析
对比分析显示，南部多浪羊的血清谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、白细胞介素-2（IL-2）和免疫球蛋白G（IgG）水平均极显著高于北部羊群（p < 0.01）。这表明南部羊在干旱环境下，其抗氧化能力和免疫功能（包括细胞免疫和体液免疫）显著增强，以应对由干旱引发的氧化应激和潜在病原体威胁。
3.2. 非靶向代谢组学分析
通过对肾周脂和尾脂组织的代谢组学分析，在南部与北部羊群比较中，分别鉴定出319个和225个差异代谢物。关键差异代谢物及其富集的通路包括：
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二十碳五烯酸（EPA）：在“不饱和脂肪酸生物合成”通路中显著下调，表明南部羊可能通过抑制脂肪酸从头合成、促进脂肪酸β-氧化来调整脂质代谢，减少脂肪沉积，以应对干旱胁迫。
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胆碱：在“甘油磷脂代谢”通路中上调，其作为甲基供体参与能量代谢调控，可能通过增强磷脂合成来维持细胞膜稳定性和缓解氧化应激。
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L-丝氨酸与谷胱甘肽：在“辅因子生物合成”通路中均上调。L-丝氨酸可作为谷胱甘肽合成的前体，二者共同增强了机体的抗氧化防御系统。
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牛磺酸：在“硫代谢”通路中上调。牛磺酸具有强大的抗氧化、抗炎及稳定血糖和脂质代谢的功能，有助于南部羊在干旱条件下维持氧化还原平衡和能量稳态。
3.3. 真核参考转录组学（RNA-seq）分析
对肺、肝、肾组织的转录组分析揭示了南部与北部多浪羊在基因表达上的显著差异。关键差异表达基因包括：
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CD14 与 DUSP2：富集于“MAPK信号通路”。CD14下调可能有助于防止过度炎症反应，而DUSP2上调则可能通过抑制MAPK通路来抑制脂肪生成，减少脂肪堆积。
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FGF21：富集于“产热”通路，表达上调。该基因能促进脂肪酸氧化、抑制脂肪生成，是调控能量代谢的关键应激激素，有助于南部羊在干旱条件下维持能量供应。
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GOT1：富集于“精氨酸生物合成”通路，表达下调。该基因参与维持细胞在胁迫下的功能，可能通过减少活性氧（ROS）产生和参与二氧化硫（SO2）合成来提供细胞保护。
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AACS：富集于“丁酸代谢”通路，表达上调。该酶参与酮体利用和脂肪酸合成，其上调可能抑制脂肪细胞分化，是调控脂肪沉积的重要基因。
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AVPR2：富集于“加压素调节的水重吸收”通路，表达显著上调。这直接表明南部多浪羊肾脏的水分重吸收能力增强，是其适应极端干旱环境、维持体液平衡的核心分子机制之一。
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差异代谢物表达谱与KEGG通路富集分析结果直观展示了南部与北部羊群代谢层面的显著差异。
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3.4. 整合分析结果
构建关键候选代谢物与基因的相关性矩阵，揭示了它们之间的功能联系。例如，下调的EPA与下调的CD14（MAPK信号通路）和GOT1（精氨酸生物合成）呈显著负相关，但与上调的AVPR2（水重吸收）呈显著正相关。富集于硫代谢的牛磺酸与MAPK通路相关的DUSP2和AVPR2呈显著负相关。CD14与辅因子生物合成通路的谷胱甘肽呈显著正相关。这些关联性分析表明，南部多浪羊的干旱适应性是代谢重编程与基因表达调控协同作用的结果，涉及能量代谢、氧化应激抵抗和免疫调节等多个方面的精密调控网络。
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差异表达蛋白的蛋白质-蛋白质相互作用网络图显示了核心调控蛋白之间的相互作用关系。
4. 讨论
4.1. 血清生化指标的差异
血清GSH-Px、IL-2和IgG水平在南部羊群中显著升高，这共同指向一个核心适应策略：在干旱环境下，多浪羊通过增强抗氧化防御系统和激活特异性免疫应答（包括细胞免疫和体液免疫）来抵御氧化损伤和病原体入侵，从而维持机体稳态和健康。
4.2. 代谢物差异分析
代谢组学揭示，南部羊通过下调EPA来抑制脂肪合成、促进脂肪分解与氧化；上调胆碱以增强甲基供体活性，参与能量和膜磷脂代谢；上调L-丝氨酸和谷胱甘肽以强化内源性抗氧化系统；上调牛磺酸以发挥其抗氧化、抗炎及稳定代谢的综合保护作用。这些代谢物的协同变化构成了应对干旱胁迫的第一道防线。
4.3. 差异基因功能分析
转录组学从基因调控层面证实了上述适应性。MAPK信号通路相关基因CD14（下调）和DUSP2（上调）的差异表达，调控了免疫应答和脂肪生成，防止过度炎症并减少脂肪积累。FGF21（上调）作为代谢调节激素，促进产热和脂肪酸氧化，抑制脂肪生成。GOT1（下调）可能与减少ROS产生、提供细胞保护有关。AACS（上调）抑制脂肪细胞分化。尤为关键的是，AVPR2（上调）直接增强了肾脏对水分的重吸收能力，这是动物在干旱条件下保水的最直接分子适应。
4.4. 综合分析
综合多组学数据，南部多浪羊应对干旱胁迫的核心机制可归纳为两个方面协同作用：一方面，通过调控以EPA、FGF21、AACS等为核心的能量与脂质代谢通路，优化能量供应模式，减少不必要的脂肪沉积，将能量优先用于维持基本生命活动；另一方面，通过上调谷胱甘肽、牛磺酸、GSH-Px等抗氧化物质及相关基因，并精细调控CD14、DUSP2等免疫相关基因的表达，构建起强大的抗氧化和免疫防御体系，有效缓解干旱引发的氧化损伤和炎症风险。这两个方面共同作用，使得多浪羊能够在干旱的南疆环境中维持生理稳态，展现出卓越的环境适应力。
5. 结论
研究表明，适应干旱环境需要多浪羊在生理、代谢和基因表达层面做出系统性的协同调整。在生理层面，表现为抗氧化能力与免疫功能的增强。在代谢层面，通过EPA、谷胱甘肽、牛磺酸等关键代谢物的变化，调整脂质代谢流向，强化抗氧化防御。在基因层面，通过FGF21、AVPR2、DUSP2等关键基因的表达调控，促进脂肪酸氧化、增强肾脏保水能力、抑制脂肪生成并调节免疫炎症反应。这些分子与代谢层面的综合调整，共同构成了新疆南部多浪羊应对干旱环境的多层次适应机制，为深入理解动物干旱适应性及开展抗逆育种提供了重要的分子靶点和理论依据。
