《Animals》：Integrated miRNAs, Transcriptome, and Metabolome Uncover Underlying Mechanisms for Breast Muscle Metabolic Regulation in Liancheng White and Cherry Valley Ducks
Linli Zhang,
Xiaopan Liu,
Li Li,
Liang Huang,
Zhiming Zhu,
Zhongwei Miao,
Nenzhu Zheng and
Qingwu Xin
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本研究旨在阐明连城白鸭与樱桃谷鸭胸肉品质和营养价值差异的分子基础。为此，研究人员联合运用代谢组、转录组和miRNA-seq等多组学技术，系统比较了两个品种胸肌肉的代谢物、基因和调控网络。研究发现，连城白鸭富含氨基酸和胆汁酸，而樱桃谷鸭碳水化合物水平更高。研究鉴定出与代谢差异相关的关键差异表达基因（如SLC6A9、SLC7A6、SOCS3、CH25H）和调控miRNA（如oan-miR-1386）。这项整合分析为理解鸭肉品质形成的分子机制提供了系统性资源，并为旨在改善禽肉品质的分子育种策略提供了可验证的候选靶点。
你是否想过，为什么不同品种的鸭肉，有的适合炖汤，清甜不腻，有的则更适合烤制，肥美多汁？这背后不仅仅是烹饪方法的差异，更是其肌肉组织中营养成分和风味物质构成的根本区别。肉品质，是禽类重要的经济性状，直接影响着风味、口感和营养价值。连城白鸭作为一种“白羽、乌嘴、乌脚”的瘦肉型地方品种，以其熬汤醇香、不腥不腻而闻名，常被用作肉鸭杂交改良的亲本。而樱桃谷鸭则是全球广泛饲养的快大型肉鸭，以生长迅速、产肉量高著称。尽管此前有研究比较过它们在特定日龄下的部分风味物质，但对于300日龄“老鸭”这种常用于高品质汤品的阶段，其肌肉中系统性的代谢差异以及背后复杂的基因、miRNA调控网络，仍缺乏深入的理解。这限制了我们从分子层面精准改良肉鸭品质的能力。为了破解这一难题，由张琳莉、刘晓盼、李丽、黄亮、朱志明、苗忠伟、郑嫩珠、辛庆武组成的研究团队，在《Animals》期刊上发表了一项研究，他们运用前沿的多组学技术，对这两个品种鸭的胸肌进行了“全景式”扫描，试图揭示决定其肉质差异的深层分子密码。
为了系统揭示连城白鸭与樱桃谷鸭胸肌肉品质差异的分子机制，研究人员运用了多项关键技术。他们选取了300日龄的雌性连城白鸭和樱桃谷鸭各10只，采集胸肌样本构建了研究队列。核心技术包括：1) 非靶向代谢组学，利用超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）平台鉴定并定量肌肉中的代谢物，并通过多元统计分析筛选差异累积代谢物（DAMs）；2) 转录组测序（RNA-seq），对每个品种的三个生物学重复进行测序，以鉴定差异表达基因（DEGs）；3) 小RNA测序（miRNA-seq），构建小RNA文库进行测序，以鉴定差异表达miRNA（DE miRNAs）；4) 生物信息学整合分析，包括对DEGs和DE miRNAs的靶基因进行预测、功能富集分析（GO和KEGG），并构建miRNA-mRNA-代谢物共表达调控网络；5) 定量实时聚合酶链式反应（qRT-PCR），用于验证关键基因和miRNA的表达水平。
3.1. 鸭胸肌肉代谢物差异
通过非靶向代谢组学分析，研究人员在连城白鸭和樱桃谷鸭胸肌中共鉴定出65个显著差异累积代谢物。层次聚类分析热图显示，约四分之三的DAMs在连城白鸭肌肉中积累更高。这些代谢物主要分为氨基酸、肽及类似物（占36.92%），碳水化合物及碳水化合物结合物（10.77%）等类别。具体而言，连城白鸭肌肉中21种氨基酸（包括7种必需氨基酸和谷氨酸、甘氨酸等鲜味氨基酸）以及胆汁酸、牛磺酸衍生物（如牛磺胆酸、牛磺鹅去氧胆酸）的水平显著更高。相反，所有7种碳水化合物（如D-葡萄糖-6-磷酸、α-D-葡萄糖）均在樱桃谷鸭中上调。KEGG通路富集分析显示，这些差异代谢物显著富集于蛋白质消化吸收、ABC转运蛋白、氨基酸生物合成以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢等通路。
3.2. 差异表达mRNA的筛选
转录组分析共鉴定出465个差异表达基因，其中在连城白鸭中上调266个，下调199个。火山图和热图直观展示了这些基因的表达模式。
3.3. 差异表达mRNA的功能富集
GO功能分析显示，DEGs在“锌离子结合”、“ATP依赖活性”、“线粒体包膜”及“细胞发育”等条目中富集。重要的是，多个条目与观察到的代谢表型直接相关，如“L-氨基酸生物合成过程”、“氨基酸跨膜转运”（涉及SLC6A9, SLC7A6）和“碳水化合物代谢过程”。KEGG通路分析进一步发现，DEGs显著富集于细胞骨架、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢以及ABC转运蛋白等通路。此外，也筛选到与碳水化合物和胆汁酸代谢相关的通路，如“糖酵解/糖异生”（涉及HK2）和“初级胆汁酸生物合成”（涉及CH25H）。这些基因可能共同影响鸭胸肌中氨基酸、碳水化合物和胆汁酸的积累。
3.4. 差异表达miRNA的鉴定
小RNA测序共鉴定出1475个miRNA。以p值小于0.05和|log2(倍数变化)|大于等于1为阈值，筛选出111个差异表达miRNA，其中在连城白鸭中上调53个，下调58个。miRNA长度分布和类型比例图以及火山图、热图展示了测序质量和表达概况。
3.5. 功能注释与DE miRNA–DEG调控网络构建
通过预测DE miRNAs的靶基因并进行表达相关性分析（相关系数小于-0.3），研究人员构建了两个核心调控网络。一个是上调DE miRNA靶向下调DEG的网络，涉及11个miRNA和25个基因，形成35个相互作用对，其中mmu-miR-3065-3p被识别为核心枢纽miRNA。另一个是下调DE miRNA靶向上调DEG的网络，涉及9个miRNA和29个基因，形成33个相互作用对，其中oan-miR-1386呈现出最高的网络连接度。对这两个网络中DEGs的GO富集分析揭示了它们在“ABC型转运蛋白活性”、“溶质:钠同向转运活性”（涉及SLC6A9）、“细胞内pH调节”和“磷脂酰肌醇3-激酶复合物”（涉及SOCS3）等生物学过程中的显著富集。
3.6. mRNA–miRNA–代谢物共表达网络
将转录组和代谢组共同富集的KEGG通路、DEGs、DAMs以及DEmiRNA进行整合，构建了共表达网络。该网络包含11个miRNA和11个靶基因，涉及14条代谢通路。其中，oan-miR-1386被预测同时靶向SLC6A9和SOCS3两个关键基因。相关性分析显示，SLC6A9的表达与其底物甘氨酸含量呈显著正相关，而SOCS3的表达与α-D-葡萄糖含量呈强负相关。这表明oan-miR-1386可能作为一个多效性调节因子，通过调控SLC6A9（影响氨基酸代谢）和SOCS3（影响胰岛素信号和糖代谢），共同驱动了两个鸭品种间独特的肌肉代谢特征。
3.7. qRT–PCR验证
为验证高通量测序数据的可靠性，研究人员通过qRT-PCR对筛选出的6个DEGs和6个miRNA进行了表达验证。结果显示，这些基因和miRNA的相对表达变化趋势与测序结果完全一致，证实了组学数据的可靠性。
研究结论与意义
这项研究通过整合代谢组、转录组和miRNA组学分析，系统描绘了300日龄连城白鸭与樱桃谷鸭胸肌肉的代谢与分子调控图谱。核心结论是：连城白鸭肌肉以高水平的氨基酸（包括多种必需氨基酸和鲜味氨基酸）和胆汁酸为特征，这可能与其醇厚的汤味和营养价值相关；而樱桃谷鸭肌肉则富含碳水化合物及其代谢中间产物，这或许与其作为烤鸭原料时形成美拉德反应风味前体有关。
在分子机制层面，研究取得了多项关键发现：1) 鉴定出与氨基酸转运相关的基因（SLC7A6, SLC6A9）在连城白鸭中显著上调，为高氨基酸含量提供了可能的转运机制；其中SLC6A9表达与甘氨酸含量正相关。2) 发现碳水化合物代谢的关键负调控因子SOCS3在连城白鸭中上调，且与α-D-葡萄糖含量强负相关，提示其可能通过抑制胰岛素信号通路导致肌肉碳水化合物积累减少。3) 发现初级胆汁酸合成基因CH25H在连城白鸭中上调，与其高胆汁酸表型平行。4) 筛选出核心调控miRNA oan-miR-1386，其被预测同时靶向SLC6A9和SOCS3，从而可能在一个节点上协调调控氨基酸和碳水化合物代谢。5) 构建了涵盖miRNA、mRNA和代谢物的多层次共表达调控网络，为理解鸭肉品质形成的系统生物学机制提供了框架。
这项研究的意义在于，它超越了传统单一组学的局限，首次在“老鸭”阶段对两个具有显著肉质差异的鸭品种进行了多组学整合分析，不仅全面刻画了其代谢物特征，更深入揭示了背后潜在的基因和转录后调控网络。研究所鉴定出的关键差异表达基因（如SLC7A6, SLC6A9, SOCS3, CH25H）和miRNA（如oan-miR-1386），为鸭肉品质性状的分子育种提供了宝贵的候选靶点。这些发现构成了可验证的假说，为后续的功能研究（如在鸭肌原代细胞中进行基因敲除/过表达、代谢流分析等）指明了方向。最终，这些工作将有助于建立基于分子标记的辅助选择体系，加速培育兼具优良生长性能和卓越肉品质的新型肉鸭品种，对家禽育种产业和满足消费者对高品质禽肉的需求具有重要的理论和应用价值。
