加快破解農業生物遺傳基礎科學問題
——訪青年科學家項目負責人喬木

文丨本刊記者 郭鑫

民以食為天，保障國家糧食安全是關系我國國民經濟發展和社會穩定的全局性重大戰略問題。習近平總書記多次強調，要把農產品質量安全作為轉變農業發展方式、加快現代農業建設的關鍵環節，確保廣大人民群眾“舌尖上的安全”。

為加快破解農業生物遺傳基礎科學問題，提升設計育種能力，保障好“菜籃子”“肉盤子”等畜農產品穩定供給，2023年4月24日，由湖北省農業科學院畜牧獸醫研究所牽頭承擔的國家重點研發計劃——“基于全景組學解析豬腸道微生物調控肉質性狀形成的遺傳機制”項目啟動并舉行了實施方案論證會。

另辟蹊徑探索肉質性狀遺傳改良新路徑

“國內外以往在肉質性狀方面的研究主要從宿主的基因入手，雖然取得了一些進展，卻不能很好闡明肉質性狀形成的機制。微生物作為宿主的第二基因組，數量龐大、種類繁多，它們定植于宿主體內，在調節宿主生理機能、代謝和免疫功能等方面發揮著非常重要的作用，是影響豬健康和重要經濟性狀表型的重要因素之一。”項目負責人、湖北省農業科學院畜牧獸醫研究所研究員喬木介紹，通過研究腸道微生物對動物肌肉發育和脂肪沉積的影響，可以為肉質性狀遺傳改良提供新思路和新路徑。

豬肉是我國居民日常生活“肉盤子”中不可或缺的產品，隨著國民經濟的快速發展，以及人民生活水平的不斷提高，消費者對于優質豬肉的市場需求激增，而如何有效提高豬肉的品質也成為相關領域的研究熱點。近年來，有研究發現，在分別將金華豬和長白豬的糞菌移植至小鼠腸道中后,與長白豬糞菌受體小鼠相比,金華豬糞菌受體小鼠血清中甘油三酯和脂蛋白脂肪酶活性顯著增加,并且肌肉中脂肪代謝相關分泌蛋白angiopoietin-like4顯著上調。而脂肪型豬的菌群移植使得無菌小鼠肌肉中肌球蛋白重鏈7基因表達水平升高，肌球蛋白重鏈4基因表達水平降低,導致小鼠慢肌纖維的比例增多而快肌纖維的比例減少。這兩項研究分別表明腸道微生物可以影響脂質代謝，而腸道菌群可以影響肌纖維類型轉化。

據了解，肌纖維直徑、肉色和肌內脂肪（Intramuscular Fat，IMF）含量等是影響豬肉品質的重要因素。其中，IMF是指沉積在肌束和肌纖維之間的脂肪，一定程度上決定了肉的嫩度、風味和多汁性，是影響豬肉品質的關鍵因素之一。目前已知IMF在改善肉質方面主要有兩種途徑，一是在肌內脂肪氧化時通過溶解肌纖維束來提高肉的嫩度和多汁性；二是當肌內脂肪中含有較高水平的磷脂時，通過美拉德反應產生風味物質，進而改善肉質的口感。因此，通過研究腸道微生物對脂質代謝的影響，以及腸道菌群對肌纖維類型轉化的影響，可以幫助人們對肉質性狀的形成具有更加深入的了解。

當前，有關腸道微生物的研究正引起越來越多研究者的關注，但在相關領域內還存在很多亟待解決的問題。喬木表示，目前在關于腸道微生物的研究上，主要面臨四方面問題：一是以往對于豬腸道微生物與宿主性狀相關性研究主要圍繞微生物的空間變化和結構組成，以及微生物功能挖掘等方面，沒有考慮到二者的互作關系。二是在樣本采集方面通常是采集糞便，糞便樣本雖然能在某種意義上作為全腸道內容物的代表，但由于各腸段中微生物的結構組成和功能作用又有顯著的差異，這意味著使用糞便取代腸道內容物作為樣本進行研究存在著局限性。三是目前大多數實驗多采用不同品種豬進行對比，不能在實驗中完全消除遺傳背景的差異。四是在微生物篩選方面，大多采用16s rDNA的方法，只能測到屬的水平，不能具體到種的水平，且不能反應基因表達的差異。

基于上述問題，喬木帶領項目成員從不同發育階段，不同部位入手，開展多組學聯合，全面解析宿主基因與功能菌群及其代謝物在肌肉和脂肪的生長發育過程中的動態互作機制，從分子層面精細繪制豬肌肉發育及肌內脂肪沉積的宿主基因-代謝物-微生物動態調控網絡圖譜，全景式解析豬肉質性狀分子特征特性及遺傳機制。由于肉質性狀需要屠宰測定，難以進行活體測定，使得遺傳改良進展緩慢，亟需能有效提高選育準確性和育種效率的育種新技術。針對這一情況，項目組創建基于微生物、代謝標記物、基因組為一體的豬肉質性狀活體評估模型，在經歷一系列科技攻關后，實現了肉質性狀的早期、快速、精準的活體評估，進一步豐富了肉質性狀遺傳基礎研究，為肉質性狀遺傳改良提供理論與技術支撐，對優質豬產業健康發展具有重要意義。

“硒都黑豬”

目前，“硒都黑豬”豬種已通過國家畜禽新品種審定，實現了湖北省30多年來生豬國審品種“從0到1”的重大突破，在襄陽市、恩施土家族苗族自治州、神農架林區等地得到示范推廣，形成年出欄10萬頭的優質黑豬繁育體系,是優質黑豬養殖及高端優質豬肉生產首選種源。

自主培育奠定項目開展堅實基礎

“在豬種選取上，我們以國審生豬新品種‘硒都黑豬’為研究對象，對其腸道功能微生物在肉質性狀方面的相關影響進行研究鑒定，并構建肉質性狀活體估測模型，豐富肉質性狀遺傳基礎研究，為肉質性狀遺傳改良提供理論與技術支撐。”喬木介紹，該豬種前后歷經12年科研攻關，最終通過以全基因組育種為核心的“4.0”生物育種技術培育而成，是國內首個完全利用自有資源培育的優質豬新品種，為項目的順利開展打下了堅實基礎。

豬種選取是關系項目最終成果的重要基礎條件，為保障研究順利進行，喬木和組內成員以團隊自主培育的國審生豬新品種“硒都黑豬”為研究對象。該品種以湖北省地方豬種——恩施黑豬為基礎，引入梅山豬和湖北白豬等遺傳資源，充分結合了恩施黑豬適應性強、病少好養、肉質優良，梅山豬繁殖性能好，以及湖北白豬生長速度快、瘦肉率高等優點，對湖北省特殊的高（低）溫高濕環境以及山區環境表現出良好的適應性。目前，該豬種已通過國家畜禽新品種審定，實現了湖北省30多年來生豬國審品種“從0到1”的重大突破，在襄陽市、恩施土家族苗族自治州、神農架林區等地得到示范推廣，形成年出欄10萬頭的優質黑豬繁育體系,是優質黑豬養殖及高端優質豬肉生產首選種源。

“‘硒都黑豬’瘦肉率53.12±2.34%，肌內脂肪含量3.45±0.32%，是肉質好、蓄脂能力強的優質豬種。我們在培育過程中，創新建立了以整合先驗信息的基因組選擇為核心的‘表型精準測定+多組學信息挖掘+遺傳評定信息分析’優質豬高效育種技術體系，為優質豬育種提供了理論與技術支撐。”喬木介紹，“硒都黑豬”在品種培育過程中實現了多方面創新，這也是它能夠作為項目研究對象的重要原因。

自2022年5月申報以來，項目組先后進行了預申報、正式申報、答辯等各項流程，最終成功獲批立項。作為“十四五”國家重點研發計劃，項目經歷了嚴格細致的申報審批環節，建立了項目主持人和任務負責人負責制、目標責任制、動態管理機制和成果權益分享機制等科學合理的管理機制，全力保障項目高質量實施。目前，項目已經順利啟動，并參加了“十四五”國家重點研發計劃生豬種業融合創新共同體交流會議，喬木及組內成員在會上就項目的目的意義、研究內容、管理方案與下一步工作計劃等進行了匯報。喬木表示，針對與肉質性狀相關的腸道微生物挖掘、鑒定與功能驗證是本項目研究的重點和難點，通過團隊成員的不懈努力，目前已積累的腸道微生物分離鑒定經驗，能夠保障項目的順利實施。接下來，將進一步加強項目管理，加大人才培養，提高經費使用監管力度，積極推進項目進度，努力把項目做深做強。

作為青年科學家項目，喬木此次獲得的國家重點研發計劃青年科學家項目資助，也是湖北省屬單位青年科學家首次獲批立項。喬木表示“國家通過這一系列政策、項目和基金的支持，讓青年科學人員邁上了更加廣闊的舞臺，進一步增強了科研自信。項目成員將持續圍繞國家需求，堅持問題導向，不斷為現代農業建設發展貢獻更多力量。”