畜禽母体营养对其子代性状的影响及其表观遗传调控机制

杨小璇，谢贤华，曾文惠，茹 盟，王玉洁，刘佳婷，曾庆节，梁海平，魏 庆，殷 超，黄建珍

(江西农业大学 动物科学技术学院，江西 南昌 330045)

现代经济飞速发展，人们对于畜禽产品品质的要求逐渐提高。因此，在畜禽养殖行业，获得品质优良的畜禽已成为各养殖户所追求的目标。这一目标的达成，主要任务就是确保畜禽子代的正常生长发育；而子代初期获得良好的生长发育，才能确保子代成长过程中的各项指标稳定发展，从而获得优良的品质，增加社会经济效益，满足人们的需求。

早期的研究发现，子代初期的生长发育，不仅受到自身遗传基因及其生活环境等因素的影响，母体效应也在一定程度上对子代性状造成影响。近年来，母体效应已然成为探讨母体与子代性状关系的研究热点，其在畜禽中广泛存在。研究表明，生命早期的母体营养环境会对子代初期的生长发育以及成年后的能量代谢等产生长期而持久的影响，这种影响体现在机体的形态学、细胞水平以及分子机制等各个方面。

母体营养是母体效应发挥作用的一种重要方式，对母体合理提供营养物质是子代后期发育的基础，是获得优良子代性状的关键。母体的营养水平与子代性状息息相关，母体摄入的营养物质主要包括蛋白质、碳水化合物、脂类、微量元素和维生素等，国内外已有大量研究通过对母体摄入的营养物质进行基因表达调控，分析其对子代性状的影响。

现将畜禽母体营养对子代性状的影响及其表观遗传分子机制的研究进展进行综述，为如何合理供给母体营养从而获得优良的子代性状提供参考价值。

1 母体效应研究进展

母体效应指的是子代畜禽的某些外貌特征、生理性状及生产性能受其母体直接影响的一种生理现象。ZELEZNIK等[1]研究也表明，母体能够以一种特定的途径直接影响子代的组织结构、繁殖能力、物质和能量交换功能等。

母体效应在无脊椎动物和脊椎动物都有相关的证据证明[2-3]，且机体中抗体、激素分泌、胎盘的渗透性等现象都与母体效应有一定的关系[4]。因此，母体效应是研究母体和子代性状关系中应当考虑的关键因素。

母体效应能够趋使物种的进化，它可以通过控制某一特征的进化来影响其他特征的进化，甚至可使进化的方向与自然选择的方向相反，并且在自然选择停止后，也能引起特征进化的发生[3]。

母体效应发挥作用的途径十分广泛，主要包括摄取母体养分、细胞质遗传、出生前血液的供给等方式[5]。其中，FALCONER等[6]着重指出，母体营养对子代出生前后性状有重要的影响，是母体效应发挥作用主要的途径。

母体效应受多方面因素的影响，除了自身遗传基因的影响外，还与其生活的环境(饲料营养、气候条件与卫生防疫等)存在非常紧密的联系。其中，母体效应的主要影响因素包括非营养因素和营养因素。

1.1 母体效应的非营养因素影响母体效应的非营养因素主要是光周期和激素。光期和暗期在昼夜周期中交替变换的时间称为光周期。母体能够向子代传递或提供光周期，从而影响子代的生长发育。郝仲萍等[7]对菜蛾绒茧蜂的研究得出母本的光周期经历会影响子代预蛹进入滞育的比例；刘力宽等[8]发现在一定情况下，母鼠可以向幼鼠传递光周期信息，从而影响子代雄体的繁殖；STESTON等[9]发现黑线毛足鼠母体处于哺乳期可以为其子代提供光周期信息。

激素是一种化学信息物质，由特定的内分泌细胞合成、储存与释放，然后通过血液循环抵达相应的组织器官，并与相应受体结合，进而发挥生物活性，调节细胞的代谢活动。激素作为动物体内调节生殖、生长发育、代谢能力的关键活性物质，对母体效应有显著性影响。戴春花等[10]指出母鼠体内一定的促黄体激素能够调控小鼠生殖器官发育的起始时间；管清华等[11]研究发现，母体瘦素水平可能以影响子宫内胚胎的发育的方式改变子代开始进行性发育的时间。

1.2 母体效应的营养因素影响母体效应的营养因素主要是氨基酸、葡萄糖、脂肪酸、微量元素、维生素等。母体营养指母体在妊娠期和哺乳期对氨基酸、葡萄糖、脂肪酸、微量元素、维生素等营养的摄入情况，反映母体的营养状况。因此，母体在妊娠期和哺乳期要摄取足够的营养物质，并提供给胚胎和胎儿，进而促进子代的发育。在胎儿发育的关键时期，胎儿需要通过脐带连接的胎盘吸收母体提供的均衡合理的氨基酸、葡萄糖、脂肪酸、微量元素、维生素等营养物质。FALCONER等[6]强调，母体营养是母体效应发挥作用的主要方式，母体营养水平会对子代的性状造成较大影响。

1.2.1母体营养的缺乏 母体营养的缺乏，会导致胎儿发育的延缓，严重时会造成胎儿生长发育缺陷，甚至生长停滞，胎儿的器官或组织会出现永久性损害，即使在胎儿后期提供高质量的营养也难以恢复胎儿的健康发育。NOGALES等[12]试验发现，母鼠硒源摄取不足，不但会降低子代的存活率，而且会阻滞子代的正常发育；谭星宇等[13]发现，母鼠妊娠期内不能摄取足够的营养物质，会影响其子代肺通气的功能；KOCAMI等[14]指出母鸡视黄醇含量若不能从日粮中得到补充，则会影响胚胎心血管系统和淋巴系统的正常发育。特别是母体妊娠期膳食中蛋白质的摄入，对胚胎生存、生长和发育起到决定性作用，由于缺乏对细胞代谢和功能至关重要的特定氨基酸，母体膳食蛋白质摄入量低可导致胚胎丢失、子宫内生长受限和产后生长减慢：刘秀娟[15]以梅山猪为动物模型研究发现，母猪在仔猪出生前后减少蛋白质的摄入，断乳期仔猪会出现体质量和肌肉质量下降的现象。

1.2.2母体营养过剩 母体营养过剩，会导致子宫内环境发生改变，对胎儿的组织器官、代谢能力和机体功能都会造成不利的影响，若所摄入的能量比机体消耗的能量多时，多余的能量就会以脂肪的形式在体内储存，进而影响胚胎的发育，致子代可能出现非酒精性脂肪肝、糖尿病等多种代谢病。VOLPATO等[16]提出，母体高脂日粮可使后代体质量和脂肪肝质量增加，还会造成脂肪细胞的肥大和胰岛素抵抗等；有研究表明，给妊娠期的母鼠饲喂过量的高热量日粮，其胎儿大脑的中枢神经系统会异常发育，导致产出的子代会更倾向于采食高热量的食物，因此影响其大脑神经环路，出现能量代谢功能的紊乱，影响能量正常的分解和合成，出现能量代谢障碍性疾病[17]。也有研究表明，母体饲喂高脂日粮，会对胎儿大脑的发育和神经发育造成影响[18]。

综上，母体在妊娠期和哺乳期营养不良，包括营养缺乏和营养过剩，会对后代的发育、机体组成和代谢产生负面影响。这种影响早在出生前就可以观察到，通常会持续到出生后直至成年。有数据表明，这对畜牧业生产产生了长期的负面影响。通过以上相关的研究证明，母体营养不良会损害肌肉生长，增加脂肪组织，并对肝功能等产生负面影响，除此之外，关键代谢因子的变化，如葡萄糖浓度增加、对胰岛素不敏感和高瘦素血症等都能被观察到，所以，生产养殖中应摄入合理的营养，以防止对其子代的生长发育产生不良的影响。

2 畜禽母体营养对其子代性状的影响

畜禽母体营养对子代生产性能、代谢性能、免疫能力等子代性状起着至关重要的作用，母体可通过胎盘、乳汁或禽蛋等途径将子代发育所需的营养物质传递给子代。

2.1 畜禽母体营养对其子代生产性能的影响生产性能是指畜禽最经济有效地生产畜产品的能力。大量研究表明，子代生产性能与母体摄入的基础日粮所含的营养物质有关，妊娠期母亲营养的摄入量的不同会导致胎儿早期发育过程中肌肉生长的改变，这种改变会持续到整个胎儿发育阶段。GAUVIN等[19]通过使用免疫组化方式显示，限制和过度喂食妊娠期母体会对后代的肌源性祖细胞(PAX7+)产生负面影响，其中母体饮食改变的20个基因均广泛参与神经支配和表观遗传调控，并以肌肉依赖的方式改变RES和OVER子代初级或次级纤维的数量。万海峰[20]在母猪妊娠期内饲喂添加β-羟基-β-甲基丁酸(HMB)的日粮，发现仔猪肌纤维数量有所增加，进而使子代的肉质得到改善。另一方面，禽蛋中所含的营养物质也会直接影响其子代初期的生长发育，其中很大程度上会影响子代肌肉的品质。陈宇星[21]研究发现，在藏种母鸡的基础日粮中添加甜菜碱，其子代的体质量显著增加；张艳云[22]以含不同能量的日粮饲喂母鸡，结果显示，低能量饲喂更利于改善子代肌肉品质；左旭冬[23]研究证明，种鸡日粮添加植物甾醇酯，蛋内胆汁酸的含量会增加，进而改善子代母鸡的肌肉品质。这说明，子代畜禽的生产性能，从繁殖性能、育肥性能、胴体性状到各系统、组织至各类生化反应都受母体营养的影响，其营养的代谢和平衡在很大程度上影响了生化反应的平衡，从而对畜禽的生产性能产生影响，因此母体营养的合理摄入是保障畜禽子代良好生产性能的关键要素。

2.2 畜禽母体营养对其子代代谢性能的影响代谢性能是有机体内以一系列化学反应维持生命的能力，畜禽通过代谢进行生长发育和繁殖后代，对内外环境的变化作出反应以保持自身内环境的稳态。其中母体妊娠期和哺乳期的日粮中糖脂含量的供应对子代糖脂代谢影响的研究有大量报道。姜丹[24]通过减少AA肉种鸡的能量供给，发现子代胚胎的脂肪代谢受到影响，并证明产生了母体效应；GUAN等[25]研究发现，对母鼠进行长时间的营养限饲，会增加其子代体内脂肪的含量；近期，古兰等[26]通过用高脂肪膳食组和正常膳食组分别饲喂受孕后的雌鼠，并用40%的脂肪饲料成功建模，结果得出高脂肪饮食的母鼠其子代空腹血糖(FBG)、空腹胰岛素(FINS)、胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)、甘油三酯(TG)均高于正常仔鼠，而胰岛素敏感指数(ISI)降低，表明母体高脂肪饮食暴露会引起子代糖脂代谢异常。以上试验结果证实，妊娠期和哺乳期是影响其子代发育的敏感期，在该时期改变母体日粮中的糖脂含量会影响子代糖脂代谢，并程序化地改变子代成年后的代谢。目前除糖脂以外，其他营养因素影响子代代谢性能的研究相对较少，其影响子代代谢的机制也待进一步研究。

2.3 畜禽母体营养对其子代免疫能力的影响母体营养作为早期生命发育的重要环境因素，母体所摄入的营养会导致子宫内环境的改变，极端的子宫内环境会导致子代出生后成长缓慢，其对胎儿的免疫功能也能产生一定的影响[27]。林慧等[28]通过试验证明，妊娠期摄入营养物质过剩导致的宫内营养过剩，会造成子代脐血中的单核细胞对脂多糖的免疫应答功能受损。OSORIO等[29]通过试验数据证明，在母牛在产犊前最后3周过度饲喂高能量日粮会引发发育效应，引起的子宫内内分泌环境和初乳营养成分的改变从而会影响犊牛的代谢指标和初乳喂养后血液中性粒细胞吞噬能力，因此，通过设计母体所需的营养补充品来强化初乳，以此提高犊牛的免疫能力是可行的。另外，REYES-CAMACHO等[30]通过在高产母猪饲粮中添加1 g/kg 植物活性物质(PA)，提高了产活仔数，并改善了初乳和乳的组成和生物活性，以及哺乳仔猪肠道健康基因表达。

3 畜禽母体营养的表观遗传分子机制

畜禽母体营养物质不仅对其子代性状产生影响，还可以通过表观遗传分子机制对机体的各项机能进行一定的调节，其中最重要的阶段之一就是胚胎期，它是细胞分化和器官发育的关键时期，该阶段最容易因母体营养而影响表现遗传的建立，进而影响子代出生后的生长发育。DNA甲基化和组蛋白修饰是表观遗传分子机制中最经典的调控方式，也是畜禽母体营养程序化过程中对基因调节的主要途径。越来越多的证据表明，母体的营养状况可以通过DNA甲基化和组蛋白修饰等基因表达稳定改变胎儿基因组的表观遗传状态，这可能为母体营养在胎儿编程和基因组印记中的作用提供了分子机制[31]。因此，母体营养对子代功能基因的表达和调控起到重要的作用，最终调控子代的生长发育与能量代谢。

3.1 畜禽母体营养对其子代DNA甲基化的影响DNA甲基化是畜禽动物研究最密集的表观遗传修饰之一，在正常细胞中，它保证了基因表达的适当调控和基因沉默的稳定。DNA甲基化与组蛋白修饰有关，这些表观遗传修饰的相互作用对通过改变染色质结构来调节基因组功能至关重要。叶酸、维生素B12、甜菜碱、胆碱和蛋氨酸等营养素都能作为甲基基团供体直接影响DNA甲基化，从而密切影响子代的生长发育。因此，母体妊娠期摄入的营养物质含量和种类的不同都可能导致胎儿关键基因发生不同程度的甲基化，进而影响子代初期的生长发育甚至可能影响整个生命期。

3.1.1畜禽母体摄入日粮中的蛋白质含量对其子代DNA甲基化的影响 蛋白质是最重要的生物大分子之一，几乎参与了机体生命的各个过程，如信息传递、能量加工和物质代谢等。母体蛋白质摄入水平可能影响胎儿基因组的完整性，并改变DNA甲基化和基因表达。大多数氨基酸是由母体通过胎盘的主动运输提供给胎儿的。如蛋氨酸作为膳食甲基供体，在DNA甲基化和机体单碳代谢中发挥着重要作用：REES等23向妊娠期母体的日粮中添加9%酪蛋白，其子代肝脏内源DNA甲基化水平显著高于日粮中添加18%酪蛋白的对照组，添加苏氨酸后甲基化水平进一步提高[32]，苏氨酸的循环水平下降是由于甲硫氨酸转硫产生的高半胱氨酸代谢途径活性增加的结果，由此可见，蛋氨酸代谢的改变增加了同型半胱氨酸的产生，而母体同型半胱氨酸的增加可能使胎儿DNA甲基化发生变化，进而影响胎儿的发育，导致成年后出现葡萄糖耐受不良和高血压等疾病。此外，通过减少母体日粮中的蛋白质水平，对胎儿和新生子代的生长发育也起到重要影响：LILYCROP等[33]在大鼠模型中证明，减少妊娠期大鼠日粮中的蛋白水平，会使其子代断奶后的肝脏中糖皮质激素受体与过氧化物酶体增殖物激活受体基因启动子上的甲基化程度下降；LI等[34]通过减少妊娠期母鼠日粮中的蛋白水平，发现其新生小鼠肝脏中IGF-2基因印记控制区(ICR)甲基化水平会增加，甲基转移酶与IGF-2基因表达也显著上调；SOHI等[35]限制大鼠妊娠期和哺乳期日粮中的蛋白水平，会增加子代成年后肝脏中CYP7al启动子上H3K9甲基化程度，从而导致肝脏CYP7a1基因和蛋白表达下降，肝脏中的胆固醇含量升高；JIA等[36]在母猪妊娠期饲喂低蛋白日粮，会造成子代G6PC基因出现低甲基化。

3.1.2畜禽母体摄入日粮中的脂肪含量对其子代DNA甲基化的影响 DNA甲基化在胎儿的发育上起着关键性作用，母体的饮食中的脂肪含量会影响甲基供体的丰富程度，而直接影响其后代的表观基因组[37]。有研究表明，母体因饮食造成超重或肥胖，其子代有更高的死胎风险，对子代的影响会持续到其成年，增加成年后子代患癌、Ⅱ型糖尿病病、心血管疾病和高血压等疾病的风险。事实上，很多研究已经证明，母体饮食造成的肥胖会改变子代生长发育关键过程中的相关基因的甲基化[38]。非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一种与肥胖相关的重要共发病，也是脂肪肝的前兆，然而对母鼠妊娠期摄入营养导致的NAFLD的研究还较少，WANKHADE等[39]通过研究发现，饲喂母鼠高脂日粮会增加子代患脂肪肝的易感性，并发现其与表观遗传和微生物组改变有关，其中包括关键发育基因的DNA甲基化发生改变，肠道菌群组发生显著变化。KELEHER等[37]采用交叉培养设计，高脂与低脂分别饲喂雌鼠，再与低脂饲喂的雄鼠交配，其子代在断奶后分别饲喂高脂和低脂日粮，结果显示母体的高脂饮食加剧了高脂饲喂子代雌鼠的肥胖，导致其成年后体质量增加，血清瘦素水平更高，同时其肝脏和心脏中出现数千个DNA甲基化变化，虽然子代受断奶后自身饮食的影响更大，但母体的饮食会造成持续到子代成年的表观遗传影响，而在雌鼠身上，这些影响还伴随着与肥胖和糖尿病相关的表型变化。虽然目前已经有母体摄入高脂饮食相关的表观遗传变化的较全面研究，但在这些表观遗传变化和其潜在的促进疾病的易感性途径等机制方面仍有大量的研究空间。

3.1.3畜禽母体日粮中的维生素含量对其子代DNA甲基化的影响 维生素是DNA甲基化单碳基团的主要来源，因哺乳动物的发育十分依赖DNA甲基化，所以因维生素的摄入量的变化，以调节DNA甲基化有关的研究尤为重要，这是对发育障碍和包括癌症在内的慢性病的机制研究。研究证明，母体维生素的缺乏将会通过影响子代甲基化水平，从而影响子代机体细胞的增殖与分化，叶酸是保证机体细胞形态和功能正常的重要物质，它参与了机体细胞的生长和繁殖，同时能够影响体内DNA甲基化的过程，通过表观遗传分子机制影响机体神经系统生长发育。研究表明，适量服用叶酸能提高基因组DNA的甲基化状态，但其影响并不一定适用于全部组织[40]。李毅[41]在母猪怀孕的前6个月饲喂叶酸缺乏饲料，发现其初生仔猪的骨骼肌肌纤维数目均低于正常饲料组，分析原因可能是妊娠期母猪的叶酸缺乏，影响了基因启动子区CPG位点特异性甲基化水平，从而影响MyoD和Myogenin的表达，该结果表明，母体日粮中叶酸的含量能够影响C2C12细胞的增殖与分化。另外，循环中的维生素D水平可以通过转录调节或其他机制影响DNA甲基化，母体妊娠期的缺乏维生素D也会影响胎儿及新生子代的生长发育，且研究证明新生子代的多种过敏性疾病与维生素D缺乏有关，维生素D通过改变甲基化转移酶活性，从而影响基因启动子甲基化水平[42]：魏真真[43]通过从孕前限饲维生素D，使母鼠妊娠期体内维生素D水平显著下降，造成其子鼠维生素D水平也显著下降，导致IFN-γ启动子区甲基化率显著增加，从而改变了大鼠Th1/Th2细胞比例平衡状态，影响了机体的免疫应答模式，出现过敏性疾病。

3.1.4畜禽母体日粮中的矿物质元素水平对其子代DNA甲基化的影响 矿物质元素是畜禽机体所需的营养要素之一，通过在畜禽母体日粮中添加含矿物质元素的营养性饲料，能影响子代免疫系统的机能。有研究证明，在母体日粮中添加适量的矿物质元素对子代免疫器官的发育和免疫屏障功能都发挥着重要的作用。EMMA等[44]研究发现，在小鼠妊娠期的高脂日粮中添加硒元素，会造成子代小鼠肝脏中的全部基因组DNA甲基化水平显著降低；李昌武等[45]研究发现，肉鸡中添加适量的矿物质锌，能影响子代鸡的蛋白A20基因的表观遗传修饰，从而缓解脂多糖(LPS)诱导的肠上皮细胞NF-κB信号通路的激活，促进子代肉鸡的肠黏膜免疫机能，以上试验证明母体摄入的有机锌能促进A20基因的甲基化。

3.2 畜禽母体营养对其子代组蛋白修饰的影响组蛋白修饰是转入后最重要的修饰之一，这种甲基化是由组蛋白甲基转移酶(HMT)催化的，该酶以s-腺苷蛋氨酸(SAM)为底物将甲基转移到组蛋白的赖氨酸残基上，组蛋白的赖氨酸残基可以是单甲基化、二甲基化和三甲基化(分别是me1、me2和me3)，作为基因表达的活性或抑制性标记，一般认为H3K4、H3K36、H3K79是活跃标记，它们占据染色质中活跃转录的基因区域，H3K9、H3K27和H4K20是一种抑制标记。MEHEDINT等[46]在研究中发现，在妊娠后期的大鼠日粮中去除胆碱，会导致其子代鼠脑内的组蛋白H3K9甲基化程度下降；VO等[47]通过试验首次证明，在母鼠的妊娠期和哺乳期进行蛋白限制，会增强子代成年后肝脏糖异生基因表达，导致葡萄糖耐受量不良，其原因是肝脏X受体α(LXRα)转录启动子区的DNA上缠绕组蛋白 H3K9乙酰化；因母体日粮的蛋白水平能显著影响仔猪肝脏羟甲基成二酸单酰辅酶A还原酶(HMGCR)的表达。黄燕平[48]在妊娠期和泌乳期的母体日粮中添加丁酸，会引起子代成年鼠骨骼肌肌内脂沉积，这可能是由于骨骼肌中脂肪形成的作用增强以及脂肪分解作用的减弱，其中的代谢调控机制与参与脂肪形成相关因子启动子区显著升高的组蛋白乙酰化富集水平有关。王金泉[49]研究发现，改变母体日粮中蛋白水平，会对仔猪背最长肌、腰大肌的MyHC Ⅱb基因启动子区的组蛋白修饰造成影响，而DNA甲基化状态则未受影响。

另外，在不同时期对母体进行蛋白限饲也会对组蛋白乙酰化产生影响：SOHI等[35]在大鼠的哺乳期降低了日粮中的蛋白水平，发现其子代成年后肝脏CYP7a1基因启动子区的组蛋白H3乙酰化水平降低，导致CYP7a1基因的表达水平降低，从而增加肝脏和胆固醇含量，而对妊娠期母鼠进行蛋白限饲的子代成年后肝脏组蛋白H3乙酰化水平没有发生改变，其肝脏和胆固醇的含量也没有变化。正是这一发现表明，在低蛋白饮食衍生的子代中观察到的胆固醇增加是由于Cyp7a1启动子永久性抑制翻译后组蛋白修饰。此外，这也是首次证明母体营养不良通过表观遗传机制导致子代长期的胆固醇失调。

4 结论

综上所述，母体营养水平会对子代性状造成一定的影响，尤其应注意在母体妊娠期和哺乳期采用合理营养饲料进行饲喂。就目前的研究表明，母体摄入的各类营养物质对子代各方面的生长状况影响基本明确，但母体在摄入营养物质后对子代性状影响的具体作用机制的相关研究还较少，且目前大部分的试验均只对一种或一类营养物质进行研究，多种营养物质的搭配使用以及相互之间的作用效果还有待进一步探讨；另外，在表观遗传的分子机制中，以往的研究主要集中在DNA 甲基化的修饰上，而对组蛋白修饰及非编码RNA调控等方面的研究较少，畜禽母体营养影响子代基因表达的表观遗传的分子机制仍须加以研究。因此，为更好地改善子代性状，从而使子代更优地生长发育，并增加畜禽养殖的经济效益，还需从畜禽母体摄入的营养搭配和其表观遗传分子机制等方面更加地深入研究母体营养对子代性状的影响，为提高畜禽生产力带来新的思路。