**章 动物分子营养学与传统动物营养学
随着分子生物学、生理学、细胞生物学和动物营养学等的快速发展，人们对营养学的认识和研究深入分子水平，随之“分子营养学”这一概念在1985年由Artemis P. Simopoulos博士*次提出并使用。动物分子营养学是传统动物营养学与现代分子生物学、细胞生物学等有机结合产生的一门学科，是从核酸和蛋白质等分子水平探讨营养素与基因互作对动物生长、健康、代谢及产品品质的影响，并制订动物健康养殖的营养需要及调控策略等。本章主要对动物分子营养学概念及其与传统动物营养学关联做一概述。
一、动物分子营养学概念
随着近几十年来分子生物学的迅猛发展，基因工程、转基因技术、组学技术等现代生物技术已广泛应用于动物营养学研究，与动物生长、健康、代谢及产品品质等相关的众多关键功能基因相继被挖掘、克隆和鉴定，营养调控动物生长、健康、代谢及产品生产的分子机制得到深入解析，营养与基因表达间的互作调控成为研究的热点。动物营养学与现代分子生物学、细胞生物学、遗传学交叉融合发展，形成了动物分子营养学（animal molecular nutrition）这一交叉学科。
动物分子营养学是动物营养学与现代分子生物学原理和技术结合产生的一门学科，是在分子水平上研究动物营养学的一个新领域，是动物营养学研究的延伸和发展。该学科作为动物营养学的一个重要组成和分支，通过应用分子生物学技术和方法从分子水平上将动物营养学推至一个新层面、新领域，促进了动物营养学的发展。
动物分子营养学主要研究内容是：①营养对动物基因结构、表达和功能的调控；②基因表达和遗传因素对营养素消化、吸收、分布、代谢及生理作用的影响；③营养、肠道微生物、宿主互作机制与模式；④营养与基因互作对动物生长、健康、代谢及产品品质的影响及其机制，并据此提出相应的调控措施。具体来说，包括以下方面：①蛋白质营养、氨基酸营养、脂质营养、碳水化合物营养、微量元素、维生素等与动物基因表达调控；②营养代谢病的分子基础与防治；③关键信号通路［如腺苷磷酸活化蛋白激酶（AMPK）、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）、丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）、核因子κB（NF-κB）等］与营养吸收代谢调控；④表观遗传修饰（甲基化、乙酰化等）与营养吸收代谢调控；⑤肠道微生物与动物基因表达、肠道健康及营养吸收代谢调控；⑥畜禽产品品质（如肉品质、乳品质、蛋品质等）形成的分子营养调控。
动物分子营养学研究的目的与意义在于：①研究动物营养素缺乏、适宜和过剩等状况下的基因表达图谱，发现有用的分子标记物，从而确定动物的营养需要量和供给量；②从细胞、基因水平上解析营养对动物生长、发育、生产、生理、疾病等的影响及分子机制，阐明营养吸收代谢机制及其与基因表达的互作调控关系；③研究营养相关疾病的基因差异表达情况，阐明营养代谢性疾病的发病机制及制订相关防控措施；④利用分子生物学技术提高动物产品品质或生产动物源性功能物质；⑤利用分子生物学和基因工程等技术开发饲料资源。
二、动物分子营养学与传统动物营养学的关系
营养是有机体消化吸收食物并利用食物中的有效成分来维持生命活动、修补体组织、生长和生产的全部过程（陈代文和余冰，2020）。动物营养学是研究动物营养物质摄入与动物生命活动（包括生产）之间关系的科学（陈代文和余冰，2020）。动物营养学的主要任务是：①研究揭示动物必需营养物质的种类及其理化特性，弄清动物需要什么；②研究揭示必需营养物质在体内的代谢过程及其调节机制，弄清动物为什么需要；③研究探明营养摄入与动物健康和生产的定性定量关系，弄清动物需要多少；④研究揭示动物营养与人及环境之间的互作规律，弄清动物的需要对环境的影响；⑤研究制订动物在不同条件下对各种营养物质的需要量，构建动物生产的营养指南；⑥研究阐明影响营养物质利用率的因素，建立高效生态营养技术；⑦探索完善动物营养学的研究方法和手段，建立自身的方法学体系（陈代文和余冰，2020）。
然而，传统动物营养学绝大部分研究尚停留在动物机体水平，对营养与基因表达调控及互作、营养代谢分子机制、肠道微生物功能等方面的研究很少。传统营养学的局限及问题主要有：①重点关注投入产出。传统动物营养学关注养分摄入量和排出量，研究方法（如消化实验、代谢实验等）的原理均建立在投入产出关系上，对于养分代谢的中间过程并不清楚（陈代文， 2015）。②重点关注蛋白质、脂类、碳水化合物、维生素等营养素。传统营养学是建立在营养素基础上的体系，营养理论是营养素理论，营养需要是营养素需要，营养平衡是营养素平衡；对于营养素来源多样性、存在形式等没有研究（陈代文， 2015）。③细胞、分子水平的研究较少。传统动物营养学对动物机体营养吸收代谢的过程开展相关研究，绝大部分研究集中在动物机体水平。从细胞、分子水平上阐明营养物质吸收代谢和沉积分配的规律及机制，是动物营养学的发展方向。④忽略了肠道微生物。肠道微生物既可以为动物代谢过程提供底物、酶和能量，其代谢产生的脂肪酸等代谢物也可促进动物肠上皮细胞生长与分化等。
传统动物营养学与现代分子生物学、细胞生物学、遗传学交叉融合发展，形成了动物分子营养学。动物分子营养学是在分子水平上研究动物营养学的一门学科，是营养科学的组成部分，是传统动物营养学研究的深入。它不仅从细胞、分子水平研究动物营养吸收、代谢、分配、沉积与调控，还从细胞、分子水平深入探索动物营养现象的内在机制，这对营养学的发展至关重要。动物机体的生长发育、新陈代谢、遗传变异、病理变化等，本质上都是基因的表达、调控发生改变的结果。遗传、环境和营养等因素对动物生理、发育、代谢等的影响及调控，也离不开动物机体中相关基因及相关信号网络的参与。许多生理生命现象及其调控机制，*终需要在分子水平上阐释，如影响肌内脂肪沉积的因素主要包括品种、营养、环境等，这些因素对动物肌内脂肪沉积的影响及调控*终通过影响基因及其调控网络实现。所以动物营养学的研究应与现代分子生物学技术结合，从细胞、分子水平上揭示各种营养素对动物机体的影响及调控机制、动物机体的生理发育规律及病理变化等问题，这是动物营养学发展的必然趋势之一。
动物分子营养学的研究目标是揭示营养代谢与调控机制，用分子手段调控营养代谢的转化过程及效率。动物分子营养学系统研究营养与基因—蛋白质—代谢物组的互作关系及其对动物健康和生产的影响，主要任务是：①研究营养素对动物基因表达的影响及调控机制，深入解析营养素的生理功能；②研究营养素对基因结构、表观遗传修饰及稳定性的影响，解析营养素发挥作用的分子机制；③研究受营养素调控的功能基因、信号通路对机体营养素吸收、代谢的调控，从而通过营养素调控对健康有益基因的表达，抑制有害基因的表达，进而促进动物生长、发育、健康和生产；④研究基因多态性或遗传变异对营养素消化、吸收、分布、代谢的影响，促进营养素高效吸收利用；⑤研究营养性代谢疾病的分子遗传学基础和发生发展的机制，解析营养素对营养缺乏病、营养相关疾病和先天性代谢缺陷的干预及调控机制；⑥研究现代分子生物学技术在动物生产中的应用，如可以利用分子生物学技术从基因水平上改造或生产动物源性营养物质，提高动物生产性能和产品品质。
三、动物分子营养学的应用
动物分子营养学的应用包括：在细胞分子水平上研究营养与基因表达调控，利用分子生物学技术提高动物产品品质或生产动物源性功能物质，利用基因工程技术开发饲料资源等。
（一）在细胞分子水平上研究营养与基因表达调控
营养素对动物基因表达的作用特点是：一种营养素可调节多种基因的表达；一种基因表达又受多种营养素的调节；一种营养素不仅可对其本身代谢途径所涉及的基因表达进行调节，还可影响其他营养素代谢途径所涉及的基因表达；营养素不仅可影响细胞增殖、分化及与机体生长发育有关的基因表达，还可对致病基因的表达产生重要的调节作用。营养素可在基因表达的所有水平（转录前、转录、转录后、翻译和翻译后）上对其进行调节，大多数营养素对基因表达的调节发生在转录水平上。营养与基因表达的调控表现为两方面：①营养对基因表达的影响；②基因表达对营养的吸收、代谢和转化效率的影响。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin， mTOR）能感受营养信号，控制细胞内信使RNA（mRNA）的翻译及蛋白质转运、降解，在细胞增殖过程中发挥重要作用。氨基酸等营养物质可以调控mTOR信号通路相关基因表达，mTOR又可以介导氨基酸等营养物质吸收、代谢和转化。
（二）利用分子生物学技术提高动物产品品质或生产动物源性功能物质
转基因技术将外源基因引入动物的基因组中，以建立理想的性状（如获得较高的产奶量、瘦肉率和饲料转化率）。例如，过表达牛生长激素的转基因猪，生长速度和饲料利用效率显著提高，同时体脂肪和血浆胆固醇含量显著降低。用 CRISPR/Cas9编辑工具敲除猪、羊等动物的肌生长抑制蛋白基因（MSTN），增强了动物的肌肉发育。通过营养调控改善动物产品品质，是国内外研究的热点。例如，浙江大学汪以真教授团队开展了金华猪优质肉品质性状关键功能基因挖掘及营养调控机制研究，围绕金华猪优质肉品质形成机制，挖掘得到100余个金华猪优质肉品质性状相关功能基因，揭示了编码沉默信息调节因子1（SIRT1）、肝激酶b1（LKB1）、脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL）、生长停滞和DNA损伤诱导蛋白45α（GADD45α）等的关键基因调控动物糖脂代谢和肉品质形成的作用机制，并建立了营养靶向调控猪肉品质的策略。利用转基因技术建立动物生物反应器，可生产动物源性功能营养物质。例如，在乳腺中导入乳铁蛋白基因，可提高乳中乳铁蛋白含量；将人类溶菌酶基因插入现代动物分子营养学牛β-酪蛋白基因座中，可生产含溶菌酶的牛奶。
（三）利用基因工程技术开发饲料资源
用基因工程、蛋白质工程、发酵工程等技术开发饲料资源，可达到节约粮食、减缓人畜争粮、为饲料开源节流的目的。例如，姚斌院士团队针对阻碍饲料用酶规模应用的两大瓶颈性问题——酶的性能和生产成本，从酶的分子生物学基础性科学问题入手，通过酶基因资源的高效挖掘、酶的催化和构效机制研究及分子改良来解决知识产权问题和酶的性能问题；通过酶蛋白高效表达的机制研究来解决生产成本问题，研发了植酸酶、木聚糖酶等10多种酶制剂，显著提高了饲料利用效率，降低了含氮、磷等的有机物排放。
（胡彩虹、单体中，浙江大学）
参 考 文 献
陈代文．2015．从动物营养学发展趋势看饲料科技创新思路．饲料工业，36（6）：1-5．
陈代文，余冰．2020．动物营养学．4版．北京：中国农业出版社．
第二章 动物分子营养研究策略
动物机体的生理代谢和病理变化从本质上讲都是动物基因的表达调控发生了改变，所以动物营养学的研究应与分子生物学相关技术结合，从分子水平上解释各种营养素对机体生长发育、新陈代谢、遗传变异、免疫应答等的作用及其机制，这也是动物营养学发展的必然趋势之一。本章主要从组学技术、基因编辑技术、基因工程技术、表观遗传修饰与免疫学技术等方面介绍动物分子营养的研究策略。
**节 组 学 技 术
一、宏基因组学
宏基因组学（metagenomics）又称为微生物环境基因组学和元基因组学，其基于微生物基因组学研究微生物多样性，开发新的生物活性物质（或获得新的基因）。通过提取环境样本中全部微生物的DNA构建宏基因组文库，利用基因组学的研究方法，研究环境样本中全部微生物的遗传组成及其群落功能。宏基因组学的研究对象不是某特定的微生物或某细胞中的总DNA，而是特定环境中的总DNA，因此不需要对研究样品中的微生物进行分离培养和纯化。因此，宏基因组学为我们认识和利用95%以上的未培养微生物、难培养或不可培养微生物中的天然产物及处于“沉默”状态的天然产物提供了一条新途径。
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