单细胞转录组测序揭示鸡精子发生过程中的动态路线图及其微环境适应性变化

本研究通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术系统分析了"豫粉1号"H系公鸡从出生到衰老五个关键发育阶段的睾丸组织，构建了首个鸡睾丸发育的单细胞转录组图谱。研究鉴定出10种体细胞亚型和4种生殖细胞亚型，发现鸡类减数分裂启动时间显著早于哺乳动物，揭示了血睾屏障形成与偶线期精母细胞的关联性，阐明了支持细胞在20周和80周龄具有相似转录特征等重要发现。该研究填补了鸟类精子发生分子机制的研究空白，为生殖生物学和育种策略提供了理论依据。

　　

在动物生殖生物学领域，鸟类作为脊椎动物中占比超过60%的重要类群，其精子发生机制却远不如哺乳动物研究深入。鸡的精子发生周期仅14天，显著短于小鼠(35天)和人类(64天)，且精子形态与哺乳动物存在显著差异。这些独特的生物学特性使得鸟类成为研究精子发生进化机制的理想模型。然而，由于缺乏系统的单细胞水平研究，鸟类睾丸发育的细胞组成变化规律、生殖细胞命运决定机制以及微环境调控网络等基本科学问题尚未阐明。

河南农业大学的研究团队在《BMC Genomics》发表了开创性研究，通过对"豫粉1号"H系公鸡五个关键发育阶段(出生、28天、20周、30周和80周)的睾丸组织进行单细胞RNA测序，构建了首个完整的鸡睾丸发育转录组图谱。研究采用组织学观察、免疫荧光染色和ELISA等技术，结合CellChat细胞通讯分析和Monocle伪时序分析等计算方法，系统揭示了从精原干细胞到成熟精子的连续发育轨迹。

关键技术方法包括：1) 跨发育时间点的睾丸单细胞悬液制备；2) 10x Genomics平台单细胞转录组测序；3) Seurat和Harmony进行细胞聚类与批次校正；4) Monocle2构建生殖细胞发育轨迹；5) CellChat解析细胞间通讯网络；6) 组织学与免疫荧光验证关键标记基因表达。

研究结果：

背景与组织学观察

研究发现鸡睾丸发育呈现明显的年龄依赖性变化，性成熟约在20周龄达到高峰。组织学显示新生鸡(0天)曲细精管尚未完全发育，28天时出现初级精母细胞，30周龄睾丸重量显著增加，80周龄时尽管仍能观察到各级生精细胞，但睾丸重量明显下降。

单细胞转录组图谱

研究获得36,618个高质量细胞，鉴定出14种主要细胞类型，包括4类生殖细胞(精原细胞、精母细胞、manchette细胞和精子细胞)和10类体细胞(支持细胞、间质细胞等)。UMAP分析显示生殖细胞比例随发育逐渐增加，体细胞比例相应减少。

减数分裂转录组精细分析

精原细胞和精母细胞被重新分为11个亚群，发现鸡类减数分裂在出生后即启动，显著早于哺乳动物。STRA8在细线期细胞中表达，SPO11在偶线期上调，SYCP1和C14orf39在偶线期高表达。伪时序分析表明血睾屏障形成与偶线期精母细胞密切相关。

精子变形转录组特征

研究发现manchette细胞在精子形态发生中起关键作用，核浓缩(NEK2、UHRF1)和蛋白泛素化(TRIM37、PLK1)相关基因在分支阶段显著富集。成熟精子细胞高表达ACR和GABBR2，细胞周期基因在减数分裂II后失活。

体细胞谱系特征

支持细胞发育经历未成熟(0-28天)、过渡(20周)和成熟(30-80周)三个阶段，20周和80周支持细胞转录谱相似。间质细胞在性成熟后功能转向睾酮合成，但关键酶基因CYP11A1和CYP17A1未见显著上调。

细胞通讯网络

CellChat分析揭示支持细胞是睾丸微环境的信号枢纽，GDNF-GFRA1信号轴在30周龄建立双向调控环路。早期阶段SLIT2-ROBO2信号指导曲细精管空间构建，后期MMP通路参与基底膜重塑，VISFATIN介导代谢重编程。

这项研究建立了首个鸡睾丸发育的单细胞转录组图谱，揭示了鸟类精子发生的独特规律：减数分裂启动时间早、血睾屏障形成机制特殊、支持细胞具有年龄适应性等。研究发现manchette细胞在精子形态建成中的核心作用，解析了GDNF信号在生殖干细胞维持中的保守机制，为鸟类生殖生物学研究提供了重要资源。该成果不仅填补了鸟类精子发生分子机制的研究空白，也为家禽育种和雄性生殖健康研究提供了理论依据和技术支撑。特别值得注意的是，研究发现的睾丸微环境年龄适应性变化规律，为改善老龄种鸡繁殖性能提供了潜在干预靶点。