【摘 要】
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安格斯牛是肉牛生产的主要品种之一,具有性成熟早、易产、初生重小、生长速度快、肉质好、适应力强等优点。安格斯牛作为肉质好的代表品种被大量引进用来改良地方牛品种,在优质高档牛肉的生产方面取得了显著成效。公牛是种牛群的重要组成部分,在肉牛群体遗传性能改良过程中发挥着重要作用。种公牛为肉牛的生产提供大量优质的精液,以便优良遗传性状得以稳定遗传,因此理想的繁殖性能对种公牛至关重要。睾丸是精子发生的重要器官,
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（NO. 81770514、81270439）； 杨凌示范区科技计划项目（2018NY-33）；
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安格斯牛是肉牛生产的主要品种之一,具有性成熟早、易产、初生重小、生长速度快、肉质好、适应力强等优点。安格斯牛作为肉质好的代表品种被大量引进用来改良地方牛品种,在优质高档牛肉的生产方面取得了显著成效。公牛是种牛群的重要组成部分,在肉牛群体遗传性能改良过程中发挥着重要作用。种公牛为肉牛的生产提供大量优质的精液,以便优良遗传性状得以稳定遗传,因此理想的繁殖性能对种公牛至关重要。睾丸是精子发生的重要器官,正常的睾丸发育是种公牛优良繁殖性能的基础,因此探究公牛睾丸发育及精子发生的遗传机理和分子调控机制,对选育高产优质种公牛具有重要意义。睾丸发育和精子生成依赖于转录、转录后水平相关基因精确的调控,而非编码RNA被证实在转录或转录后水平调控中扮演着极其重要的角色。因此,本研究选用安格斯牛为研究对象,在转录组水平进行ncRNA（lncRNA、miRNA、circRNA）的鉴定分析及功能验证,意在寻找安格斯牛性成熟过程中睾丸发育与精子生成相关的ncRNA,从而从ncRNA的角度解析牛睾丸发育的遗传基础。同时,借助单细胞转录组测序技术进行公牛睾丸发育的细胞图谱绘制和标记基因鉴定,为探索公牛精子生成、睾丸体细胞发育的分子调控及转录调节机制提供了基础数据。本研究的主要结果如下:（1）通过对安格斯牛不同发育时期的睾丸lncRNA进行测序分析,共鉴定出23,735个lncRNA;其中,540个lncRNA（P<0.05）和3,525个mRNA（P-adj<0.05）差异表达;GO和KEGG富集分析表明差异表达的lncRNA靶基因和mRNA大多富集在与精子发生相关的过程中富集;通过lncRNA-mRNA互作分析,构建了与睾丸发育相关的15个DE lncRNA和12个顺式作用靶基因的互作网络,其中lncRNA的靶基因（SPATA16、TCF21、ZPBP、PACRG、ATP8B3、COMP、ACE和OSBP2）与牛睾丸发育和性成熟有关。（2）通过对安格斯牛不同发育时期的睾丸miRNA进行测序分析,共鉴定出566个已知的miRNA,以及86个新miRNA;差异表达分析表明,性成熟期与初生期相比共有223个差异表达的miRNA（202个已知和21个新的miRNA）;相较于初生期组,性成熟期睾丸中有112个miRNA表达上调（92个已知的和20个新的miRNA）和111个表达下调的miRNA（110个已知的和20个新的miRNA）（P-adj<0.05,|log2fold-change|>1）;根据KEGG富集分析发现,差异表达的miRNA靶基因富集到与睾丸发育、精子生成相关的通路中。（3）通过对安格斯牛不同发育时期的睾丸circRNA进行测序分析,共鉴定出28,065个候选的circRNA,其中7,458个circRNA在初生期和性成熟期牛睾丸中共同存在;初生期和性成熟期牛睾丸中存在987个circRNAs差异表达（P<0.05）,以初生期为对照,性成熟期表达上调的有710个circRNAs,下调的有277个circRNAs。GO和KEGG功能富集分析发现差异circRNA的宿主基因显著富集在了36个GO项以及8条通路。（4）根据circRNA测序数据筛选出差异表达的circ SMC1B,并验证发现circ SMC1B在性成熟期高表达,且在牛雄性生殖干细胞中高表达。通过过表达circ SMC1B且利用CCK-8、Ed U、流式细胞、RT-q PCR等实验发现circ SMC1B促进牛m GSCs的增殖和凋亡;RNAhybrid软件预测及双荧光素酶报告实验证明circ SMC1B竞争性结合let-7i;通过CCK-8、Ed U、流式细胞、RT-q PCR等实验发现let-7i靶向HMGA1和NR6A1抑制牛m GSCs的增殖和凋亡;且发现circ SMC1B可竞争性结合let-7i调节靶基因HMGA1和NR6A1表达,促进m GSCs增殖凋亡。（5）利用scRNA-seq技术对性成熟前后牛睾丸细胞进行转录组测序,通过聚类分析将睾丸细胞分为12个类群,其中包括9种体细胞和3种生殖细胞;并鉴定出一些牛睾丸不同类群细胞的特异标记基因,如ARSE、CLEC12B、GAS1、KRT8、LOC101908015、HIGD1B、CCL21、ESX1、MEIOB、SPATA19等;通过聚类分析将睾丸生殖细胞分为13个类群,分别在其中鉴定了特异表达的基因,这为解释牛睾丸发育和精子生成的机制提供了理论依据。本研究通过RNA-seq和scRNA-seq对公牛睾丸组织编码基因和ncRNA表达进行综合分析,发现公牛睾丸组织中存在大量与睾丸发育和精子发生相关的差异表达ncRNA和mRNA,且鉴定出公牛睾丸组织中不同细胞类群的特异标记基因,这为丰富公牛睾丸发育和精子生成转录调节机制提供了宝贵资源,为利用分子辅助选育技术筛选优良种公牛,建立公牛良种繁育体系提供了可靠的理论指导和技术支撑。
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