在全球化畜牧業(yè)高速發(fā)展的背景下，如何精準(zhǔn)提升家畜家禽的生產(chǎn)效率、改善肉質(zhì)性狀、增強(qiáng)抗病能力，一直是育種領(lǐng)域的核心目標(biāo)。傳統(tǒng)的育種方法往往依賴于群體水平的平均數(shù)據(jù)，忽略了細(xì)胞間的異質(zhì)性，從而限制了育種精度。單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)以其高分辨率優(yōu)勢，能夠在單個(gè)細(xì)胞水平解析基因組、轉(zhuǎn)錄組和表觀組信息，為動物遺傳育種帶來革命性突破。本文基于現(xiàn)有研究，綜述單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)在動物育種中的應(yīng)用，并展望未來發(fā)展趨勢。
PART.01
什么是單細(xì)胞組學(xué)？
單細(xì)胞組學(xué)是一種在單個(gè)細(xì)胞水平上分析多維信息（如基因組、轉(zhuǎn)錄組和表觀組）的高通量技術(shù)。自2009年首次應(yīng)用以來，該技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)，成為畜牧科學(xué)研究的重要工具。其核心優(yōu)勢在于揭示細(xì)胞異質(zhì)性、識別稀有細(xì)胞類型，并解析發(fā)育軌跡和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序（scRNA-seq）：通過微流控技術(shù)分離單個(gè)細(xì)胞，擴(kuò)增RNA并進(jìn)行高通量測序，獲取每個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)數(shù)據(jù)。這有助于高精度識別細(xì)胞類型、功能狀態(tài)及動態(tài)變化，從而揭示組織中的細(xì)胞異質(zhì)性和相互作用。
單細(xì)胞ATAC-seq（scATAC-seq）：用于解析染色質(zhì)可及性，揭示基因調(diào)控元件狀態(tài)和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。在動物育種中，該技術(shù)通過挖掘性狀潛在的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，為精準(zhǔn)育種提供新視角。
多組學(xué)整合：scATAC-seq與scRNA-seq的聯(lián)合分析能直接連接調(diào)控元件（因）與基因表達(dá)（果），構(gòu)建從DNA到RNA再到表型的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，識別與性狀相關(guān)的核心因子。
PART.02
單細(xì)胞組學(xué)怎么做？
單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)的實(shí)施包括樣本制備、文庫構(gòu)建、高通量測序和數(shù)據(jù)分析等關(guān)鍵步驟。
scRNA-seq流程：利用微流控平臺分離細(xì)胞，通過RNA擴(kuò)增和測序獲取數(shù)據(jù)。生物信息學(xué)工具（如Seurat、Monocle）則用于聚類分析和軌跡推斷，解析細(xì)胞命運(yùn)。
scATAC-seq流程：通過細(xì)胞條形碼構(gòu)建全基因組染色質(zhì)可及性矩陣，并進(jìn)行細(xì)胞聚類和差異可及性分析。工具如SCP和SCEA數(shù)據(jù)庫支持跨物種數(shù)據(jù)整合，助力智能育種。
這些流程的高通量和低成本特性，使單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)逐步適用于大規(guī)模育種實(shí)踐。
PART.03
應(yīng)用案例：從生殖到肉質(zhì)，全方位賦能育種
1. 提升繁殖效率：解析生殖細(xì)胞發(fā)育機(jī)制
單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)深入揭示了動物生殖細(xì)胞的發(fā)育奧秘。在豬睪丸研究中，scRNA-seq識別了12個(gè)精原細(xì)胞標(biāo)記物，明確了未分化和分化精原細(xì)胞的表面標(biāo)志物，為豬精子發(fā)生的動態(tài)過程提供了新見解[1]。在牛卵母細(xì)胞研究中，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜系統(tǒng)描繪了生長階段的轉(zhuǎn)錄動態(tài)，為優(yōu)化體外培養(yǎng)系統(tǒng)、提高繁殖效率提供了分子基礎(chǔ)[2]。
2. 優(yōu)化肉質(zhì)性狀：揭秘肌肉與脂肪發(fā)育
肉類產(chǎn)量和品質(zhì)直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)效益。scRNA-seq通過解析骨骼肌和脂肪細(xì)胞的異質(zhì)性，為改良肉質(zhì)提供支持。在豬骨骼肌研究中，scATAC-seq與scRNA-seq整合分析發(fā)現(xiàn)胚胎期關(guān)鍵調(diào)控因子（如EGR1和RHOB），這些因子通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)可及性影響肌纖維形成，為培育高產(chǎn)瘦肉型家畜提供靶點(diǎn)[3]。在雞育種中，單細(xì)胞RNA測序解析了胸肌組織異質(zhì)性，并識別了肌內(nèi)脂肪標(biāo)記基因APOA1和COL1A1，為優(yōu)質(zhì)肉雞育種奠定理論基礎(chǔ)[4]。
3. 增強(qiáng)抗病能力：攻克疾病防控難題
疾病是畜牧業(yè)的主要威脅，單細(xì)胞組學(xué)在病原機(jī)制研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，在非洲豬瘟病毒（ASFV）感染模型中，scRNA-seq揭示巨噬細(xì)胞大量死亡，而罕見單核細(xì)胞亞群成為病毒主要靶點(diǎn)，其凋亡和免疫應(yīng)答能力被抑制，進(jìn)而延長了感染周期[5]。在雞新城疫病毒（NDV）研究中，單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析表征了肺組織免疫細(xì)胞的異質(zhì)性響應(yīng)，為疫苗開發(fā)提供新思路[6]。
4. 推動精準(zhǔn)育種：跨物種整合與多組學(xué)融合
單細(xì)胞組學(xué)不僅限于單一物種，還通過跨物種比較揭示保守機(jī)制。例如，人類與獼猴前扣帶回皮層的單細(xì)胞多組學(xué)分析篩選出16個(gè)共享的神經(jīng)元標(biāo)記基因，反映了靈長類大腦細(xì)胞起源的分子特征[7]。整合小鼠、斑馬魚和果蠅等多物種數(shù)據(jù)構(gòu)建的細(xì)胞景觀（Cell Landscape），為研究譜系發(fā)育和老化提供資源[8]。多組學(xué)融合（如scRNA-seq與空間轉(zhuǎn)錄組）進(jìn)一步構(gòu)建三維分子圖譜，實(shí)現(xiàn)表型精準(zhǔn)預(yù)測。
應(yīng)用案例1. 構(gòu)建牛的多組織單細(xì)胞表達(dá)圖譜（Cattle Cell Atlas, CattleCA）
本研究作為Farm Animal Genotype-Tissue Expression（FarmGTEx）項(xiàng)目的一部分，旨在構(gòu)建牛的多組織單細(xì)胞表達(dá)圖譜。通過生成和分析59個(gè)牛組織的單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）和單核RNA測序（snRNA-seq）數(shù)據(jù)，共包括1,793,854個(gè)細(xì)胞，覆蓋犢牛和成年牛的不同性別。研究的目標(biāo)是揭示細(xì)胞異質(zhì)性、基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制，并關(guān)聯(lián)遺傳變異與經(jīng)濟(jì)性狀，為牛遺傳學(xué)、育種和比較生物學(xué)提供資源。
樣本來源：分析152個(gè)樣本，代表59個(gè)組織（如乳腺、肝臟、睪丸等），來自15頭荷斯坦牛（包括1頭胎兒、4頭犢牛和10頭成年牛），涵蓋雄性和雌性。
數(shù)據(jù)生成：結(jié)合scRNA-seq和snRNA-seq數(shù)據(jù)，總計(jì)1,793,854個(gè)細(xì)胞（其中1,506,438個(gè)單細(xì)胞和287,416個(gè)單核）。
細(xì)胞類型注釋：基于經(jīng)典標(biāo)記基因（如免疫細(xì)胞標(biāo)記CD4、上皮細(xì)胞標(biāo)記KRT17）手動注釋131個(gè)細(xì)胞類型，分為7個(gè)譜系：免疫細(xì)胞（679,021）、內(nèi)皮細(xì)胞（308,878）、上皮細(xì)胞（268,626）、基質(zhì)細(xì)胞（240,771）、神經(jīng)細(xì)胞（182,450）、肌肉細(xì)胞（81,438）和生殖細(xì)胞（4,404）。
與人類單細(xì)胞數(shù)據(jù)比較，顯示基因表達(dá)、TF調(diào)控和細(xì)胞通訊的保守性。例如，?？漳c杯狀細(xì)胞與人類IBD遺傳性共享，微膠質(zhì)細(xì)胞與多發(fā)性硬化癥相關(guān)。
應(yīng)用案例2. 解析泌乳過程中關(guān)鍵的細(xì)胞和分子調(diào)控機(jī)制
該研究對產(chǎn)奶性能差異的河流型水牛與沼澤型水牛的12個(gè)組織進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序，成功構(gòu)建了包含397,011個(gè)高質(zhì)量細(xì)胞、涵蓋57種細(xì)胞類型的多組織單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜。通過系統(tǒng)的比較單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，揭示了與產(chǎn)奶性能相關(guān)的關(guān)鍵細(xì)胞和分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，首次鑒定到催乳素細(xì)胞中特異性下調(diào)的TRHDE基因表達(dá)與優(yōu)異產(chǎn)奶性能密切相關(guān)。通過整合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與選擇信號、全基因組關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，精準(zhǔn)識別出管腔細(xì)胞、肝細(xì)胞和興奮性神經(jīng)元等與產(chǎn)奶性狀相關(guān)的分泌、代謝的神經(jīng)細(xì)胞類型。進(jìn)一步的細(xì)胞通訊分析揭示，管腔細(xì)胞、催乳素細(xì)胞、促生長激素細(xì)胞、興奮性神經(jīng)元等多種細(xì)胞類型在泌乳調(diào)控過程中存在較強(qiáng)的細(xì)胞互作，同時(shí)結(jié)合基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)水牛、奶牛和人類在泌乳調(diào)控機(jī)制上的進(jìn)化保守性。
應(yīng)用案例3.豬早期卵子發(fā)生的時(shí)空調(diào)控圖譜
該研究借助單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）以及空間組學(xué)技術(shù)，針對豬早期卵子發(fā)生階段的4個(gè)時(shí)間點(diǎn)（E45、E55、E65以及E75），對7個(gè)卵巢切片進(jìn)行了單細(xì)胞多組學(xué)分析，系統(tǒng)闡明了豬早期卵子發(fā)生的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制以及時(shí)空動力學(xué)特征。研究團(tuán)隊(duì)基于不同細(xì)胞類型的空間表達(dá)譜進(jìn)行了共定位分析，并結(jié)合細(xì)胞通訊分析，深入解析了組織微環(huán)境如何影響生殖細(xì)胞命運(yùn)。本研究深化了對豬繁殖性狀形成復(fù)雜機(jī)制的理解，并為理解組織微環(huán)境如何調(diào)控早期卵子發(fā)生中的生殖細(xì)胞命運(yùn)提供了新的見解。
應(yīng)用案例4.?跨物種解密胰腺形成
研究旨在通過多模態(tài)跨物種比較（小鼠、豬和人類），揭示胰腺發(fā)育的進(jìn)化保守機(jī)制。由于人類胎兒樣本獲取受限，因此小鼠被用作研究的主要模型，但豬在基因組、代謝和生理上與人類更相似，且妊娠期較長（114天），因此被提出作為補(bǔ)充性大動物模型。研究采用多模態(tài)方法，整合了單細(xì)胞RNA測序（scRNA-seq）、單細(xì)胞多組學(xué)（Multiome，同時(shí)測轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)可及性）測序和免疫熒光分析，首次構(gòu)建了豬胰腺發(fā)育的單細(xì)胞多組學(xué)圖譜，并通過轉(zhuǎn)錄組和染色質(zhì)可及性分析，發(fā)現(xiàn)了豬與人類在發(fā)育節(jié)奏、表觀遺傳調(diào)控和內(nèi)分泌細(xì)胞命運(yùn)決定上的高度保守性。本研究確立了豬作為人類胰腺發(fā)育的互補(bǔ)模型，提供了多組學(xué)資源，可用于優(yōu)化干細(xì)胞和類器官模型，彌合從小鼠到人類在蛋白翻譯上的差距。
豬胰腺發(fā)育里程碑注釋：通過114天妊娠期的樣本，識別胰腺芽形成、融合、分支形態(tài)發(fā)生等關(guān)鍵事件。
跨物種圖譜構(gòu)建：生成豬、人類和小鼠的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜，并進(jìn)行整合比較。
保守性分析：聚焦內(nèi)分泌祖細(xì)胞分化、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（GRNs）和β細(xì)胞異質(zhì)性起源。
PART.03
未來展望：智能育種的新篇章
隨著技術(shù)成本的降低和多組學(xué)整合的深入，單細(xì)胞組學(xué)將在動物遺傳育種中發(fā)揮更大作用。未來，我們可以期待：
低成本技術(shù)普及：使單細(xì)胞組學(xué)更廣泛應(yīng)用于育種領(lǐng)域。
CRISPR耦合驗(yàn)證：通過基因編輯驗(yàn)證候選基因，加速性狀改良。
全球數(shù)據(jù)庫建設(shè)：整合多物種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)資源共享和智能預(yù)測。
PART.04
結(jié)語
單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)正以前所未有的精度推動動物遺傳育種進(jìn)入智能化時(shí)代。從生殖到肉質(zhì)，從健康到效率，它為我們提供了洞察生命細(xì)微處的“顯微鏡”。擁抱這一技術(shù)，不僅是科學(xué)進(jìn)步的必然，更是畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。讓我們共同期待，單細(xì)胞組學(xué)引領(lǐng)下的育種革命，將為全球食品安全和農(nóng)業(yè)繁榮注入新動力！
[1]?“Single-cell RNA-sequencing reveals the dynamic process and novel markers in porcine spermatogenesis.”?Journal of animal science and biotechnology vol. 12,1 122. 7 Dec. 2021, doi:10.1186/s40104-021-00638-3
[2]?“Single-cell profiling reveals transcriptome dynamics during bovine oocyte growth.”?BMC genomics vol. 25,1 335. 6 Apr. 2024, doi:10.1186/s12864-024-10234-0
[3]?“Integrative single-cell RNA-seq and ATAC-seq analysis of myogenic differentiation in pig.”?BMC biology vol. 21,1 19. 1 Feb. 2023, doi:10.1186/s12915-023-01519-z
[4]?“Identification of diverse cell populations in skeletal muscles and biomarkers for intramuscular fat of chicken by single-cell RNA sequencing.”?BMC genomics vol. 21,1 752. 31 Oct. 2020, doi:10.1186/s12864-020-07136-2
[5]?“Single-cell profiling of African swine fever virus disease in the pig spleen reveals viral and host dynamics.”?Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America vol. 121,10 (2024): e2312150121. doi:10.1073/pnas.2312150121
[6]?“Single-Cell Transcriptome Atlas of Newcastle Disease Virus in Chickens Both In Vitro and In Vivo.”?Microbiology spectrum vol. 11,3 (2023): e0512122. doi:10.1128/spectrum.05121-22
[7]?“Cross-species single-cell spatial transcriptomic atlases of the cerebellar cortex.”?Science (New York, N.Y.) vol. 385,6716 (2024): eado3927. doi:10.1126/science.ado3927
[8]?“Construction of a cross-species cell landscape at single-cell level.”?Nucleic acids research vol. 51,2 (2023): 501-516. doi:10.1093/nar/gkac633
[9]?“A multi-tissue single-cell expression atlas in cattle.”?Nature genetics vol. 57,10 (2025): 2546-2561. doi:10.1038/s41588-025-02329-5
[10]“Comparative Single-Cell Transcriptomic Landscape Reveals the Regulatory Mechanisms of Lactation during Selective Breeding in Asian Water Buffalo.”?Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) vol. 12,37 (2025): e08847. doi:10.1002/advs.202508847
[11]?“Spatiotemporal dynamics of early oogenesis in pigs.”?Genome biology vol. 26,1 2. 2 Jan. 2025, doi:10.1186/s13059-024-03464-8
[12]?“A multimodal cross-species comparison of pancreas development.”?Nature communications vol. 16,1 9355. 22 Oct. 2025, doi:10.1038/s41467-025-64774-4
