多组学解析母鸡精子贮存中UVJ微环境的细胞异质性及宿主-微生物代谢互作机制

【作者】 徐俊杰； 李欣欣； 李艳慧； 范毅豪； 吴星霖； 王德贺； 陈辉； 石雷；

【机构】 河北农业大学动物科技学院；

【摘要】 引言:禽类精子贮存能力(Sperm Storage Capacity, SSC)是影响蛋鸡繁殖效率的关键性状,其个体差异显著制约产业效益。子宫阴道结合部(Uterine-Vaginal Junction, UVJ)作为母禽精子贮存的主要部位,其微环境稳态是维持精子活力和长期贮存的核心。然而,UVJ组织的细胞异质性、微生物群落结构及其与宿主代谢互作的协同调控机制尚未系统解析。本研究整合单细胞转录组测序(scRNA-seq)、宏基因组学及非靶向代谢组学技术,旨在从细胞分辨率层面揭示高、低贮精能力(HSSC/LSSC)母鸡UVJ微环境的差异特征,阐明关键细胞亚群、微生物功能及其代谢网络在精子贮存中的调控作用。材料与方法:试验选取90周龄白来航蛋鸡极端表型个体(HSSC与LSSC各6只),采集UVJ组织并分别进行单细胞悬液制备、微生物样品提取及组织代谢物萃取。scRNA-seq采用10x Genomics Chromium平台建库,Illumina NovaSeq 6000测序,原始数据经Cell Ranger预处理,使用Seurat(v4.1.1)进行标准化、降维(PCA及t-SNE)和细胞聚类分析,依据经典标记基因鉴定细胞类型;对上皮细胞亚群进行拟时序分析(Monocle2)以揭示分化轨迹与基因动态。宏基因组DNA进行WGS测序,经MEGAHIT拼接、MetaGeneMark预测ORF,通过KEGG和EggNOG进行功能注释,使用LEfSe分析组间差异微生物。非靶向代谢组采用UHPLC-QTOF-MS检测,XCMS进行峰提取与鉴定,结合OPLS-DA模型筛选差异代谢物(VIP>1, P<0.05),并进行KEGG通路富集。多组学整合分析采用WGCNA和Spearman相关性分析构建基因-微生物-代谢物互作网络。结果:scRNA-seq共获得21,934个高质量细胞,聚类识别出9种细胞类型:上皮细胞(约占59.5%)、成纤维细胞(14.39%)、T细胞(9.53%)、巨噬细胞(4.7%)、红细胞(3.9%)、浆细胞(2.93%)、内皮细胞(2.05%)、壁细胞(2.23%)和增殖细胞(0.8%)。拟时序分析显示,贮精腺(SST)细胞来源于上皮细胞分化,其轨迹末端富集于能量代谢(ATP生成、电子传递链)和G蛋白偶联受体信号通路相关基因。宏基因组结果表明,HSSC组UVJ微生物中厚壁菌门(Firmicutes)和利基乳杆菌属(Ligilactobacillus)相对丰度显著高于LSSC组(P<0.05),且L. aviarius为最显著的差异标志物种。功能预测显示HSSC组微生物糖酵解、脂代谢和氨基酸代谢通路显著活跃。代谢组学在血浆和UVJ组织中共筛选出105种差异代谢物,HSSC组中抗氧化物质(Diketogulonic acid、 Uric acid、2-Furoic acid)和脂质稳态调节剂(24-Methylenecholesterol)显著上调,溶血磷脂类物质显著下降。多组学相关性分析揭示,Ligilactobacillus与糖酵解中间产物Glycerol 3-phosphate(R=0.634, P=0.026)和NADH(R=0.726, P=0.007)呈显著正相关。联合分析进一步鉴定出多个参与关键代谢通路的基因-代谢物对,如谷胱甘肽代谢相关基因MGST1与NADP+、嘌呤代谢基因ENPP3与尿酸和腺苷等显著互作。讨论:本研究首次在单细胞分辨率下系统绘制了母鸡UVJ组织的细胞图谱,明确了SST细胞由上皮纤毛细胞分化而来,并揭示其分化轨迹及代谢重编程特征;进一步通过多组学整合解析了UVJ微生物(以Ligilactobacillus为代表)与宿主糖酵解代谢和抗氧化防御的功能协同机制:乳酸菌通过提供乳酸和能量底物维持酸性微环境与精子静息状态,宿主抗氧化系统有效缓解氧化应激损伤,二者共同促进精子长期贮存。研究从细胞—微生物—代谢互作视角深化了对禽类精子贮存机制的理解,为开发靶向益生菌干预、代谢调控及提升家禽繁殖性能的精准策略提供了重要理论依据。更多还原