水牛是一种宝贵的动物资源，通过提供牛奶、肉食和畜力等方式为许多亚洲的发展中国家的农业经济做出了重大贡献。关于农场动物精子发生的了解甚少，导致农业上优良种公畜的培育进展缓慢。尽管在小鼠中进行了精子发生相关的许多研究，但物种间巨大的差异无法将研究成果直接转换，这阻碍了我们了解水牛雄性种系调控的能力。
近日，广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室陆阳清教授团队在Cell子刊 iScience（Interdisciplinary Science，交叉科学） 上发表了题为“Single-cell RNA sequencing uncovers dynamic roadmap and cell-cell communication during buffalo spermatogenesis”的研究论文（DOI: 10.1016/j.isci.2022.105733）。研究结果为体外水牛种系干细胞建系和类器官培养，及农业上培育优良的种公畜奠定分子理论基础。
该研究首次从单细胞水平系统阐明了水牛精子发生过程中的基因表达调控网络和细胞命运转变路径，并揭示了青春期前和青春期睾丸的全局生精“微环境”。本研究从3月龄（青春期前）和24月龄（青春期）的健康水牛睾丸中制备单细胞悬液，经10×Genomics平台单细胞测序后获得32847个细胞。H&E染色发现青春期前的生精小管缺乏管腔且细胞种类稀少，而青春期已经具备完整的管腔且细胞种类繁多。经标记基因注释后确定了14种初始细胞类型，包括7种体细胞（VIM+）和7种生殖细胞（DDX4+）（图2）。哺乳动物的精子发生过程分为精原细胞的有丝分裂、精母细胞的减数分裂和精子变形。基于拟时序分析，该研究发现了以下16种生精细胞：4种水牛精原细胞类型（SSC-1、SSC-2、Diff.ing SPG和Diff.ed SPG），8种精母细胞（pre.L、L、Z、eP、mP、lP、D和MI-II）和4种精细胞/精子（RS、ES1、ES2和S）。
图2 青春期前和青春期水牛睾丸的单细胞转录组分析
精子发生负责精准代际传递父源基因组的遗传信息，涉及睾丸微环境调节的复杂发育过程。特异性的分子标记基因区分了不同发育阶段的微环境体细胞，它们通过分泌信号转导对于精子发生过程中不同阶段的生精细胞的贡献不同。特别注意的是，由CLDN11标记的成熟睾丸支持细胞（Mature SC）占据了5条分泌信号通路的最强贡献者，说明其处于睾丸细胞通讯网络的中心地位（图3）。该研究还通过检查配体-受体互作对，揭示体细胞通过旁分泌/自分泌信号在水牛精子发生过程中的全局分子“微环境”。
图3 水牛睾丸的全局细胞间通讯网络
广西大学动物科学技术学院动物畜牧学2019级博士生黄良凤为该论文的第一作者，陆阳清教授、张明教授为该论文的共同通讯作者。该项目得到了国家自然科学基金（32160789）的资助。（图文/黄良凤）
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004222020065
