▲研究揭示牛远缘杂交后代雄性不育的分子机制（视频由AI生成）

犏牛是牦牛与普通牛的种间杂交后代。犏牛继承了牦牛对高寒、缺氧环境的适应力，又具备普通牛较高的产肉、产奶性能，杂交优势显著。但是，雄性犏牛普遍存在生育缺陷，制约了其作为优良畜种的培育与利用。同时，犏牛也成为了探究哺乳动物生殖隔离分子机制和物种形成的“天然模型”。

近日，中国科学院西北高原生物研究所研究团队通过多组学技术，绘制出牛生精细胞的分子图谱，剖析了决定精子发生效率的关键因素，并初步探究了牦牛远缘杂交后代生育缺陷的关键因子。

01

绘制精细的“细胞地图”

哺乳动物的精子发生是一个高度复杂的细胞分化过程。研究团队绘制了普通牛、牦牛、犏牛及其回交一代（BC1）睾丸细胞各生精阶段生殖细胞及体细胞的转录特征图谱，构建了发育轨迹以确定不同生精细胞的命运转变。

结果发现，在普通牛和牦牛睾丸中，存在7种精原细胞、10种精母细胞和11种精子细胞亚型。犏牛睾丸中仅鉴定出7种精原细胞亚型和6种初级精母细胞亚型，表明其生精过程在精母细胞阶段就发生了严重阻滞。

相比之下，在BC1睾丸中可以观察到圆形精子和少量长形精子；细胞注释发现，各细胞亚型数量与普通牛和牦牛相似，表明生精阻滞现象得到显著缓解。

02

减数分裂的“管制”失灵

研究团队追踪发现，犏牛的生精障碍具体发生在减数分裂Ⅰ前期的双线期到终变期。在这一关键阶段，犏牛精母细胞中DNA双链断裂（DSBs）修复存在缺陷，导致染色体无法正常重组。此外，性小体在粗线期的形成受损。

研究发现，犏牛细胞里有40余个X染色体基因在犏牛中异常高表达。而在回交一代中，这些X连锁基因的表达水平恢复正常，与减数分裂阻滞的缓解一致。

03

定位“冲突基因”

模型预测提示，杂交不兼容源于至少两个在杂交物种中独立分化的基因之间的相互作用。为了找到这些“冲突基因”，团队进行了转录组和基因组结构变异的联合分析。

研究发现，在回交一代中恢复表达的661个基因携带基因组结构变异。这些结构变异在犏牛中扰乱了基因的正常表达：在精原细胞中导致基因异常上调，而在精母细胞中引发基因异常下调。

通过整合蛋白质组数据，研究团队最终筛选出24个关键“嫌疑基因”。这些基因在犏牛精母细胞中无论是mRNA表达还是蛋白质丰度均出现异常，但在回交一代中又回归正常。

上述研究为进一步筛选影响犏牛精母细胞粗线期DSBs修复和性染色体失活的关键分子及其调控通路提供了数据集，为犏牛雄性不育的诱因探寻和遗传矫正策略的制定奠定了基础。同时，这项工作有助于阐明牛精子生成的分子调控网络，为探索大型动物物种形成和生殖隔离机制提供了重要信息。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/molbev/msag027

来源：中国科学院西北高原生物研究所

责任编辑：梁春雨

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