为何同样的饲料和管理个体繁殖率、肉质、抗病力却千差万别同个基因组差别藏在细胞里混样测序看到的是平均单细胞测序看到的是差异。过去育种家靠经验看表型、靠家系估遗传基因组选择GS与全基因组关联分析GWAS问世后动物育种驶入大数据时代。传统测序测的是组织平均值好比把整座城市合并成一条曲线单细胞测序scRNA-seq则把“平均”拆成“个体”识别每一个细胞亚群、追踪每一条分化轨迹、解析每一次细胞间对话——育种决策由此从“看结果”升级为“看机制”。本文围绕繁殖、生产、功能抗病三大性状给出一套可直接落地的单细胞测序分析方案并用三篇真实研究案例说明如何把高繁殖力、雪花肉、强抗病这些表型优势逐一锚定到细胞亚群、分子标记与信号通路上。一、三个关键问题单细胞测序把选种指标下沉到细胞水平单细胞转录组学已在细胞发育、分化、免疫应答、肿瘤微环境等多种生物学研究中展现出强大的应用潜力。放到动物育种中它回答的是三个朴素而锋利的问题决定优良性状的关键细胞是谁它们在哪受谁调控这并非纸上谈兵养殖利润的三大支柱每个都对应着一个尚未被细胞级解析的性状繁殖性状“有多少后代可养”——决定数量的底盘生产性状“养得好不好”——决定肉、奶、蛋的效率与品质功能性状“养不养得活”——决定可持续性与抗风险能力单细胞测序的切入点是在睾丸/卵巢、骨骼肌、乳腺、脾脏/外周血等核心组织中为每一类性状建立细胞水平评价指标分子标记让选种指标从群体表型下沉到细胞机制。二、四大科学问题图谱、定位、轨迹、互作细胞图谱构建在影响繁殖、生产与抗病等目标性状的核心组织睾丸/卵巢、骨骼肌、脾脏/外周血中存在哪些功能各异的细胞亚群哪些细胞群是决定性状的关键角色亚群精确定位通过精细的亚群细分与差异分析,高性能个体中哪些特定的细胞亚群如高繁殖力母猪的增殖型颗粒细胞、高肌内脂猪的分化态脂肪前体细胞、抗病个体的早期激活型巨噬细胞决定了目标性状的表现优势这些亚群的关键分子标记是什么?发育轨迹与命运决策目标细胞如生殖细胞、肌肉前体细胞、免疫细胞如何沿分化路径发育而来其细胞命运决定如颗粒细胞的增殖vs黄体化、卫星细胞的增殖vs分化、T细胞的初始vs效应vs耗竭发生在哪些关键节点受哪些核心转录因子调控微环境互作网络目标细胞如何与微环境中的其他细胞类型如颗粒细胞与卵母细胞之间、肌肉细胞与脂肪前体细胞之间、免疫细胞之间的配体-受体信号进行通讯与协作哪些细胞间信号交流是维持正常功能或介导性状优势所必需的这些通讯模式在高低性能个体之间有何差异三、技术路线横向比差异纵向追发育四、繁殖性状应用展示1. 课题设计示例以猪为例横向设计高繁殖力组(连续3胎总产仔数均值≥15头,n5)、低繁殖力组(连续3胎总产仔数均值≤10头,n5)发情期穿刺采集卵泡液含颗粒细胞纵向设计后备母猪初情期前3月龄→ 初情期6月龄→ 初配前8月龄 采集卵巢卵泡液活体穿刺提取颗粒细胞和外周血PBMC2. 应用场景展示提高受胎率受胎率取决于胚胎能否成功着床并建立妊娠而这一过程的关键节点是滋养层细胞的正常分化与功能激活。极性TE与壁状TE的分子差异直接决定了胚胎的“着床准备状态,解析极性TE的分子特征实质上就是在解析“胚胎是否有能力顺利激活着床程序”。绵羊孕囊伸长与着床[1]。与壁状TE相比极性TE中高表达的基因富集在细胞生长、增殖、纤毛等方面且检测到明显更强的类固醇生成和 IFNT 信号这对于孕囊延伸和妊娠识别至关重要。延长母畜生殖寿命母畜的生殖寿命受限于子宫内膜的年龄相关性衰老表现为容受性下降、蜕膜化能力减弱最终导致受胎率随年龄增长而急剧下滑。基质细胞中NAD水平的下降可能与子宫内膜增殖能力受损有关进而导致子宫内膜容受性受损。髓系来源的CD38通过NAD⁺耗竭介导年龄相关性子宫内膜衰老[2]。衰老会显著改变子宫内膜基质细胞的组成和功能其中Angptl7⁺、Gainf6⁺、Clec3b⁺ 和 Top2a⁺ 四个特定亚群是驱动子宫内膜衰老及功能衰退的关键细胞群体。案例展示单细胞测序揭示单胎和多胎湖羊的繁殖差异[3]在现代羊的生产体系中母羊的繁殖表现决定了养殖的经济盈利能力。揭示窝数差异背后的遗传机制对于选择和繁殖高繁殖率高母羊非常重要。文章亮点卵巢体细胞分群及鉴定在产羔数不同的母羊中采集卵巢组织进行单细胞测序。(A) UMAP降维图中五种不同细胞类型的鉴定结果(B) 不同细胞标志基因表达水平的点图(C) 代表性标志基因的特征图Feature plot及卵巢体细胞的免疫荧光染色结果差异表达与功能富集分析通过比较单胎与多胎母羊卵巢中不同细胞类型的表达谱可以精准定位决定繁殖力差异的关键细胞亚群及其核心分子调控网络从而突破传统混合组织测序的局限将“多胎”表型优势精确锚定到相关细胞亚群和功能通路上。(A) 体细胞类型在UMAP降维图中的组间差异分布。(B) 绵羊卵巢体细胞中的差异表达基因DEGs(C) 前5个显著富集的GO功能条目与KEGG通路拟时序分析通过拟时序轨迹和富集分析等方法构建颗粒细胞在卵泡发育中的动态分化路径明确各亚型的发育先后顺序及功能转化规律从而为解析单胎与多胎母羊在细胞亚群比例及分化轨迹上的繁殖差异提供精准的时间轴依据与分子靶点。(A) 颗粒细胞降维后的UMAP图。(B) 颗粒细胞亚群标志基因的热图。(C) UMAP图中颗粒细胞亚型的鉴定结果。(D) 颗粒细胞的拟时序轨迹。(E) 颗粒细胞不同发育状态的热图。(F) 拟时序热图基因的前10个显著富集的KEGG通路。开关基因分析GeneSwitches通过开关基因分析可以揭示颗粒细胞在发育分支节点上的“功能模块切换”规律明确细胞在走向不同发育命运时哪些核心生物学通路被时序性“开启Up”或“关闭Down”。(A) 参与颗粒细胞发育过程的关键基因(B) 代表性基因表达的特征图Feature plot。(C) 参与颗粒细胞发育过程基因的前10个显著富集的KEGG通路。Up表示发育轨迹中功能富集开启激活的通路Down表示功能富集关闭沉默的通路。文章结论研究中通过单细胞测序scRNA-seq鉴定了单胎与多胎湖羊母羊卵巢体细胞之间的表达谱差异。这些差异主要归因于颗粒细胞GCs。其中JPH1和LOC101112291的表达状态可作为判定颗粒细胞演化方向的重要指标。此外FTH和FTL可能通过抑制颗粒细胞铁死亡并促进卵泡发育来调控产羔数。本研究为揭示湖羊高繁殖力的分子机制提供了新的见解。五、生产性状应用展示1. 课题设计示例以牛为例横向设计高肌内脂组(IMF%≥10%,n5)、低肌内脂组(IMF%≤4%,n5)出栏屠宰时采集背最长肌组织纵向设计采集犊牛断奶期3月龄→ 育肥初期9月龄→ 出栏前15月龄活体穿刺采集背最长肌组织和外周血PBMC2. 应用场景展示猪肉品质改良FAPs纤维脂肪生成祖细胞是猪肌肉组织中负责分化为脂肪细胞和成纤维细胞的前体细胞其库的活性、分化和增殖能力直接影响肉质的嫩度、多汁性和风味。通过精准调控FAPs库的定向分化一方面可以增加肌内脂肪的沉积另一方面通过抑制其向成纤维细胞分化可以有效降低肌肉组织中的胶原过度沉积肌肉纤维化防止肉质变老、变柴。FAPs^HMGB2亚群的比例随发育进程的变化[4]。FAPs^HMGB2亚群的比例随发育进程逐渐下降至出生后几乎消失提示胚胎期FAPs的增殖活性直接决定了出生后FAPs库的大小进而影响肌肉脂肪的沉积潜力。提高产奶量泌乳期是决定“产奶多少”的关键干奶期看似“停产”实则也是乳腺进行大规模结构重塑的关键期阶段。探究干奶期和泌乳期的调控因子与信号可以从乳腺发育的动态时间轴上寻找提高产奶量的“黄金窗口”和“效率开关”。羊乳腺泌乳与退化过程中管腔上皮细胞的信号变化[5]。细胞配受体互作解析微环境信号如何调控LASP4分化补充GWAS变异之外的旁分泌调控网络。干奶期AREG-EGFR信号主导导管重塑泌乳期SPP1、BMP、IGF、TGF-β信号驱动祖细胞向泌乳细胞分化。案例展示猪肌肉卫星细胞与成肌细胞在肌生成过程中的单细胞转录组学分析[6]骨骼肌作为猪肉的主要构成部分是由肌肉卫星细胞MuSCs融合分化而成的。传统的mRNA测序只能提供平均的基因表达谱模糊了肌肉细胞群体的异质性和发育动态。本研究应用单细胞RNA测序scRNA-seq技术对猪肌生成过程进行分析旨在提高不同肌肉卫星细胞MuSC状态的转录组分辨率并为各类细胞类型提供关键分子标志物最终为生猪生产提供重要的理论数据与实用工具。文章亮点细胞鉴定对3天大猪仔的背肌LD进行单细胞RNA测序scRNA-seq分析。a用于小猪scRNA-seq分析实验的图形方案。b 来自LD肌肉的sRNA-seq数据tSNE分布式随机邻嵌入图。c 不同细胞群体的统计图表。d 5个簇中特征基因表达的点图。拟时序与富集分析拟时序排序与RNA速率分析一致地反映了发育时间轴其中重建轨迹的趋势与真实发育时间点相符从而描绘了猪肌生成过程中的时间时序关系。(a) 肌肉细胞亚群的t-SNE降维图。(b) 和 (c) 肌肉卫星细胞MuSCs与成肌细胞中标志基因的表达水平(d) 肌肉卫星细胞亚群的拟时序单细胞轨迹(e) 肌肉卫星细胞中表达量最高的前8个基因左图与成肌细胞中表达量最高的前8个基因右图(f) 肌肉卫星细胞左图与成肌细胞右图标志基因中富集程度最高的GO功能条目(g) 热休克蛋白HSP家族在肌肉卫星细胞与成肌细胞中的表达水平。构建基因相互作用网络和转录因子调控网络通过构建猪肌肉卫星细胞与肌母细胞在肌发生过程中的基因相互作用及转录因子调控网络从系统生物学层面揭示驱动细胞命运转换的核心分子开关及其协同调控机制。a富含肌肉卫星细胞MuSC左和肌母细胞右子集的调控子曲线下区域热图。b YY1的表达水平显示在左图中而调节子的二元活性显示在右图中。c DDIT3的表达级显示在左侧图中而调和子的二元活性显示在右侧图中。de在MuSCsd和肌母细胞e中检测到不同基因p0.01和abs1的蛋白质-蛋白质相互作用网络。细胞通讯分析细胞通讯信号通过配体与肌肉干细胞或祖细胞上的受体结合实现这些受体控制着多种细胞命运调控机制这些机制对MuSC分化至关重要。a 共识图谱中细胞群体间配体-受体相互作用的弦图。b所有簇中显著配体-受体对的点图。c其他细胞群体包括MuSCs之间显著相互作用的点图。d 每对配体-受体在ANGPTL信号通路中的贡献条形图以及单一配体-受体对介导的细胞间通信可视化。e所有ANGPTL家族及相关目标基因表达的小提琴示意图。文章结论通过结合单细胞RNA测序、免疫荧光染色和配体-受体相互作用建模本研究对猪骨骼肌发育进行了系统分析。基于各细胞群体独特的转录特征和发育动态成功鉴定出包括肌肉卫星细胞、成肌细胞等多种细胞类型并识别出SDC2、ITGA7和SDC4为新型猪肌肉卫星细胞标志物。此外转录分析揭示了肌生成过程中肌肉卫星细胞与成肌细胞之间的时序关系及功能差异并通过构建基因相互作用网络与转录因子调控网络为理解肌生成过程中调控肌肉卫星细胞和成肌细胞的动态机制提供了重要见解。六、功能性状应用展示1. 课题设计示例以猪为例横向设计耐受组(攻毒后存活且血清病毒载量持续阴性或清除速度显著快于群体均值,同时临床症状评分2,n5)易感组(攻毒后死亡或重症濒死,且血清病毒载量持续高企,临床评分≥3,n5)感染后采集外周血PBMC纵向设计感染前(0 dpi)→感染后急性期(3 dpi)→感染后期(7 dpi)采集各阶段外周血PBMC2. 应用场景展示抗病性与免疫机制研究FTLR4/TLR8作为模式识别受体负责识别病原体相关分子模式并启动先天免疫应答是机体感知入侵的第一道防线而CD8⁺T细胞则是获得性免疫中的核心杀伤细胞负责特异性清除被病原体感染的靶细胞。 研究二者之间的协同信号可以揭示先天免疫如何有效“赋能”并获得性免疫使CD8⁺T细胞分化为长效高活性的效应记忆表型从而将宿主抗病反应从弱效短效提升为强效持久。TLR4/TLR8信号与CD8T细胞辅助协同塑造保护性免疫表型[7]。以TLR4/TLR8为代表的先天感知信号通过APC与CD8⁺T细胞的协同互作是驱动宿主产生有效抗ASFV免疫保护的关键分子枢纽。案例展示基于单细胞转录组测序的番鸭法氏囊鸭呼肠孤病毒感染细胞类型特异性免疫应答谱系解析[8]研究通过单细胞转录组测序技术首次以单细胞分辨率系统性揭示了番鸭法氏囊在鸭呼肠孤病毒DRV/HN10株感染过程中的细胞异质性及免疫应答动态。本研究突破了传统混合组织测序的局限精准锁定各免疫细胞在长期抗病毒中的核心作用并证实法氏囊在早期发育阶段即具备强大的免疫应答能力从而为深入解析DRV致病机制及抗病育种提供了关键的细胞亚群靶点和分子依据。文章亮点测序与细胞分群法氏囊细胞类型标志基因鉴定与细胞簇注释(a) 番鸭法氏囊单细胞RNA测序的实验流程。(b) 利用条形码barcodes和唯一分子标识符UMI计数对有效细胞数量进行定量统计。(c) 每个细胞的测序读段数reads per cell和每个细胞的基因数genes per cell。(d) 基于UMI计数的细胞t-SNE降维投影图。(e) 细胞簇特异性表达基因的表达模式。(f) 采用UMAP方法对34个细胞簇进行可视化降维展示。细胞占比差异分析通过对比不同感染时间点下各细胞亚群的占比及比例变化趋势研究者能够直观地判断哪些细胞是病毒攻击的主要靶标比例显著下降、被耗竭哪些细胞是宿主启动防御的主力比例激增、被激活以及这些变化如何随着感染进程而演变。(a) 采用UMAP方法对不同细胞类型进行可视化展示。(b) 各样本组中每种细胞类型的占比比例分布。(c) 病毒感染进程中每种细胞类型比例的变化趋势。拟时序分析通过拟时序轨迹构建与免疫相关基因的时序表达热图系统揭示了番鸭法氏囊的发育动态及其免疫功能的成熟规律。(a) 参与法氏囊发育过程细胞的拟时序轨迹分析。(b) 拟时序轨迹包含四个分支点将所有细胞划分为五种状态。(c) 各细胞簇在拟时序轨迹中的位置分布。(d) 热图显示法氏囊发育过程中丝氨酸蛋白酶系统相关基因的表达水平。(e) 热图显示法氏囊发育过程中先天免疫与适应性免疫系统相关基因的表达水平。差异基因与富集分析通过差异基因分析及KEGG通路富集分析系统揭示了番鸭法氏囊发育过程中转录组的动态变化规律。(a) 不同时间点发育过程中差异表达基因的显著性分析。(b) 三组比较中的差异表达基因数量。(c) 三组比较中差异表达基因的KEGG富集分析。(d) 六条显著富集的KEGG通路中上调与下调基因的数量。文章结论通过单细胞测序scRNA-seq构建了番鸭法氏囊在HN10鸭呼肠孤病毒感染后的单细胞分辨率转录组图谱。基于细胞类型标志基因所有法氏囊细胞被划分为34个细胞簇表明法氏囊具有高度的细胞异质性。在法氏囊中大多数先天免疫与适应性免疫系统相关基因在T细胞、B细胞、中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞DCs中高表达。本研究数据为在单细胞水平上揭示鸭呼肠孤病毒DRV感染的免疫应答提供了重要契机。参考文献[1]Jia GX, Ma WJ, Wu ZB, Li S, Zhang XQ, He Z, Wu SX, Tao HP, Fang Y, Song YW, Xu SR, Wang XQ, Yang QE. Single-cell transcriptomic characterization of sheep conceptus elongation and implantation. Cell Rep. 2023 Aug 29;42(8):112860. doi: 10.1016/j.celrep.2023.112860. Epub 2023 Jul 25. PMID: 37494181.[2]Hua, L., L. Liu, D. Gao, et al. 2026. “ Myeloid-Derived CD38 Mediates Age-Related Endometrial Aging Through NAD Depletion.” Aging Cell 25, no. 1: e70356. https://doi.org/10.1111/acel.70356.[3]Ge, T., Wen, Y., Li, B. et al. Single-cell sequencing reveals the reproductive variations between primiparous and multiparous Hu ewes. J Animal Sci Biotechnol 14, 144 (2023). https://doi.org/10.1186/s40104-023-00941-1[4]Tong X, Liang Z, Duo T, Pan L, Zhu Q, Liang J, Luo X, Feng Q, Xu R, Liu Y, Chen X, Chen L, Liu X, Chen Y, Mo D. HMGB2-RAD21 Axis Promotes Fibro/Adipogenic Progenitor Proliferation and Regulates Fat Infiltration. Adv Sci (Weinh). 2026 Mar;13(16):e14363. doi: 10.1002/advs.202514363. Epub 2026 Jan 12. PMID: 41524172; PMCID: PMC13042946.[5]Xiaoru Yan, Xiaoyu Mi, Guanghui Tan,et al. Integrated Single-Nucleus Multi-Omics Atlases Reveal Lineage Plasticity and Regulatory Networks of Luminal Epithelial Cells During Mammary Gland Lactation and Involution[J]. Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany),2026,: e76753.[6]Xu-dong Yi, He Yu, Rui Li, Tian-tian Zhao, Zhao-zhao He, Wei-jun Pang,Single-cell transcriptional profiling of porcine muscle satellite cells and myoblasts during myogenesis,Agriculture Communications,Volume 2, Issue 1,2024,100026,ISSN 2949-7981,https://doi.org/10.1016/j.agrcom.2024.100026.[7]Kong C, Chen S, Li M, Wang M, Zhang H, Zhou B, Xie Z, Wang C, Gao P, Luo J, Yang H, Chen R, Zhang D, Li J, Han J. Integrated Single-Cell and TCR Profiling Reveals Protection-Associated CD8 T Cell Subsets Linked to Viral Control in PRRSV. Adv Sci (Weinh). 2026 Jul 29:e76732. doi: 10.1002/advs.76732. Epub ahead of print. PMID: 42525218; PMCID: PMC13418511.[8]Yun T, Hua J, Ye W, Chen L, Ni Z, Zhu Y, Zheng C, Zhang C. Single-cell transcriptional profiling reveals cell type-specific responses to duck reovirus infection in the Bursa of Fabricius of Cairna moschata. Int J Biol Macromol. 2024 Nov;281(Pt 4):136391. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2024.136391. Epub 2024 Oct 15. PMID: 39414202.供稿 | 单细胞产品部编辑 | 市场部