杨磊/高绍荣/李光鹏团队建立“孤雄单倍体干细胞+‘类精子’表观修饰+非整合引导编辑”三位一体的单倍体育种新策略

研究背景

      反刍动物（牛、羊等）育种是保障全球肉奶供给、提升畜牧业经济价值的核心领域——据行业数据，优良品种可使肉牛出栏周期缩短20%、产肉量提升15-20%。目前，牛羊等反刍动物生物育种常用二倍体体细胞编辑+体细胞核移植（SCNT）路径，因牛羊体细胞传代有限且两套染色体，导致基因编辑耗时常达1-2年，且克隆重编程不彻底使编辑牛羊成活率不足5%，严重制约生物育种效率。此外，由于单倍体干细胞无法稳定获得，单倍体育种技术在大动物领域未能实现。此前全球研究仅在人、猴灵长类、小鼠、大鼠啮齿类中获得了稳定单倍体干细胞，牛羊反刍类因干细胞培养体系特殊，既难以建立可传代的单倍体细胞，更无法解决其注射卵母细胞后的胚胎发育停滞问题，导致牛羊单倍体育种策略长期停留在理论阶段。

结果与展望

      内蒙古大学杨磊、李光鹏教授联合同济大学高绍荣院士和东北农业大学刘忠华教授等团队，合作建立了“孤雄单倍体干细胞（haSCs）+‘类精子’表观修饰（spermatid-like）+非整合引导编辑（ePE）”三位一体的单倍体育种策略。该技术体系不仅突破了牛羊生物育种核心技术难题，更成功培育出MSTN基因编辑牛羊，为反刍动物育种开辟了新的技术路径。因此，本研究以“构建牛羊单倍体育种技术体系”为核心目标，实现了三大关键突破：

1. 突破单倍体培养瓶颈：首次研发全新FACE培养液，成功建立了可稳定传代的牛羊孤雄单倍体干细胞系（haESCs），为牛羊单倍体育种提供了“核心编辑载体”，填补该领域底盘细胞资源空白；

2. 明确多能性应用基础：通过体内外实验证实，牛羊haSCs具备形成态（Formative）多能性（介于初始态与激发态之间，更贴近体内早期胚胎细胞特性），可分化为三胚层细胞、形成嵌合体胚胎，还能在体外诱导为原始生殖细胞（PGCs），为牛羊单倍体干细胞后续用于人造配子、胚胎培育奠定了关键材料基础；

3. 建立“类精子”表观修饰策略：当牛羊haSCs直接注射到卵母细胞（iCHI）替代精子后，雌性原核中组蛋白H3K4/K9/K27me3修饰异位表达，成为重构胚胎发育的“致命障碍”。团队先尝试过表达去甲基化酶KDM5B/4D/6A，但未能纠正修饰异常反而加剧了haSCs二倍化；最终通过瞬时表达鱼精蛋白（Prm1）策略，诱导haSCs细胞核浓缩为“类精子”结构，在细胞阶段替换“挤出”冗余甲基化修饰，成功获得了高质量Pro-iCHI重构胚胎，这一方案首次解决了单倍体重构胚胎发育难题，使囊胚形成率提升至体外受精胚胎水平。

图1 牛羊单倍体Pro-iCHI技术。（a）单倍体干细胞直接注射iCHI技术。（b）牛羊iCHI重构胚胎。（c）牛羊iCHI胚胎着床前发育。（d）牛羊iCHI胚胎发育率。

      研究团队进一步开发了非整合引导编辑工具（ePE），最终成功培育出1头非编辑牛、1只基因编辑早产羊和2头健康的基因编辑牛（出生率13.3%），这一结果验证了“haSCs + spermatid-like + ePE”策略在牛羊育种中的可行性，标志着牛羊单倍体育种从技术探索向实际应用的转化。期刊也同期上线了News&Views文章对该项工作进行介绍， 详情请见“

作者简介

      本研究核心工作依托内蒙古大学省部共建草原家畜生殖调控与繁育国家重点实验室开展。通讯作者包括内蒙古大学李光鹏教授、杨磊教授，以及同济大学高绍荣院士；第一作者为内蒙古大学杨磊教授、狄安琪博士、宋丽爽博士。内蒙古大学长期深耕“牛羊优良性状研发与生物育种技术应用”，此前已在体细胞克隆、基因编辑等领域取得突破，此次研究进一步确立其在牛羊单倍体育种领域的领先地位。