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體外胚胎生產是現代繁殖技術的核心組成部分。近年來，結合活體采卵，體外胚胎生產快速推廣，成為家畜遺傳改良和良種擴繁的重要手段之一。然而，體外培養體系不完善，因而體外生產胚胎的質量低于體內生產胚。有研究發現，建立高效的胚胎培養體系存在兩個制約因素。一是關于卵母細胞成熟和胚胎發育過程中代謝和代謝基因表達缺乏研究，二是傳統的代謝分析方法無法適用于家畜卵母細胞和早期胚胎，需要大量的細胞樣本。因此，利用微量技術鑒定關鍵代謝物并改良體外培養系統是家畜繁殖學領域的迫切需求。中國科學院西北高原生物研究所動物生態與資源保護研究團隊與四川農業大學動物科技學院研究團隊合作，利用超靈敏微量代謝組學技術和單細胞轉錄組學技術，解析綿羊卵母細胞體外成熟及早期胚胎體外發育的代謝特征。研究發現，GV期卵母細胞至2-細胞胚胎階段的整體代謝水平呈上升趨勢，為促進卵母細胞成熟和合子發育提供了必要的代謝底物；而在2-細胞胚胎至8細胞胚胎階段，整體代謝表現出安靜狀態，有助于減少氧化應激對細胞的損傷；在8-細胞胚胎至囊胚階段，整體代謝水平提升，為早期囊胚的形成、增殖分化以及表觀修飾過程提供能量和所需的代謝底物。進一步，該研究鑒定出肉毒堿、甜菜堿和肌酸為體外培養系統所缺失的關鍵代謝物。研究發現，肉毒堿可促進綿羊卵母細胞脂肪酸氧化，降低脂質含量和脂質過氧化水平，調節紡錘體形態。而甜菜堿則具有調節綿羊早期胚胎發育過程中滲透壓應激和甲基化修飾的作用。研究顯示，當聯合肉毒堿與甜菜堿添加至體外培養體系時，可以提高綿羊卵母細胞的囊胚發育率。上述成果為提高卵母細胞成熟和胚胎培養提供了新視角。9月2日，相關研究成果以Integrated ultrasensitive metabolomics and single-cell transcriptomics identify crucial regulators of sheep oocyte maturation and early embryo development in vitro為題，在線發表在Journal of Advanced Research上。研究工作得到國家重點研發計劃和青海省重大科技專項等的支持。論文鏈接