低温等离子体通过DNA甲基化-miRNAs-mRNAs提高公猪精子质量的效果及机制研究

Semen quality is essential to livestock production, but there is no simple and efficient methods to improve the sperm quality. Our previous studies have found that cold plasma treatment improves the sperm quality of cocks through regulating the expression of adenosine triphosphate synthases. Because of the difference in spermatogenesis between birds and mammals, it is unclear whether optimized cold plasma treatment can effectively improve the sperm quality of boars and the mechanism which regulates this process. In this project, we will study the molecular mechanism of optimized cold plasma treatment for improving the boar sperm quality through the regulation of DNA methylation-miRNAs-mRNAs on sperm energetic metabolism, using biological techniques such as metabonomics, transcriptome sequencing and methylation analysis, miRNA up- and down-regulation, etc. This study is conducive to elucidate the regulatory mechanism of cold plasma treatment on the boar sperm quality from an epigenetics view; this finding will provide a potential strategy for regulating boar sperm quality via the differential expression of miRNAs, as well, it might be beneficial to promote the reproductive capacity of breeding livestock.

精液品质对畜牧生产至关重要，但目前还没有提高精子质量简单有效的方法。申请者前期研究发现低温等离子体可以通过调节三磷酸腺苷合成酶的表达提高公鸡的精子质量，由于禽类和哺乳动物的精子发生有较大的差异，优化低温等离子体处理是否可以有效地提高公猪的精子质量及机制目前尚不清楚。本项目利用代谢组学、转录组测序和基因组甲基化分析、miRNA上下调以及其它分子生物学技术，在优化处理条件的基础上，研究低温等离子体如何通过DNA甲基化-miRNAs-mRNAs调控精子的能量代谢过程进而提高公猪精子质量的分子机制。本研究有利于从表观遗传学的角度阐明低温等离子体对公猪精液品质的调节机制，为利用miRNAs差异表达来调控公猪精子质量提供研究思路，同时也为低温等离子体技术应用于提高种公畜繁殖性能奠定基础。

优良的精液品质对提高公猪的繁殖性能至关重要。本项目构建了介质阻挡放电（DBD）低温等离子体处理公猪精液的系统，主要开展了以下研究工作：（1）优化DBD提高公猪精子质量的处理条件；（2）DBD对精子能量代谢过程的影响及机制；（3）DBD对精子DNA甲基化水平的影响及其对精子质量的调节机制；（4）DBD对精子miRNAs表达的影响及其对精子质量的调节机制。. 我们的结果发现：（1）2.1W-15s是提高公猪精子质量的适宜条件。（2）DBD通过增加葡萄糖摄入和PFK活性提高了精子的糖酵解通量，并通过AMPK/PGC-1α通路增加了精子线粒体功能和ATP水平，进而提高了精子质量。（3）DBD通过差异DNA甲基化和miRNAs调节了精子的能量代谢过程。（4）DBD通过增加AMPK编码区的甲基化水平影响了AMPK/PGC-1α通路，进而通过增强精子线粒体功能和氧化磷酸化通量提高公猪的精子质量。（5）DBD通过下调miR-212靶向增加精子AMPK水平，并通过增加精子葡萄糖摄入和PFK活性以及AMPK/PGC-1α通路促进了精子的糖酵解和氧化磷酸化通量与线粒体功能，进而提高了公猪的精子质量。这些结果表明适宜的低温等离子体可以通过增加AMPK甲基化水平和下调miR-212，促进精子的糖酵解和氧化磷酸化通量与线粒体功能，进而提高公猪的精子质量。本研究为低温等离子体技术在生产实践中应用于提高种公猪繁殖性能提供了支撑数据，研究发现的miR-212可以作为调节精子质量的靶向分子，但如何将这些小分子RNA应用到临床实践还需要进一步研究。