陕北白绒山羊是我国优秀的绒山羊品种,绒山羊养殖是陕北地区重要的农业经济支柱之一。羊绒是山羊皮肤次级毛囊产生的无髓纤维,由于其重要的经济价值,一直是绒山羊育种工作的重点研究对象。在毛囊发育过程中,胚胎时期的发育过程决定了成年后的毛发性状,因此,解析早期毛囊发育过程中的分子调控机制对于更好的理解毛囊形态发生过程以及对毛绒为目标性状的育种工作具有重要的指导意义。毛囊形态发生过程涉及到多种类型细胞的特化以及细胞间通讯,且在动物胚胎发育过程中不同类型的毛囊存在非同步化发育的现象,这些原因导致人们对早期胚胎发育过程中毛囊形态发生的调控机制了解甚少。随着单细胞测序技术(single cell RNA sequencing,scRNA seq)的发展,哺乳动物组织、器官发生过程中细胞异质性的问题得到了完美解决。鉴于scRNA seq对样品中单细胞的质量要求很高,且在陕北白绒山羊上尚未有单个毛囊分离细胞应用scRNA seq测序的报道,本研究首先建立了从少量毛囊组织中分离毛囊干细胞的技术平台,绘制了陕北白绒山羊毛囊发育过程中诱导阶段、器官形成阶段以及细胞分化阶段的单细胞转录图谱,并鉴定了陕北白绒山羊毛囊形态发生过程中所涉及的主要细胞类型,对其分子特征进行了详细描绘。为了系统深入地解析绒山羊毛囊发育的调节机制,本研究同时利用scRNA seq对小鼠毛囊形态发生全过程进行了研究,对其细胞异质性进行了解析;并利用拟时间分化轨迹分析构建了表皮细胞与真皮细胞谱系的分化过程,对细胞命运特化过程中的详细分子机制进行了阐述。本研究获得的主要结果如下:(1)以少量单个毛囊分离的单细胞为材料,成功实现了陕北白绒山羊毛囊发育过程的转录组测序。利用条件培养基,对毛囊干细胞进行体外培养和富集;并利用单个毛囊体外培养体系初步解析了褪黑素对绒山羊毛囊发育的促进作用,阐述了褪黑素通过靶向调节毛囊干细胞的相关信号通路促进毛囊的生长发育。(2)在单细胞分辨率水平,构建了陕北白绒山羊毛囊发育主要阶段的单细胞转录图谱。基于tSNE聚类分析,成功鉴定了绒山羊毛囊发育过程中的真皮细胞谱系、表皮细胞谱系、毛乳头细胞、内皮细胞、角化细胞以及周皮细胞等细胞类型,并首次详细描绘了其基因表达谱。基于不同细胞类型之间的差异分析,发现了一系列具有细胞类型特异性的标记分子,如真皮细胞的LUM、COL1A1和POSTN,表皮细胞的SOX9、KRT14和KLF5l,毛乳头细胞的RSPO2、APOD和SOX18,角化细胞的KRT10、KRT1、SBSN和KRTDAP,毛干细胞的SHH、HOXC13和MSX1等。基于Monocle算法,成功构建了真皮细胞谱系以及表皮细胞谱系的拟时间分化轨迹,并对真皮细胞谱系的真皮聚集、毛乳头细胞以及表皮细胞谱系表皮细胞、毛干细胞、角化细胞的特化过程进行了动态分析,阐述了绒山羊不同类型细胞特化过程中拟时间基因表达变化过程。(3)在单细胞水平鉴定了小鼠毛囊形态发生过程中的主要细胞类型。基于tSNE分析,鉴定出表皮细胞、真皮细胞、毛乳头细胞、成黑素细胞、内皮细胞以及神经细胞等,并对其基因表达谱进行了详细阐述。发现和鉴定了真皮细胞(Col1a1、Lum、Twist2和Mdk)、表皮细胞(Krt14、Krt15、Pdgfra和Epcam)、真皮聚集细胞(Sox2、Sox18、Trps1和Foxd1)、周皮细胞(Rgs5和Acta2)和成黑素细胞(Plp1和Fabp7)等各类型细胞特异性表达的标志基因,并对不同类型细胞特异性表达的基因进行了功能富集分析,阐述了其基因表达模式。(4)基于拟时间分化轨迹分析,成功构建了小鼠表皮细胞谱系及真皮细胞谱系在整个毛囊发育过程中的分化轨迹,阐述了真皮细胞谱系真皮聚集、毛乳头以及表皮细胞谱系基质细胞、毛囊干细胞前体细胞、内根鞘、毛干细胞特化过程中拟时间基因表达变化情况。基于SCENIC算法,筛选出不同类型细胞特化过程中的关键转录调控因子,详细的描绘了不同类型细胞特化过程中的转录调控关系。综上所述,本研究利用scRNA seq测序技术,首次对陕北白绒山羊及小鼠的毛囊早期形态发生过程进行了系统解析。从单细胞水平对主要细胞类型进行了鉴定,首次详细阐述了绒山羊及小鼠毛囊早期形态发生过程中所涉及的不同类型细胞的基因表达谱,并且详细阐述了真皮细胞谱系以及表皮细胞谱系分化过程中的基因表达变化情况,揭示了不同类型细胞其命运决定的调控机制。该研究结果丰富了人们对绒山羊早期毛囊形态发生过程的认识,为陕北白绒山羊育种研究提供了有力的理论和技术支持。