桂建芳：精准育种 破解鱼类生殖奥秘丨《瞭望》
2022/4/17 8:00:00 中科院之声
◇20年来，中国水产养殖的产量一直占世界养殖产量的2/3左右，为中国消费者提供了1/3以上的动物蛋白来源
◇目前我国水产养殖遗传改良率为52.8%，良种对我国水产增产的贡献率为25%～30%，低于水产养殖发达的挪威等国
◇“基于基因组技术的不断发展，精准育种能够精准创制鱼类的优异经济性状和品种，培育出肉质好、产量高、病害少、繁殖快的‘完美鱼’。”“吃鱼不挑刺有望成为现实。”
鱼类等水产品是世界公认较为优质的蛋白来源。作为世界第一渔业大国，20年来，中国水产养殖的产量一直占世界养殖产量的2/3左右，为中国消费者提供了1/3以上的动物蛋白来源。
水产养殖的可持续发展离不开优良品种的支撑。我国是世界水生生物特别是水产种质资源丰富的国家之一，随着遗传育种科学研究的进步，我国水产养殖业逐渐摆脱了对野生种的依赖。目前，我国大约有550个水产养殖种类，其中具有一定养殖规模的土著种约280个，引进种约80个，人工培育品种约200个。
鱼类新品种的培育，极大促进了相关养殖业的快速发展，鲫鱼和鲤鱼产量已从1983年的4.8万和8.6万吨增至2020年的274.9万和289.6万吨。鲤鱼、鲫鱼、罗非鱼、中国对虾、扇贝等已形成系列新品种，实现了品种更新换代。
我国水产养殖育种还面临哪些挑战？中国科学院院士、中国科学院水生生物研究所研究员桂建芳告诉《瞭望》新闻周刊记者，一是提高良种率。目前我国水产养殖遗传改良率为52.8%，大量水产养殖种尚有待进行系统遗传改良。良种对我国水产增产的贡献率为25%～30%，低于水产养殖发达的挪威等国。
二是降低病害发生率。我国水产养殖每年因病害损失达450亿元，药物使用不当带来了产品质量安全和水域生态环境污染隐患。
“基于基因组技术的不断发展，精准育种能够精准创制鱼类的优异经济性状和品种，培育出肉质好、产量高、病害少、繁殖快的‘完美鱼’。”桂建芳说，“吃鱼不挑刺有望成为现实。”
基本形成现代水产良种与种业体系
《瞭望》：如何评价我国水产种业发展情况？
桂建芳：由于国外较少养殖淡水鱼类，我国大宗淡水鱼类等水产养殖良种大部分源于自主研发，种苗基本实现了完全自给。
分阶段来看，我国的水产种业经历了以捕捞天然苗种为主、以简单的人工繁殖苗种为主和遗传改良种应用逐步扩大三个主要阶段。1958年“四大家鱼”人工繁殖以及成功进行海带自然光育苗，标志着我国水产种业进入第二阶段；以1991年农业部启动水产原良种体系建设为标志，水产种业进入第三阶段。进入21世纪，为了把控新品种培育的源头，针对特定的养殖种类，遴选认定了一批水产遗传育种中心。通过这些举措，基本形成了中国现代水产良种与种业体系。
截至2019年，全国已建成31个水产遗传育种中心，84家国家级水产原良种场，820家地方级水产原良种场。目前，我国已审定240个水产新品种，驱动着水产种业蓬勃发展。
《瞭望》：针对提高水产良种率，国内进行了哪些科研攻关？
桂建芳：造成水产良种率低的原因有很多：一是为满足国人的多元化消费需求，水产养殖种类非常多，大约有550个。一些水产养殖物种仍然停留在利用原种阶段；二是一些传统养殖对象育种周期长，新品种培育难，如“四大家鱼”中，仅有鲢鱼审定了长丰鲢和津鲢两个新品种，草鱼、青鱼和鳙尚未审定新品种；三是良种推广力度不够，等等。
水产生物遗传育种研究一直是水产科学研究领域的重点工作。“十二五”期间，科技部先后部署了“重要养殖鱼类功能基因组和分子设计育种的基础研究”等973计划项目，“海水养殖种子工程”等863计划项目，“淡水养殖品种选育及规模化繁育技术研究与示范”等“十二五”国家科技支撑计划项目；农业农村部部署了“鱼类性别控制和单性苗种培育技术研究”“水产分子育种共性技术的建立与应用”等公益性行业(农业)科研专项以及国家水产种质资源平台建设等项目；2018年开始，科技部部署了国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项。
在这些项目的支持下，我国水产生物遗传育种在基础理论、技术和品种创制上快速发展。自2010年起相继破译了大平洋牡蛎、鲤鱼、草鱼、半滑舌鳎等数十种水产养殖生物的全基因组序列，奠定了我国水产生物基因组研究的国际领先地位。主要体现在以下三方面：
一是围绕着生长、生殖、性别、内分泌调控、抗病、耐低氧、耐寒、品质等重要经济性状，在关键功能基因鉴定和遗传机制解析方面取得了一些重要进展；
二是在多种水产养殖生物中运用了选择育种、杂交育种、分子标记辅助育种、细胞工程育种、性别控制、基因转移等技术，并尝试和应用了全基因组选择育种、分子设计及分子模块设计育种、基因编辑等前沿技术；
三是建成了水生生物的全基因组选择育种平台，育成“蓬莱红2号”栉孔扇贝；基因编辑技术也在银鲫鱼、黄颡鱼、鲤、团头鲂、金鱼等多种养殖或观赏鱼类中得到了应用，加快了精准育种进程。
创制异育银鲫新品种
《瞭望》：异育银鲫系列品种培育是改革开放40多年来水产遗传育种推动水产种业以及水产养殖快速发展的一个典型事例。你在这一过程中突破了哪些关键核心技术？
桂建芳：鲫鱼适应性强，肉质细嫩鲜美，是很受消费者欢迎的一种鱼。上世纪80年代以前，由于普通四倍体鲫的产量较低，鲫鱼并不是一个重要的水产养殖品种。
直到六倍体银鲫独特生殖方式的发现，并在育种上进行应用，这才彻底改变了我国鲫鱼养殖状态。由于银鲫六倍体的遗传背景，能够进行异精雌核生殖，即用其他品种鱼类精子刺激鱼卵，精子自身遗传物质不参与遗传，产生全雌性的子代。另一方面，银鲫能够“偷”一些其他鱼类的基因过来，将其他鱼类精子的染色体组、染色体片段或微量遗传物质并入到卵核中协同发育。
银鲫还有有性生殖和类杂种生殖等多种生殖方式，多种生殖方式提高了银鲫的遗传多样性，环境适应能力更强。这让我们意识到，完全可以利用这种特性，进行银鲫优良品种的创制和选育。
上世纪80年代起，经过中国科学院水生生物研究所三代专家的持续努力，利用异精雌核生殖等多重生殖方式，连续培育出异育银鲫、高体型异育银鲫和异育银鲫“中科3号”和“中科5号”等优良品种。“中科5号”就是用团头鲂父本精子与银鲫母本卵子进行“交配”制种产生的。
异育银鲫“中科3号”和“中科5号”的培育皆历时20多年，回顾培育历程，其解决的核心科学和技术问题主要包括：如何利用银鲫的异精雌核生殖能力创制新种质；如何在增加银鲫遗传和克隆多样性的同时引入或创造优良性状；如何解析六倍体银鲫复杂的基因组信息，从中鉴定出已稳定整合入银鲫基因组的异源精子DNA片段，并作为分子标记辅助选育出遗传稳定、经济性状优良的新品种。
在全国大规模推广异育银鲫系列品种以及其他鲫鱼品种，加快了鲫鱼产业发展，全国鲫鱼产量已从1983年的4.8万吨增至2020年的274.9万吨。
鱼类精准育种五条路径
《瞭望》：在鱼类精准育种方面，你认为未来发展方向有哪些？
桂建芳：为解决水产良种率低等水产种业短板问题，需要建立一套成熟的、共性强的育种理论和技术体系，同时发展和完善精准、定向、高效的育种技术以缩短育种周期。
基于基因编辑技术途径导入有益基因或移除不利基因，例如培育无肌间刺鱼。目前，华中农业大学水产学院高泽霞教授团队已在斑马鱼中鉴定出决定肌间刺发生的主效基因，通过基因编辑技术敲除该基因，已经获得了无肌间刺的斑马鱼。与此同时，培育无肌间刺或者少肌间刺的遗传育种工作也已经在团头鲂和银鲫等养殖鱼类中启动，吃鱼不挑刺有望成为现实。
很多养殖鱼类雌雄之间都存在生长速率和个体大小的显著差异，基于性别特异标记技术可以培育单性群体，目前已有不少成功范例。例如黄颡鱼雄鱼个大肉多，雌鱼个小肉少，利用性别特异标记技术，通过人工操控就可以培育出全雄鱼，其他还有全雌鲤、全雌鳜和全雄乌鳢等。
基于可控原始生殖细胞开关技术生产不育子代。由于鱼类性腺发育有时会对部分经济性状产生影响，这些影响包括转移生长所需能量，降低生长速率，以及肉质退化等，因此培育不育鱼具有广阔的应用前景。科研人员通过精准调控原始生殖细胞发生或者迁移相关基因的表达，扰乱原始生殖细胞的发育，例如中科院水生所胡炜团队和国际专家已在斑马鱼和大西洋鲑中进行了成功尝试。
基于借腹生殖技术提升育种速率。有些鱼类的性成熟周期为几年甚至十几年，育种周期很长，因此通过借腹生殖技术将这些鱼类的生殖细胞移植到繁殖周期短的鱼类中，可以缩短育种周期，提升育种效率。目前已经实现了跨亚科物种间的借腹生殖，例如中科院水生所孙永华团队将供体稀有鮈鲫的精原干细胞植入受体斑马鱼鱼苗性腺中，使斑马鱼产出稀有鮈鲫精子，并能与稀有鮈鲫卵进行受精。
基于基因组整合及有性生殖重新创制人工合成多倍体。多倍体鱼类通常展现出较快的生长速率、广泛的环境适应性，以及较强的病害抵抗力等，多倍体育种是水产养殖中的重要育种技术。例如，将六倍体银鲫与四倍体鲫进行基因组整合，获得可有性生殖的人工合成八倍体，随后将该八倍体与四倍体回交，获得新的人工合成六倍体，为遗传育种提供了重要的遗传资源和生殖操控策略。
《瞭望》：对水产养殖中的病害，能否通过精准育种防控？
桂建芳：据统计，我国水产养殖每年因病害损失达450亿元，药物使用不当带来了产品质量安全和水域生态环境污染隐患。培育抗病力强的新品种，可以从源头上解决水产养殖病害问题。近十多年，我国学者在水产动物病原鉴定和基因组解析、病毒—宿主相互作用、鱼类先天性免疫、抗病毒相关基因鉴定和信号通路解析等方面做了大量工作，为抗病育种研究提供了一定的基础。
目前国内外很多科研工作者正采用全基因组选择育种技术，或试图通过基因编辑关键的免疫负调控因子来精准培育抗病鱼类新品系。这是一项艰难的工作，需要免疫专家和遗传育种专家的协同努力。
来源：《瞭望》
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