鱘魚(yú)性別決定與分化研究進(jìn)展

曾圣+周洲+杜強(qiáng)+楊興

摘要：鱘魚(yú)（Acipenser sturio Linnaeus）肉質(zhì)細(xì)嫩，味道鮮美，營(yíng)養(yǎng)豐富，由其卵加工而成的魚(yú)子醬更是被稱(chēng)為“黑色黃金”，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是目前世界上主要水產(chǎn)養(yǎng)殖品種之一。鱘魚(yú)魚(yú)子醬價(jià)格居高不下，因此養(yǎng)殖雌性鱘魚(yú)生產(chǎn)魚(yú)子醬具有更加重大的經(jīng)濟(jì)前景，但是在養(yǎng)殖早期鱘魚(yú)性別難以分辨，深入了解鱘魚(yú)性別決定與分化過(guò)程將有助于早期鱘魚(yú)性別鑒別技術(shù)的開(kāi)發(fā)。綜述了鱘魚(yú)染色體倍性、性別決定系統(tǒng)以及性別決定與分化過(guò)程的研究進(jìn)展，以期為鱘魚(yú)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鱘魚(yú)（Acipenser sturio Linnaeus）；性別決定；性別分化

中圖分類(lèi)號(hào)：S917.4；Q953 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）15-3473-04

Advances on Sex Determination and Differentiation of Sturgeons

ZENG Sheng，ZHOU Zhou，DU Qiang，YANG Xing

（Guizhou Institute of Aquatic Product， Guiyang 550025， China）

Abstract： Sturgeon known as living fossil in the water is one of the oldest fish in the world. Due to the delicious and nutritious flesh and the caviar， sturgeon is one of the world's major aquaculture species. Breeding female sturgeon to produce caviar has a very significant economic prospect because of the high price of the caviar. It is difficult to identify the sex during early stage of breeding sturgeon. An in-depth understanding sex determination and differentiation of sturgeon will help develop of sex identification technology. The ploidy and the advances on sex determination and differentiation of sturgeons were reviewed in this paper.

Key words： sturgeon （Acipenser sturio Linnaeus）； sex determination； sex differentiation

收稿日期：2014-04-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家大宗淡水魚(yú)類(lèi)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（CARS-46-49）；貴州省科技廳能力建設(shè)項(xiàng)目[黔科合院所創(chuàng)能（2011）4004]；貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)

院創(chuàng)新基金項(xiàng)目[黔農(nóng)科合（創(chuàng)新基金）2012014]

作者簡(jiǎn)介：曾 圣（1986-），男，貴州貴陽(yáng)人，研究實(shí)習(xí)員，碩士，主要從事魚(yú)類(lèi)生理和生殖研究

鱘魚(yú)（Acipenser sturio Linnaeus）隸屬硬骨魚(yú)綱輻鰭亞綱軟骨硬鱗總目鱘形目，包括鱘科和匙吻鱘科兩科，其下共有6屬27個(gè)種。鱘魚(yú)是世界上現(xiàn)有魚(yú)類(lèi)中最古老的魚(yú)類(lèi)之一，迄今已有2億多年的歷史，素有“水中活化石”之稱(chēng)。鱘魚(yú)主要分布在北半球的北美洲大陸和歐亞大陸，我國(guó)現(xiàn)存8種，3種分布于新疆，2種在黑龍江，2種在長(zhǎng)江，1種在長(zhǎng)江至珠江各河流及沿海。鱘魚(yú)肉質(zhì)味道鮮美，營(yíng)養(yǎng)豐富，卵富含大量蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸，由其加工而成的魚(yú)子醬更是被稱(chēng)為“黑色黃金”，在國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格昂貴、銷(xiāo)售走俏[1，2]。但是，由于過(guò)度捕撈、污染及棲息地環(huán)境退化等原因致使全世界范圍內(nèi)野生鱘魚(yú)的數(shù)量急劇下降，大多數(shù)已被列為瀕危物種。為了滿(mǎn)足人們對(duì)鱘魚(yú)肉制品及魚(yú)子醬日益增長(zhǎng)的需求，自20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，鱘魚(yú)養(yǎng)殖業(yè)在全世界逐漸形成和擴(kuò)大，我國(guó)也加入其中成為了世界鱘魚(yú)養(yǎng)殖的重要生產(chǎn)國(guó)。由于鱘魚(yú)魚(yú)子醬營(yíng)養(yǎng)更加豐富，在國(guó)內(nèi)外的價(jià)格持續(xù)走高，因而養(yǎng)殖雌性鱘魚(yú)生產(chǎn)魚(yú)子醬具有更大的商業(yè)價(jià)值。目前，無(wú)論是野外生長(zhǎng)還是人工養(yǎng)殖的鱘魚(yú)，其雄性和雌性的比例都是1∶1，并且鱘魚(yú)沒(méi)有第二性征，外部特征不足以進(jìn)行性別鑒別，當(dāng)前鱘魚(yú)性別鑒別技術(shù)主要包括微創(chuàng)手術(shù)法、內(nèi)窺鏡法、超聲鑒別法、血液生化及激素指標(biāo)判別法等[3]，這些技術(shù)都需要鱘魚(yú)生長(zhǎng)到較大個(gè)體，甚至到性成熟后才較為準(zhǔn)確，而鱘魚(yú)性成熟時(shí)間普遍較長(zhǎng)，性成熟年齡一般都在5齡以上，這樣人工養(yǎng)殖鱘魚(yú)生產(chǎn)魚(yú)子醬過(guò)程中在分辨性別以前就需要消耗大量人力、物力、財(cái)力去飼養(yǎng)對(duì)于魚(yú)子醬生產(chǎn)基本沒(méi)有作用的雄魚(yú)。因此，深入了解鱘魚(yú)的性別決定與分化，以期在養(yǎng)殖早期就鑒別并篩選出雌魚(yú)并淘汰雄魚(yú)，甚至通過(guò)生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)全雌鱘魚(yú)對(duì)于魚(yú)子醬的生產(chǎn)具有重要意義。

1 脊椎動(dòng)物性別決定與分化

性別決定是指雌雄異性的動(dòng)物決定性別的方式。脊椎動(dòng)物的性別決定是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，其機(jī)制大致可以分為兩種類(lèi)型：遺傳性別決定（Genetic sex determination，GSD）和環(huán)境性別決定（Environmental sex determination，ESD）[4，5]。高等脊椎動(dòng)物，如哺乳類(lèi)（性別決定系統(tǒng)為XX/XY型）和鳥(niǎo)類(lèi)（性別決定系統(tǒng)為ZZ/ZW型），其胚胎性別主要由性染色體上的遺傳基因決定，為典型的GSD。遺傳性別決定機(jī)制一般都是由位于性染色體上的性別決定基因啟動(dòng)一系列性別相關(guān)基因的級(jí)聯(lián)信號(hào)通路，誘導(dǎo)原始生殖性腺向精巢（或卵巢）分化。在哺乳動(dòng)物中，位于Y染色體上的Sry基因（Sex determination gene of Y chromosome）被認(rèn)為是整個(gè)性別決定級(jí)聯(lián)的最上游總開(kāi)關(guān)[6-9]。而在鳥(niǎo)類(lèi)中，Z染色體上具有劑量敏感效應(yīng)的Dmrt1基因（Double sex/mab-3 related transcription factor 1）被認(rèn)為是其雄性性別決定基因[10，11]。低等脊椎動(dòng)物，尤其是魚(yú)類(lèi)，由于進(jìn)化的原始性，性別決定較為復(fù)雜，其性別除受到遺傳因素的控制外，其他環(huán)境因素如溫度、類(lèi)固醇激素水平、種間和種內(nèi)關(guān)系等在性別決定和分化過(guò)程中能在不同程度上影響性別分化的方向（也即存在ESD），在某些情況下，外界環(huán)境因素的變化甚至可以完全掩蓋遺傳因素的作用，從而成為性別發(fā)育的決定因素[12]。目前在低等脊椎動(dòng)物中共發(fā)現(xiàn)了5個(gè)性別決定基因，即兩棲類(lèi)光滑爪蟾（Xenopus laevis）（ZZ/ZW型性別決定系統(tǒng)）中W染色體連鎖的雌性決定基因Dmw（W-linked DM domain gene）[13，14]；青鳉（Oryzias latipes）（XX/XY型性別決定系統(tǒng)）中Y染色體連鎖的雄性決定基因Dmy（Y-linked DM domain gene）[15，16]；銀漢魚(yú)（Odontesthes hatcheri）（XX/XY型性別決定系統(tǒng)）中Y染色體上含有的Amh（anti-mullerian hormone）基因的一個(gè)特殊拷貝—Amhy[17]；虹鱒（Oncorhynchus mykiss）Y 染色體上分離到的Sdy基因[18]；以及呂宋青鳉（Oryzias luzonensis）中克隆到的Gsdfy基因[19]。

性別分化是指受精卵在性別決定的基礎(chǔ)上進(jìn)行雌性或雄性性狀分化的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，性別作為一種性狀，與其他性狀的出現(xiàn)一樣，主要受遺傳物質(zhì)的制約，但同時(shí)環(huán)境條件也起著極其重要的作用。目前的研究表明，能影響性別的因素有溫度、鹽度、陽(yáng)光、pH、營(yíng)養(yǎng)條件、性激素、水質(zhì)以及社會(huì)因素等[20，21]，它們通過(guò)影響有關(guān)性別決定基因的活動(dòng)來(lái)發(fā)揮作用，其中最常見(jiàn)的因素是溫度。但這些因素只能影響性別性狀，不能改變性別的遺傳組成。性別分化的重要內(nèi)容是性腺分化，性腺分化既包括形態(tài)學(xué)上的分化，也包括分子水平上的分化。一般來(lái)講，性腺分子水平上的分化要早于形態(tài)學(xué)上的分化。以Sry基因?yàn)橹鲗?dǎo)、多個(gè)基因參與的級(jí)聯(lián)調(diào)控方式，決定了哺乳動(dòng)物性別分化的方向[6，22]。在這個(gè)過(guò)程中，Sox9（Sry related HMG box gene 9）、Fgf9（Fibroblast growth factor 9）、Dmrt1、Foxl2（Winged helix/forkhead transcription factor gene 2）、Rspo1（R-spondin1）、Wnt4（Wingless-type MMTV integration site family member 4）、Fst（Follistatin）、Wt1（Wilms tumorgene 1）、Sf1（Steroidogenic factor 1）、Dax1 DSS-AHC on X chromosome 1）等基因起到了至關(guān)重要的作用[23]。與哺乳動(dòng)物不同，魚(yú)類(lèi)中沒(méi)有廣泛存在的普遍的性別決定基因，但魚(yú)類(lèi)的性別分化大多受到雌激素的控制，性腺中一旦有雌激素合成，不論其遺傳性別如何，都將發(fā)育為卵巢；反之，則發(fā)育為精巢。在這個(gè)過(guò)程中，Cyp19a1a（Cytochrome P450，amily 19， subfamily A，polypeptide 1a， 雌激素合成酶芳香化酶的編碼基因）基因起到至關(guān)重要的作用，Cyp19a1a基因表達(dá)水平的上調(diào)對(duì)卵巢分化是必要的，而該基因表達(dá)的下調(diào)也是誘發(fā)精巢分化的惟一前提。

2 鱘魚(yú)性別決定與分化研究進(jìn)展

鱘魚(yú)是硬骨魚(yú)類(lèi)中進(jìn)化較為低等的一類(lèi)，其染色體數(shù)目、倍性等情況復(fù)雜，性染色體的分化也不明顯，因此對(duì)于鱘魚(yú)性別決定與分化的研究還處于相對(duì)落后的狀況，但是其特殊的進(jìn)化地位以及越來(lái)越高的商業(yè)價(jià)值，使得對(duì)其性別決定與分化的研究將成為今后鱘魚(yú)研究的一個(gè)重點(diǎn)。

2.1 鱘魚(yú)染色體倍性

研究表明，鱘魚(yú)類(lèi)全為多倍體起源魚(yú)類(lèi)，匙吻鱘科的白鱘屬（Psephurus）和匙吻鱘屬（Polyodon）以及鱘科的鰉屬（Huso）、鏟鱘屬（Scaphirhynchus）和擬鏟鱘屬（Pseudoscaphirhynchus）種類(lèi)全部為四倍體，其模型染色體數(shù)為120左右，DNA含量為4.00 pg左右。而擁有種類(lèi)最多的鱘屬情況最為復(fù)雜，不僅含有四倍體，而且迄今所報(bào)道的八倍體、十二倍體和十六倍體均發(fā)生在鱘屬內(nèi)部[24-27]。鱘魚(yú)染色體都為多倍體不僅加大了對(duì)于鱘魚(yú)基因組測(cè)序的難度，而且加大了對(duì)于鱘魚(yú)性染色體以及性別決定基因的篩選難度，因此鱘魚(yú)為多倍體這一特點(diǎn)也成為制約鱘魚(yú)性別決定與分化研究的因素之一。

2.2 鱘魚(yú)性別決定研究進(jìn)展

性別決定系統(tǒng)的研究是性別決定研究中的重要問(wèn)題，也是首要問(wèn)題，性別決定系統(tǒng)的研究將決定今后性別決定的研究方向。Van Eenennaam等[28，29]通過(guò)雌核發(fā)育技術(shù)研究了白鱘（Acipenser transmontanus）的性別決定系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在雌核發(fā)育二倍體群體中雄性的比例在18%～50%，這說(shuō)明了白鱘是雌性異配型，其性別決定系統(tǒng)也即ZZ-ZW型性別決定系統(tǒng)。在雜交鱘（Huso huso ♀×Acipenser ruthenus ♂）（70%～80%雌性）[30]、短吻鱘（Acipenser brevirostrum）（65%雌性和35%雄性）[31]和西伯利亞鱘（Acipenser baerii）（81%雌性和19%雄性）[32]發(fā)現(xiàn)了相似的情況，它們的性別決定系統(tǒng)都被認(rèn)為是ZZ-ZW型性別決定系統(tǒng)。匙吻鱘（Polyodon spathula）的情況較為特殊，Mims等[33]認(rèn)為匙吻鱘的性別決定系統(tǒng)可能為雌性同配型，Shelton等[34]修正了Mims等[33]關(guān)于匙吻鱘性別決定系統(tǒng)的假說(shuō)，認(rèn)為匙吻鱘的性別決定系統(tǒng)是雌性異配型而非雌性同配型。隨著匙吻鱘性別決定系統(tǒng)的修正，可以清楚地看到鱘形目魚(yú)類(lèi)的性別決定系統(tǒng)普遍為雌性異配型（ZZ-ZW）。正如像羅非魚(yú)這種XX-XY型性別決定系統(tǒng)的養(yǎng)殖魚(yú)類(lèi)可以通過(guò)生物學(xué)手段生產(chǎn)YY超雄魚(yú)進(jìn)而繁殖更具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的全雄群體一樣，鱘魚(yú)性別決定系統(tǒng)均為ZZ-ZW型，這讓研究者看到了今后通過(guò)生物技術(shù)生產(chǎn)超雌魚(yú)（WW）進(jìn)而繁殖全雌群體的可能，超雌魚(yú)的生產(chǎn)將會(huì)是今后鱘魚(yú)養(yǎng)殖業(yè)的一個(gè)重要突破口。

鱘魚(yú)性別決定系統(tǒng)的確定使得今后性別決定的研究更傾向于性染色體以及性別決定基因的搜尋和篩選。正如前所述，鱘魚(yú)染色體的特性制約了這一研究進(jìn)程，自2002年以來(lái)，隨著生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是分子生物學(xué)的快速發(fā)展，魚(yú)類(lèi)性別決定的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，雖然在青鳉中發(fā)現(xiàn)第一個(gè)魚(yú)類(lèi)性別決定基因Dmy后的10年間都未曾見(jiàn)到其他魚(yú)類(lèi)性別決定基因的報(bào)道，但是2012年在銀漢魚(yú)、虹鱒和呂宋青鳉中連續(xù)發(fā)現(xiàn)了Amhy、Sdy和Gsdfy這3個(gè)性別決定基因，魚(yú)類(lèi)性別決定基因的發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)出井噴的態(tài)勢(shì)，這為搜尋篩選鱘魚(yú)性別決定基因提供了新的視野。

目前對(duì)鱘魚(yú)性別決定與分化相關(guān)基因的研究也在不斷深入開(kāi)展，并取得了一定成果。Hett等[35]克隆了大西洋鱘（Acipenser sturio）的Sox9基因，發(fā)現(xiàn)Sox9基因在鱘魚(yú)中的表達(dá)并不像在哺乳動(dòng)物中的情況存在性別差異性表達(dá)，鱘魚(yú)Sox9基因只有一個(gè)，而不像其他硬骨魚(yú)類(lèi)一樣存在復(fù)制現(xiàn)象。Hale等[36]通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序研究了湖鱘（Acipenser fulvescens）12個(gè)性別決定候選基因（Sox2、Sox4、Sox17、Sox21、Sox 9、Dmrt1、Rspo1、Wt1、Wnt4、Foxl2、Tra-1、Fem1）的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)除了Dmrt1和Tra-1基因在湖鱘的雌雄個(gè)體間存在差異性表達(dá)外其余基因的表達(dá)均不存在性別差異。Dmrt1基因在雄性的表達(dá)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在雌性的表達(dá)，而Tra-1基因則相反，表明這兩個(gè)基因可能在鱘魚(yú)性別決定與分化過(guò)程中起到重要作用，但它們究竟是否是鱘魚(yú)性別決定基因及其具體的作用還有待進(jìn)一步研究。Amberg等[37]在研究阿拉巴馬鏟鱘（Scaphirhynchus platorynchus）性別特異表達(dá)基因的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)Vtg（Vitellogenin）和Dmrt1的表達(dá)均沒(méi)有表現(xiàn)出性別特異性，而Foxl2在雌性的表達(dá)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雄性，他們認(rèn)為Foxl2是一個(gè)鑒別性別的標(biāo)記。Amberg等[38]于2013年又通過(guò)下一代焦磷酸測(cè)序技術(shù)獲得了阿拉巴馬鏟鱘性成熟性腺的轉(zhuǎn)錄文庫(kù)及其物種特異性序列。這一研究不僅進(jìn)一步證實(shí)了之前的成果，還表明僅存于卵巢文庫(kù)中的Wnt級(jí)聯(lián)的兩個(gè)拮抗因子Dkk1（Dickkopf-1）和Dact1（Dapper-1）在鱘魚(yú)性別分化以及性腺發(fā)育過(guò)程中起到了重要作用，可以作為鱘魚(yú)的性別標(biāo)記。雖然目前對(duì)鱘魚(yú)性別決定基因的搜尋篩選還處于相對(duì)滯后和廣撒網(wǎng)的態(tài)勢(shì)，但是生物學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展必將改變現(xiàn)有態(tài)勢(shì)，相信找到鱘魚(yú)性別決定基因指日可待。

2.3 鱘魚(yú)性別分化研究進(jìn)展

性別分化的重要內(nèi)容是性腺分化，性腺分化的過(guò)程最終通過(guò)組織學(xué)的變化得以體現(xiàn)。中華鱘（Acipenser sinensis）出膜后3 d，原始生殖細(xì)胞（Primordial germ cells，PGC）開(kāi)始出現(xiàn)，其以單細(xì)胞形式存在于腎管區(qū)下方卵黃囊上方的體腔中。出膜后11 d，性腺原基生殖嵴形成。到2月齡和7月齡時(shí)，性腺中分別出現(xiàn)血管和脂肪組織。9月齡中華鱘性腺開(kāi)始出現(xiàn)組織學(xué)水平上的兩性分化[39]。施氏鱘（Acipenser schrenckii）PGC最早出現(xiàn)于1.5 dph （days post-hatching，dph）的仔魚(yú)中腎管原基一側(cè)的中胚層中；24 dph時(shí)生殖嵴形成；31 dph時(shí)原始性腺基本形成；90 dph時(shí)原始性腺背面出現(xiàn)1層生殖上皮細(xì)胞，腹側(cè)出現(xiàn)脂肪細(xì)胞，靠近柄部出現(xiàn)血管。180 dph以后，性腺在組織學(xué)水平上出現(xiàn)光滑型（精巢）和褶皺型（卵巢）2種性腺組織結(jié)構(gòu)，標(biāo)志施氏鱘幼魚(yú)性腺在解剖學(xué)水平上已經(jīng)分化。養(yǎng)殖水溫會(huì)影響施氏鱘性腺分化的時(shí)間，但是不會(huì)影響其分化的方向[40]。西伯利亞鱘PGC在3 dph時(shí)以單細(xì)胞的形式存在于仔魚(yú)卵黃囊上方兩中腎管之間；22 dph時(shí)生殖嵴形成；31 dph時(shí)PGC遷入生殖嵴，原始性腺形成；90 dph時(shí)原始性腺中出現(xiàn)生殖上皮和性細(xì)胞；150 dph時(shí)脂肪細(xì)胞和血管增多；210 dph時(shí)性腺出現(xiàn)2種不同的表面結(jié)構(gòu)，標(biāo)志性腺開(kāi)始分化[41]。由此可見(jiàn)，鱘魚(yú)性腺分化及性成熟的周期較其他重要經(jīng)濟(jì)魚(yú)類(lèi)長(zhǎng)，這也成為制約研究鱘魚(yú)性別決定與分化的因素之一，但是鱘魚(yú)超長(zhǎng)的性分化周期也為人工操控性別生產(chǎn)超雌魚(yú)提供了有利條件。

3 小結(jié)與展望

作為最古老的魚(yú)類(lèi)之一，鱘魚(yú)在進(jìn)化上處在軟骨魚(yú)類(lèi)向硬骨魚(yú)類(lèi)的過(guò)渡地位，其具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和研究?jī)r(jià)值。目前性別決定與分化的研究是魚(yú)類(lèi)研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)鱘魚(yú)性別決定與分化的研究不僅有助于闡明魚(yú)類(lèi)性別決定與分化這一生物學(xué)基本問(wèn)題，也能為早期鱘魚(yú)性別鑒別技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供幫助。雖然當(dāng)前對(duì)鱘魚(yú)性別決定與分化的研究相對(duì)其他硬骨魚(yú)類(lèi)還處于相對(duì)滯后的階段，并且鱘魚(yú)本身也存在一些制約研究的問(wèn)題，但是隨著各項(xiàng)生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是分子生物學(xué)技術(shù)中基因組測(cè)序技術(shù)以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)等的迅速發(fā)展，相信有關(guān)鱘魚(yú)性別決定與分化的研究將會(huì)逐步突破并取得長(zhǎng)足進(jìn)步。

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