科技創(chuàng)新促鯉躍龍門——記中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所孫效文及其團隊

文 | 劉建偉 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院

科技創(chuàng)新促鯉躍龍門——記中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所孫效文及其團隊

文 | 劉建偉 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院

十二五“鯉優(yōu)良品種選育技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化”成果，以挖掘主要經(jīng)濟性狀的基因和標(biāo)記為突破口，采用多性狀符合選育與分子育種相結(jié)合的技術(shù)，歷時26年，收集創(chuàng)制優(yōu)異種質(zhì)，建立分子育種技術(shù)，組裝基因組約16.9億堿基，注釋了52610個功能基因，完成了鯉魚全基因組序列圖譜繪制，成為國際上首個完成全面解析的異源四倍體硬骨魚類基因組圖譜。培育出適于不同生境的生長快、品質(zhì)優(yōu)、抗逆強的4個優(yōu)良新品種，解決了國內(nèi)鯉的優(yōu)良品種少、種質(zhì)混雜、品種退化嚴(yán)重、養(yǎng)殖產(chǎn)量低、越冬死亡率高的問題。成果獲得2015年度國家科學(xué)技術(shù)二等獎，為促進鯉育種技術(shù)的更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。

近年來，隨著測序技術(shù)的進步，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖魚類分子標(biāo)記及基因組層面的研究越來越多，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的研究論文及科技成果。優(yōu)異成績的取得離不開水產(chǎn)科技工作者的刻苦攻關(guān)，孫效文正是其中杰出的代表。畢業(yè)于化學(xué)系的他，以極大的興趣及勇氣投身于魚類生物工程育種這一全新領(lǐng)域。彼時，生物技術(shù)在我國水產(chǎn)動物的研究尚處于起步階段，他從研制轉(zhuǎn)基因鯉到開發(fā)分子標(biāo)記，從構(gòu)建我國第一張養(yǎng)殖魚類鯉的遺傳圖譜到創(chuàng)新分子育種技術(shù)，從測定鯉全基因組到解析與改良鯉品質(zhì)性狀，每一項研究都取得了驕人的成績，使我國在鯉這一世界性養(yǎng)殖種的研究中始終走在世界的前列。

勇挑重擔(dān)，系統(tǒng)開發(fā)微衛(wèi)星標(biāo)記

分子標(biāo)記是開展眾多遺傳學(xué)研究的有效工具，孫效文意識到分子標(biāo)記的重要性，于1994年投身于分子標(biāo)記技術(shù)的研究中。1997-2002年5年間先后3次赴美國華盛頓大學(xué)、新罕布什爾大學(xué)、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院斑馬魚基因組中心等國際一流團隊做訪問學(xué)者，從事斑馬魚基因組研究中有關(guān)遺傳連鎖圖和經(jīng)濟性狀定位等研究。微衛(wèi)星標(biāo)記作為共顯性遺傳標(biāo)記，在群體遺傳學(xué)及遺傳育種中都具有非常大的應(yīng)用潛力，但是我國主養(yǎng)魚類如草魚、鰱、鳙、鯉、鯽等缺乏共顯性遺傳標(biāo)記，限制了種質(zhì)遺傳評估等研究的開展，而我國主養(yǎng)魚類與西方國家不同的現(xiàn)狀，也使我們無法直接應(yīng)用已有的標(biāo)記資源。然而，由于微衛(wèi)星標(biāo)記開發(fā)成本較高，在當(dāng)時科研經(jīng)費較少的大環(huán)境下，少有實驗室進行系統(tǒng)地研究與開發(fā)。

孫效文意識到雖然微衛(wèi)星分子標(biāo)記開發(fā)投入較高，但是一旦開發(fā)就可以大幅度推動魚類的遺傳研究和育種應(yīng)用，立志要為我國每種主養(yǎng)魚類開發(fā)30個以上的多態(tài)微衛(wèi)星標(biāo)記。他帶領(lǐng)團隊經(jīng)過近3年的艱苦攻關(guān)，通過多方查閱資料，反復(fù)試驗及摸索，終于建立和完善了兩種微衛(wèi)星制備標(biāo)準(zhǔn)方案——小片段克隆和磁珠富集克隆，在片段分離方法、感受態(tài)細胞制備等方面進行了創(chuàng)新。其中將磁珠富集微衛(wèi)星標(biāo)記后，用同位素標(biāo)記的探針進行二次篩選，主要是為了避免假陽性，減少測序成本以節(jié)省經(jīng)費。但眾所周知，同位素的放射性對身體損害很大，孫效文力排眾議，在實驗室中建立了一套同位素操作規(guī)范，并隔離出獨立的空間用于此項操作。每一次標(biāo)記探針都親自動手，以免學(xué)生操作不當(dāng)造成無可挽回的傷害，他常說你們都怕我不怕，反正我這么大年紀(jì)了多照幾次也沒事。正是這種執(zhí)著與堅持，帶領(lǐng)團隊分離了35個物種的微衛(wèi)星標(biāo)記，每種多態(tài)標(biāo)記量均達到30個以上，滿足了物種種質(zhì)的遺傳鑒定，其中草、鰱、鳙等21個物種均為世界首次獲得微衛(wèi)星標(biāo)記，上傳GenBank數(shù)據(jù)庫后，推動了這些物種的研究進程，填補了我國水產(chǎn)動物尤其是特有魚類的標(biāo)記量缺少的空白。

遺傳連鎖圖譜是遺傳學(xué)研究的重要工具。孫效文帶領(lǐng)團隊在極端困難的條件下，于2000年構(gòu)建發(fā)表了鯉第一代連鎖圖譜，這也是我國第一個養(yǎng)殖魚類鯉的連鎖圖譜，截止到2016年5月該論文在中國期刊網(wǎng)被引用了269次，推動了我國水產(chǎn)動物遺傳學(xué)研究的技術(shù)進步。孫效文不滿足于現(xiàn)狀，高瞻遠矚，牢牢把握世界生物技術(shù)的發(fā)展方向，接連發(fā)表了鯉的以微衛(wèi)星標(biāo)記和SNP標(biāo)記為主的第二代、第三代高密度遺傳連鎖圖譜，新的高密度連鎖圖譜有4877個標(biāo)記，分辨率平均0.9里摩，定位了12個家系的QTL結(jié)果，獲得了大批與性狀相關(guān)的主效基因和標(biāo)記，包括了用常規(guī)方法難以研究的食物轉(zhuǎn)化率、肌纖維、消化酶、脂肪酸含量、肌間刺等品質(zhì)性狀，多項研究達到了世界領(lǐng)先水平。

刻苦攻關(guān)，創(chuàng)新鯉分子育種技術(shù)

利用分子標(biāo)記指導(dǎo)育種研究，從基因組水平對良種進行選育和改良，一直是育種學(xué)家的夢想。在歐美國家，標(biāo)記指導(dǎo)育種早已取得了巨大的成功，但是在我國，受限于標(biāo)記量不足和資金短缺，此方面的研究一直停滯不前。孫效文帶領(lǐng)團隊勇挑重擔(dān)，在“十一五”初期就根據(jù)我國鯉科魚類苗種低值化的現(xiàn)狀，針對品種近交衰退的產(chǎn)業(yè)問題，提出了利用分子標(biāo)記計算的親本間遺傳距離控制近交的魚類分子育種的技術(shù)方案。當(dāng)時多數(shù)業(yè)內(nèi)專家對分子育種技術(shù)在魚類的應(yīng)用持懷疑態(tài)度，孫效文不解釋不爭辯，而是帶領(lǐng)科研團隊通過連續(xù)5年的刻苦攻關(guān)，通過累計99個家系的反復(fù)試驗，揭示了鯉雌雄親本配組時具有“閾值”現(xiàn)象，據(jù)此建立了基于雌雄親本遺傳距離的分子育種技術(shù)，獨創(chuàng)標(biāo)記輔助群體選育、標(biāo)記輔助進行群體遺傳結(jié)構(gòu)優(yōu)化等適用于水產(chǎn)動物的選育方法，開發(fā)了配套的選種軟件，實現(xiàn)了鯉的育種技術(shù)由“表型”選擇到“表型+基因型”選擇的技術(shù)更新。技術(shù)的應(yīng)用取得了巨大的成功，每年為生產(chǎn)單位生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)苗種上千萬尾，增加經(jīng)濟效益達百萬以上，大大推動了行業(yè)的進步和變革，對其他種類例如對蝦、大菱鲆等遺傳種質(zhì)的改良也起到了示范作用。

孫效文深知創(chuàng)新技術(shù)只有推廣開來才能推動產(chǎn)業(yè)的進步，通過調(diào)研、論證，作為首席專家，組織國內(nèi)主要育種單位連續(xù)承擔(dān)了農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項——水產(chǎn)分子育種共性技術(shù)的建立與應(yīng)用，948引進計劃“水產(chǎn)主導(dǎo)品種分子育種技術(shù)引進”等項目，帶動了一大批科技工作者加入到水產(chǎn)分子育種的隊伍，物種涉及草魚、鰱、鳙、鯉、鯽等主要養(yǎng)殖魚類。組織編著了我國第一本分子育種專著《魚類分子育種學(xué)》，并連續(xù)3年開辦分子育種技術(shù)與基因組學(xué)技術(shù)培訓(xùn)班，免費培訓(xùn)科技人員200余人，并以簽訂協(xié)議的方式允許國內(nèi)15家研究單位免費使用選種軟件，推動了分子育種技術(shù)在產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。

建立了高密度遺傳連鎖圖譜、獲得了大批與性狀相關(guān)的主效基因和標(biāo)記、建立了基因組資源豐富的數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)站，獲得了鏡鯉耐低氧、抗寒性強等的基因組溯源的證據(jù)，推進鯉育種研究進入了基因組時代。

建立了覆蓋全國的推廣體系，以3個育種單位的實驗基地為選育中心，依托大宗淡水魚產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，通過合作協(xié)議方式在每個省各建1個繁育基地和4～5個縣級示范片，平均每個縣建立4～5個養(yǎng)殖示范片，已建成28個繁育基地、169個示范片。4個新品種覆蓋了全國鯉養(yǎng)殖產(chǎn)量的80%，促進了鯉的良種覆蓋率達到100%。

迎接挑戰(zhàn)，啟動鯉魚基因組計劃

對具有重要經(jīng)濟價值的物種進行全基因組測序，發(fā)掘基因組內(nèi)蘊含的海量遺傳信息，破解決定產(chǎn)品品質(zhì)、產(chǎn)量、生長速度、抗病害能力等生產(chǎn)性狀的基因奧秘，一直是農(nóng)業(yè)科研工作者夢寐以求的理想。但是，技術(shù)水平、資金投入，以及目標(biāo)物種的研究基礎(chǔ)都制約著全基因組測序工作的開展。面對必然到來的基因組時代，孫效文沒有等待和觀望，而是積極地迎接挑戰(zhàn)，選取研究基礎(chǔ)較好、育成品種最多的水產(chǎn)養(yǎng)殖種鯉作為研究對象，經(jīng)多方聯(lián)絡(luò)奔走，通過對工作框架設(shè)計、實驗材料選取、技術(shù)路線選擇、工作部署和計劃進度安排等內(nèi)容的設(shè)計與深入論證，于2009年12月啟動了“鯉魚基因組計劃”。如今六年過去了，項目組完成了鯉全基因組序列精細圖譜繪制，組裝基因組約16.9億堿基，注釋了52610個功能基因，是國際上首個完成全面解析的異源四倍體硬骨魚類基因組圖譜，研究結(jié)果發(fā)表在國際頂級刊物《Nature Genetics》上。作為第一個基因組測序的鯉科養(yǎng)殖魚類，也對草魚、鯽等其他鯉科經(jīng)濟魚類的基因組研究起到重要的帶動作用，對深入探索和解析鯉科魚類及硬骨魚類的基因組進化和加倍機制提供重要依據(jù)。

孫效文力促鯉魚基因組測序結(jié)果共享應(yīng)用和服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建立了鯉基因組資源豐富的數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)站，包括因組精細圖譜、遺傳變異圖譜（含1800余萬基因組SNP和77.8萬個cSNP）、52610個基因、9.2萬個微衛(wèi)星、鯉基因組物理圖譜等，迄今已經(jīng)有來自82個國家和地區(qū)的訪問和數(shù)據(jù)檢索，僅鯉網(wǎng)站在2015年有6000多人次瀏覽和下載，有力地保證了基因組數(shù)據(jù)在國內(nèi)外同行中的開放共享，極大方便了鯉科魚類基礎(chǔ)研究和分子育種工作。除此之外，組織承擔(dān)了863項目“鯉魚和草魚等重要養(yǎng)殖魚類功能基因組研究與應(yīng)用”，從基因組層面開展性狀遺傳解析及應(yīng)用于育種，帶領(lǐng)團隊對鯉飼料轉(zhuǎn)化率、肌間刺、脂肪含量、抗皰疹病等性狀進行了研究，推進了鯉育種研究進入了基因組時代。

十年彈指一揮間，孫效文帶領(lǐng)團隊承擔(dān)國家級課題5項，省部級課題6項；獲得了省部級獎勵2項；團隊獲得農(nóng)業(yè)部神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎優(yōu)秀創(chuàng)新團隊（2009年），多次被評為中國水產(chǎn)科學(xué)研究院優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院“先進集體”等稱號，孫效文個人更是年年被評為優(yōu)秀工作者、先進個人等；培養(yǎng)研究生50余人，畢業(yè)生遍布全國水產(chǎn)領(lǐng)域的研究所及高校，推進了分子育種技術(shù)與基因組技術(shù)的普及及應(yīng)用。2015年度，孫效文主持的“鯉優(yōu)良品種選育技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化”獲得國家科技進步二等獎，更是對其個人及其團隊的最高褒獎?？蒲杏罒o止境，在基因組時代的大背景下，孫效文正帶領(lǐng)團隊奔走在減少肌間刺、提高飼料轉(zhuǎn)化率和肉質(zhì)等新種質(zhì)創(chuàng)制的路上，為產(chǎn)業(yè)的提質(zhì)增效、為造福全國的養(yǎng)殖戶和消費者作出貢獻。

孫效文主持的 “鯉優(yōu)良品種選育技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化”項目獲得2015年度國家科技進步二等獎