解開水產(chǎn)生物生長品質性狀的基因謎題

文/本刊記者 楊陽

水產(chǎn)養(yǎng)殖種質資源作為農(nóng)業(yè)種質資源的重要組成部分，是水產(chǎn)養(yǎng)殖原始創(chuàng)新、推動現(xiàn)代水產(chǎn)種業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)高質量發(fā)展的必備物質基礎。我國是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，目前面臨提質增效、轉變生產(chǎn)模式等重大產(chǎn)業(yè)問題，種質改良是實現(xiàn)水產(chǎn)業(yè)新舊動能轉換、 推動產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的關鍵要素， 而高產(chǎn)優(yōu)質的良種一直為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)所急需，只有自主掌握重要的核心種質資源，創(chuàng)制過硬的拳頭型新品種，才能在種業(yè)競爭中擁有主動權。 開展水產(chǎn)養(yǎng)殖生物生長和品質性狀的遺傳基礎與調控機理研究，可為優(yōu)質高產(chǎn)良種培育提供理論和技術支撐，提升我國水產(chǎn)種質創(chuàng)新能力。

國家重點研發(fā)計劃“藍色糧倉科技創(chuàng)新”重點專項“水產(chǎn)養(yǎng)殖生物生長和品質性狀的遺傳基礎與調控機理研究”項目（以下簡稱“項目”）聚焦水產(chǎn)養(yǎng)殖生物生長和品質性狀的遺傳解析，為優(yōu)質、高產(chǎn)水產(chǎn)良種培育提供理論基礎和技術支持。

解密，水產(chǎn)生物基因組之謎

基因，儲存著生命孕育、生長、凋亡過程的全部遺傳信息。項目聚焦魚類、蝦蟹、貝類、藻類、棘皮類等水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的經(jīng)濟性狀，確定研究目標：一是構建水產(chǎn)養(yǎng)殖生物基因組精細圖譜； 二是建立水產(chǎn)生物經(jīng)濟性狀基因功能驗證技術體系， 突破基因編輯技術； 三是發(fā)掘生長和品質性狀關鍵基因和調控元件，揭示性狀的基因調控網(wǎng)絡，解析水產(chǎn)生物生長和品質性狀形成的遺傳基礎和調控機制。

構建基因組精細圖譜， 就是繪制某種生物所有染色體上脫氧核糖核苷酸的排列順序?！巴暾麥蚀_的基因組信息是開展性狀精細解析和分子育種的重要基礎。 ”項目負責人、中國海洋大學教授胡曉麗介紹道，“項目組目前已完成11 種水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的染色體水平基因組精細圖譜構建， 為開展水產(chǎn)生物經(jīng)濟性狀精細定位、雜種優(yōu)勢解析、全基因組選擇和分子設計育種等奠定了組學基礎。 ”

據(jù)胡曉麗介紹， 中國水產(chǎn)科學院李炯棠研究員團隊通過構建四倍體鏡鯉及其祖先種虎皮魚和近緣種似刺鳊鮈的基因組精細圖譜， 發(fā)現(xiàn)鯉的兩個亞基因組通過同源交換和反式剪切增加遺傳信息交換， 并且同源基因表達有劑量補償效應和主效基因現(xiàn)象， 為揭示鯉等多倍體生物性狀遺傳調控機制提供重要信息。 中國海洋大學王冬梅副教授突破紫菜為藻菌共生體、基因組中GC 含量和重復序列比例高等基因組組裝困難， 揭示了抗氧化基因家族擴張及共表達調節(jié)是紫菜葉狀體世代適應極端環(huán)境的重要遺傳基礎， 闡明了碳酸酐酶調控紫菜葉狀體在干露失水時利用空氣二氧化碳、棲居于貝殼中的絲狀孢子體利用貝殼碳酸鈣作為碳源的分子機制， 對深入理解紫菜生長發(fā)育的遺傳基礎，指導紫菜良種培育有重要意義。 另外，中國科學院海洋研究所張曉軍研究員通過比較基因組學研究， 揭示了中國對蝦基因組中簡單重復序列（SSR）的擴張機制及其對基因組可塑性影響，提示了SSR 在對蝦適應性進化過程中的關鍵作用。

調控，魚類肌間刺基因敲除

（左）鯽肌間刺突變體Micro-CT照片，（右）鯽野生型Micro-CT照片（圖片提供：匡友誼）

分子設計育種能夠實現(xiàn)從“經(jīng)驗育種”到定向高效的“精確育種”轉變，不僅能在很大程度上減少常規(guī)育種的盲目性， 而且可以大幅提高育種效率。 項目通過建立水產(chǎn)生物基因功能驗證和基因編輯技術，驗證生長、品質關鍵基因功能并解析性狀調控網(wǎng)絡， 揭示生長和品質性狀的遺傳基礎與調控機制， 研究具有經(jīng)濟價值新種質在生長品質方面的遺傳調控機制， 發(fā)掘具有育種價值的關鍵基因和調控元件，并用于良種培育，提升水產(chǎn)種質創(chuàng)新的能力和水平。 項目在無肌間刺鯉科魚的培育方面取得重大突破。

魚類肌間刺，俗稱魚刺，從低等到高等真骨魚類，肌間刺經(jīng)歷了從簡單到復雜，然后退化的演化現(xiàn)象。 我國主養(yǎng)大宗淡水魚類，如青魚、草魚、鰱、鳙、鯉、鯽、團頭魴等鯉科魚類普遍存在復雜的肌間刺，除我國外，巴西等南美洲國家主要養(yǎng)殖的脂鯉目魚類也普遍存在肌間刺。 魚類肌間刺的存在極大限制了其加工以及出口創(chuàng)匯， 也給人們食用這些魚類帶來麻煩和一定的受傷害風險（尤其是兒童）。 但因這些具有魚刺的大宗淡水魚類味道鮮美， 養(yǎng)殖技術容易掌握以及歷史文化和傳統(tǒng)消費習慣等因素， 使得有魚類肌間刺的大宗淡水魚在我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中占據(jù)重要地位， 鯉科魚年產(chǎn)量約2000 萬噸，產(chǎn)量占到了所有淡水魚類養(yǎng)殖產(chǎn)量的77.5%，占所有水產(chǎn)養(yǎng)殖動物產(chǎn)量的42.6%。

基于X光成像的扇貝閉殼肌性狀活體測定（上）與檢測設備（下）（圖片提供：胡曉麗）

“肌間刺是長期影響鯉科魚類加工和消費增長的關鍵問題。 ”胡曉麗介紹道，“中國水產(chǎn)科學研究院黑龍江水產(chǎn)研究所匡友誼研究員鑒別到淡水魚肌間刺發(fā)育的關鍵基因，并利用基因編輯技術在鯉魚和鯽魚中將其敲除，得到了完全沒有肌間刺的個體。 將這種調控手段與育種項目結合在一起，有望獲得無肌間骨魚類培育的新途徑，從而推動水產(chǎn)養(yǎng)殖生物性狀精準改良的進程。 ”

除了鑒別到鯉和鯽肌間刺發(fā)育關鍵基因并成功實現(xiàn)敲除外，項目相關團隊建立了高通量突變體篩選技術和快速純合系構建技術，獲得肌間刺基因編輯的鯉和鯽突變體各500 多尾，包括無肌間刺鯽突變體30 尾。 華中農(nóng)業(yè)大學高澤霞教授團隊還明確了團頭魴肌間骨骨化特征，鑒別到調控團頭魴肌間骨數(shù)量的關鍵基因scxa，構建了肌間刺減少70%的scxa突變體。

關于肌間刺缺失/少肌間刺魚類個體的生長發(fā)育，胡曉麗介紹道：“經(jīng)過相關團隊檢測，無肌間刺鯽突變體的骨骼發(fā)育和繁殖等均與野生型無差異。 這說明缺少肌間刺并不影響魚類的生長發(fā)育，或者說，對養(yǎng)殖魚類的生長發(fā)育影響不大。另外，也沒有發(fā)現(xiàn)缺少肌間刺魚的營養(yǎng)價值和魚肉品質與普通養(yǎng)殖魚類有明顯差別。 ”

海大金貝（左）與普通扇貝（右）對比（圖片提供：胡曉麗）

品質改良， 貝類性狀檢測技術研發(fā)和遺傳機制解析

貝類大多數(shù)都可食用，味道鮮美營養(yǎng)豐富，除鮮食外，干制、腌制、罐裝制品也有極大的市場。 不少貝類還是優(yōu)良的中藥材，如珍珠和珍珠層粉、鮑的貝殼石決明等。 貝殼可用來燒制石灰，制作油漆的調和劑、 貝雕等工藝品， 珍珠更是名貴的裝飾品。 貝類養(yǎng)殖已成為增加就業(yè)、 帶動農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展、改善食品結構的重要行業(yè)。

我國貝類95%以上是養(yǎng)殖獲得，另外5%左右主要通過捕撈獲得。 其中，我國貝類產(chǎn)品產(chǎn)量97%以上都來自海水。 根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2019年海水養(yǎng)殖貝類產(chǎn)量1480.17 萬噸，占我國海水養(yǎng)殖產(chǎn)量（2065.33 萬噸）的71.67%。養(yǎng)殖貝類已成為我國優(yōu)質蛋白的重要來源， 產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展急需優(yōu)質高產(chǎn)良種。 項目研發(fā)出貝類重要性狀精準測定技術，解析了貝類性狀形成和調控機制，為高效培育貝類良種打下基礎。

扇貝是大宗養(yǎng)殖貝類， 閉殼肌是其主要可食用組織?！耙酝胍獪y定扇貝的閉殼肌或者‘肉柱’的大小，需要殺貝打開貝殼，但這樣即使找到了具有優(yōu)良性狀的個體， 也無法進行大規(guī)模的繁殖培育。 ”胡曉麗介紹道，“我們要解決這一難題，就要實現(xiàn)扇貝閉殼肌性狀的活體、無損測定。 ”

為此，胡曉麗教授建立了基于X 光成像的貝類肌肉活體、無損測定技術，突破了扇貝閉殼肌難以活體測定的技術瓶頸，并研發(fā)高通量測定設備，該技術和裝備已應用于高閉殼肌重扇貝良種培育。

類胡蘿卜素是一類重要的天然色素的總稱,普遍存在于動物、高等植物、真菌、藻類的黃色、橙紅色或紅色的色素之中。 蝦夷扇貝良種“海大金貝”與一般蝦夷扇貝不同，由于富集類胡蘿卜素，其閉殼肌呈橘紅色，這也是這一品種名稱“海大金貝”的由來。

那“海大金貝”的閉殼肌為何會富集類胡蘿卜素？ 胡曉麗教授對此展開研究，揭示了蝦夷扇貝良種“海大金貝”肌肉積累類胡蘿卜素的機理。

“我們通過研究發(fā)現(xiàn)，‘海大金貝’肌肉積累類胡蘿卜素是隱性性狀， 并且是由類胡蘿卜素裂解氧化酶PyBCO-like1 一個基因調控。 ”胡曉麗對記者說道，“相關功能實驗證明了啟動子變異導致PyBCO-like1 基因表達下調，使得類胡蘿卜的代謝分解減少了，這是‘海大金貝’富集類胡蘿卜素、閉殼肌呈橘紅色的原因。 ”

“我們目前已經(jīng)將PyBCO-like1 基因應用于富含類胡蘿卜素扇貝的培育。 ” 胡曉麗向記者介紹道，“在我們發(fā)現(xiàn)PyBCO-like1 基因調控扇貝肌肉積累類胡蘿卜素后， 加拿大學者報道顯示相關機制也是三文魚肌肉積累類胡蘿卜素的原因。 這一機制也許會對其它水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的類胡蘿卜素積累調控產(chǎn)生影響。 ”