魚類性別決定機(jī)制及其控制技術(shù)

蘇玉鳳 韓卓然

(天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院，天津 300384)

引言

魚類性別控制是水產(chǎn)動(dòng)物遺傳學(xué)研究領(lǐng)域的重要分支，在魚類養(yǎng)殖管理、優(yōu)良品種選育、提高養(yǎng)殖效益過程中發(fā)揮重要作用。在魚類雌雄混養(yǎng)期間，如出現(xiàn)成熟期早、繁殖能力增強(qiáng)等現(xiàn)象，會(huì)使魚類將大部分能量用于繁殖，從而降低種群總體生長率。部分經(jīng)濟(jì)魚種雌雄個(gè)體間生長速率差異顯著，呈現(xiàn)性別的二態(tài)性[1]。此外，某些魚類的雌性配子或性腺具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，如歐洲鰉魚(Huso huso)的卵可制成售價(jià)不菲的頂級(jí)魚子醬。因此，利用性別控制技術(shù)選育生長速度快、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的單性養(yǎng)殖品種是提高養(yǎng)殖效率及經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。

1 魚類的性別決定機(jī)制

魚類的性別分化在進(jìn)化上表現(xiàn)為多樣性及易變性。特別是在硬骨魚類中，其性別表型具有高度可塑性，易受養(yǎng)殖溫度、密度、pH、外源性激素等外部環(huán)境因素的影響，并可與個(gè)體激素水平、遺傳和表觀遺傳相關(guān)調(diào)控途徑相互作用，不同程度參與調(diào)節(jié)魚類性別分化的方向。魚類性別決定機(jī)制是性別控制的基礎(chǔ)，開展性別決定相關(guān)研究有助于育種方案和性別分化方向的選擇及性別控制技術(shù)的實(shí)施。

1.1 遺傳性別決定機(jī)制

魚類決定性別的基因主要位于性染色體上，常見的性染色體一般包括XX-XY和ZW-ZZ 2種類型。攜帶XX-XY型染色體的雄魚可以產(chǎn)生相同數(shù)量的X和Y染色體配子，而雌性只能產(chǎn)生X染色體的配子；大多數(shù)魚類如鯉、鯽、鰱、鳙、草魚、虹鱒等都屬于這種類型。相反，攜帶ZW-ZZ型染色體的雄性魚類卻只產(chǎn)生1種配子，而雌魚所攜帶染色體則為不同型，會(huì)產(chǎn)生2種染色體配子，如日本鰻鱺(Anguilla japonica)。然而，大量研究結(jié)果表明，僅有少部分魚類性染色體存在異型現(xiàn)象，這可能是由于魚類性別分化程度較低，或傳統(tǒng)的細(xì)胞遺傳學(xué)技術(shù)無法識(shí)別小規(guī)模的差異。如，早期細(xì)胞遺傳學(xué)研究結(jié)果表明，三棘刺魚(Gastrosteus acureatus)無異型性染色體對，但利用現(xiàn)代遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)手段研究發(fā)現(xiàn)，其Y染色體存在翻轉(zhuǎn)及缺失現(xiàn)象[2]；相似的，河豚(Takifugu rubripes)的X和Y染色體均存在單一SNP(單核苷酸多態(tài)性)變異[3]。

此外，魚類性別不僅由性染色體決定，還由分布在常染色體上的次要性別決定基因決定。研究發(fā)現(xiàn)，魚類性別分化趨勢呈性別基因含量依賴型，即雌性決定基因含量若高于雄性，個(gè)體則發(fā)育為雌性，反之亦然，如斑馬魚(Danio rerio)等[4]。

1.2 環(huán)境性別決定機(jī)制

環(huán)境性別決定是指在魚類發(fā)育早期階段的特定時(shí)期，其性別分化方向由溫度、光照或營養(yǎng)狀況等外界環(huán)境條件來決定的，其中，溫度是影響魚類性別比例的主要環(huán)境因素。最早報(bào)道的溫度依賴型性別決定(TSD)個(gè)體間差異與環(huán)境因子改變引起的波動(dòng)有關(guān)，即在早期發(fā)育的敏感或不穩(wěn)定時(shí)期，環(huán)境溫度的變化可影響性別表型和性別比例。在大西洋銀漢魚(Menidia menidia)中研究發(fā)現(xiàn)，該物種在野外和人工飼養(yǎng)條件下中都可表現(xiàn)出TSD特征[5]。同時(shí)，TSD也被認(rèn)為存在于哈奇氏牙漢魚(Odontesthes hatcheri)中，該物種可以用提高養(yǎng)殖環(huán)境溫度來培育單一雄性種群[6]。

除溫度外，鹽度、pH、溶解氧等其他環(huán)境變量也會(huì)影響魚類的性別決定和分化。如，鹽度會(huì)影響歐洲鱸魚的性別決定，在性別不穩(wěn)定時(shí)期，將歐洲鱸魚從低鹽度轉(zhuǎn)移至高鹽度養(yǎng)殖水體中會(huì)使其雄性性別比向雌性偏斜[7]。pH對性別決定的影響也已在鯛科魚類和箭尾魚中得到證實(shí)[8，9]，如與高pH值相比，低pH養(yǎng)殖環(huán)境可選育出更多的雄性西非短鯛(Pelvicachromis pulcher)個(gè)體[8]。低溶解氧濃度(缺氧)也可能使種群的性別比向雄性傾斜，如斑馬魚[10]。

在脊椎動(dòng)物中，遺傳性別決定(GSD)和環(huán)境性別決定(ESD)具有不同的時(shí)間模式，即GSD發(fā)生在受精期間，而ESD發(fā)生在性腺發(fā)育之前和開始的敏感期。理論上講，與ESD物種相比，GSD物種不易受環(huán)境變化影響。然而，越來越多的研究表明環(huán)境也會(huì)影響GSD物種性別決定[11]。因此，溫度升高會(huì)導(dǎo)致一些遺傳性雌性分化出雄性表型，即發(fā)生性別逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

1.3 性逆轉(zhuǎn)

魚類對環(huán)境因素的敏感性使性逆轉(zhuǎn)成為可能，這是一種表型性別在外界刺激后不再與基因型性別相對應(yīng)的現(xiàn)象。如，養(yǎng)殖環(huán)境溫度升高后，具有ZW染色體的魚(基因型為雌性)可分化出精巢以及其他雄性特有的第二性征(表現(xiàn)型為雄性)[12]。部分在發(fā)育過程中具有易變期(也是敏感窗口或敏感期)的魚類，其性腺會(huì)出現(xiàn)向雄性或雌性狀態(tài)分化的現(xiàn)象，但當(dāng)性腺完成分化，性別趨于穩(wěn)定后，溫度、pH等環(huán)境因素的刺激則不會(huì)對性別產(chǎn)生影響。然而，自然變性的魚，其性腺直到成年前都可以對內(nèi)源性或外源性刺激保持反應(yīng)，如沿著大腦-垂體-性腺軸傳遞的刺激被認(rèn)為可以誘導(dǎo)多種珊瑚魚成魚的性別變化[13]。

2 魚類性別控制育種技術(shù)

2.1 種間雜交控制性別

某些魚類的性別控制和孤雌生殖可以通過種間雜交實(shí)現(xiàn)。目前，在羅非魚屬中利用此方法實(shí)現(xiàn)性別控制的研究較為廣泛，如將奧尼亞羅非魚(Oreochromis aureus)和尼羅羅非魚進(jìn)行雜交后，可獲得優(yōu)勢性別為雄性的奧尼羅非魚；與親本相比(雄性或雌性)，雜交后代生長速度和抗病力均顯著提高。相似的，尼羅羅非魚和荷那龍羅非魚(Oreochromis hornorum)、尼羅羅非魚和巨鰭羅非魚(Oreochromis macrochir)、莫桑比克羅非魚(Oreochromis mossambicus)和荷那龍羅非魚間的雜交后代也可觀察到明顯的性別優(yōu)勢及生長特性[14]。

2.2 人工誘導(dǎo)雌核發(fā)育控制性別

在許多經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖魚類品種中，雌魚生長速度較雄魚更快且成魚體型更大；而雄魚在長至可銷售規(guī)格前性腺便已成熟，進(jìn)而導(dǎo)致生長速率減緩。而混合養(yǎng)殖群體中的雌雄個(gè)體存在明顯的體型差異，會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)殖品種整體產(chǎn)量下降。因此，將經(jīng)濟(jì)效益高的混合養(yǎng)殖品種變?yōu)槿起B(yǎng)殖模式受到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)推崇。人工誘導(dǎo)雌核發(fā)育技術(shù)是通過物理或化學(xué)方法使精子失活，然后用失活的精子激活卵子，使卵子的染色體加倍，完全在母體遺傳信息的控制下發(fā)育。對于純合雌性配子種類而言，雌核發(fā)育產(chǎn)生的后代均為雌性(XX)，該技術(shù)在全雌性養(yǎng)殖魚類的選育中具有重要意義，也為研究魚類性別決定機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外水產(chǎn)工作者正在通過人工誘導(dǎo)魚類雌核發(fā)育成功培育出雌核發(fā)育后代，包括金魚(Carassius auratus)、鲇魚(Silurus asotus)、鯉魚(Cyprinus carpio)、小體鱘(Acipenser ruthenus)、鯽魚等[15]。

2.3 溫度控制性別

在魚類中，不同的溫度可誘導(dǎo)多種魚類的性腺向雄性或雌性分化。大西洋銀漢魚是第一種被證明性別溫度下(繁殖季節(jié)后期)偏向雄性[16]。而溫度對南美銀漢魚(Odontesthes bonariensis)的性別決定影響更加顯著，在17℃(雌性促進(jìn)溫度)和29℃(雄性促進(jìn)溫度)的環(huán)境溫度下，其種群性別表型分別表現(xiàn)為完全雌性或完全雄性；在中等溫度下則會(huì)產(chǎn)生混合性別種群[17]。岳敏娟[18]利用不同溫度對未性分化的鯽魚仔魚進(jìn)行培育，發(fā)現(xiàn)培育28d后低溫組(16±1℃)、較高溫組(30±1℃)和最高溫組(34±1℃)雌魚占比分別為40.8%、86%和68.2%，表明通過溫度調(diào)節(jié)可人工誘導(dǎo)鯽魚性別逆轉(zhuǎn)。

此外，在溫度決定期間，盡管許多魚類中都存在性染色體，但環(huán)境溫度的改變也可使性別發(fā)生逆轉(zhuǎn)，如在尼羅羅非魚分化的關(guān)鍵時(shí)期，當(dāng)養(yǎng)殖水體溫度高于32℃時(shí)，可顯著提高種群雄性比率[19]。此外，Shigeho等通過高溫處理改變了尼羅羅非魚性腺中雌性性別分化基因cyp19a1a和雄性性別分化基因dmrt1的表達(dá)水平[20]，表明人工誘導(dǎo)性別逆轉(zhuǎn)導(dǎo)致尼羅羅非魚性別決定由GSD轉(zhuǎn)變?yōu)镋SD。

2.4 性別分子標(biāo)記輔助育種

魚類的性染色體分化程度較低，其性別很難通過性染色體形態(tài)學(xué)進(jìn)行區(qū)分；同時(shí)，魚類的性別易受到溫度等環(huán)境因素影響，這往往導(dǎo)致魚類生理表型和性別基因型無法對應(yīng)。因此，建立一種可靠、直觀的魚類遺傳性別鑒定法具有重要意義。目前，魚類遺傳學(xué)科學(xué)家利用AFLP(擴(kuò)增片段長度多態(tài)性)、SNP、RAPD(隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA)、SSR(簡單序列重復(fù))和QTL(數(shù)量性狀位點(diǎn))等多種技術(shù)已在多種魚類中成功鑒定到了大量的性別特異性標(biāo)記，包括虹鱒(Oncorhynchus mykiss)、河豚、鯉魚、大西洋比目魚(Hippoglossus stenolepis)等[21]。近年來，通過高通量測序技術(shù)比較雌雄個(gè)體基因組差異成為尋找魚類性別分子標(biāo)記重要途徑，為確定魚類遺傳性別和培育單性養(yǎng)殖魚類新品種奠定了基礎(chǔ)。

2.5 其他技術(shù)

魚類基因工程的發(fā)展為直接控制參與性別決定或生殖成熟的基因控制魚類性別提供了可能。其中，魚類基因轉(zhuǎn)移技術(shù)(gene transfer technology)和基因編輯技術(shù)(genome editing technology)是基因工程的主要技術(shù)手段，可通過靶向基因敲除、基因沉默等方式實(shí)現(xiàn)魚類性別控制，目前已成功應(yīng)用到大西洋鮭魚(Salmo salar)、鯉魚、羅非魚、斜帶石斑魚(Epinephelus coioides)等經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖物種中[22-24]。CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)是對靶向基因進(jìn)行特定DNA修飾的技術(shù)，該技術(shù)成果已應(yīng)用于魚類基因組精確修飾。在羅非魚中通過CRISPR-Cas9手段敲除位于雄魚Y染色體上的重要性別決定基因amh(抗繆勒管激素)，導(dǎo)致XY型羅非魚發(fā)生性逆轉(zhuǎn)，全部變?yōu)樯泶菩詡€(gè)體[22]。同樣，在斜帶石斑魚中，過表達(dá)amh基因可誘導(dǎo)其發(fā)生由雌到雄的性別轉(zhuǎn)變[23]。此外，Zhai等利用靶向基因敲除技術(shù)獲得cyp17a1(17α-羥化酶)基因缺陷鯉魚，隨后選取具有XX基因型的雄性鯉魚與野生型雌性進(jìn)行交配，所獲得的cyp17a1+/-XX雌性鯉魚性腺發(fā)育正常，且體重較普通鯉魚具明顯優(yōu)勢[24]。因此，利用基因工程技術(shù)進(jìn)行魚類性別精準(zhǔn)控制在水產(chǎn)養(yǎng)殖魚類育種過程中具有極高潛力。

3 展望

目前，盡管由于遺傳信息和基因組資源的缺乏造成對魚類性別基因和性染色體的認(rèn)識(shí)仍十分有限，但關(guān)于魚類性別決定機(jī)制及控制手段的研究仍取得顯著進(jìn)展。這主要是因?yàn)楦咄緿NA測序技術(shù)的快速發(fā)展、基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的大量積累以及比較系統(tǒng)發(fā)育方法的廣泛應(yīng)用，極大地推動(dòng)了魚類性別決定的遺傳基礎(chǔ)研究步伐；同時(shí)，許多性染色體特異性分子標(biāo)記也已成功應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖。此外，基因工程技術(shù)手段的開發(fā)及應(yīng)用，使在魚類中對參與調(diào)控性別的相關(guān)基因的功能研究更具可行性。相信隨著基因工程技術(shù)及相關(guān)生物技術(shù)的不斷發(fā)展，研究性別差異和性別決定的遺傳基礎(chǔ)以及性別控制育種的生物技術(shù)方法將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。