大型海藻育種技術(shù)研究進(jìn)展及其應(yīng)用

王文磊，徐 燕，紀(jì)德華，謝潮添*

(1.集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.福建省水產(chǎn)生物育種與健康養(yǎng)殖工程研究中心，福建省發(fā)展和改革委員會(huì)，福建 廈門(mén) 361021；3.集美大學(xué)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東海健康養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021；4.集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，海水養(yǎng)殖生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 寧德 352100)

我國(guó)的大型海藻栽培產(chǎn)業(yè)是從20 世紀(jì)50 年代在老一輩海藻學(xué)家的努力下，先后突破了海帶夏苗培育法、紫菜半人工和全人工育苗技術(shù)之后形成的[1]。如今，我國(guó)已成為海藻栽培生產(chǎn)大國(guó)，在產(chǎn)業(yè)規(guī)模、產(chǎn)量、產(chǎn)值、從業(yè)人員數(shù)量、栽培種類(lèi)等方面均位居世界首位，為化工、海洋藥物、水產(chǎn)動(dòng)物養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)提供了充沛的生產(chǎn)要素，也豐富了人們的健康食品來(lái)源，成為了“海洋牧場(chǎng)”和“藍(lán)色糧倉(cāng)”的重要組成部分，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)在推動(dòng)鄉(xiāng)村振興、提供就業(yè)崗位以及增加居民收入等方面也創(chuàng)造了極大的社會(huì)價(jià)值。

大型海藻作為海洋初級(jí)生產(chǎn)力，在生長(zhǎng)過(guò)程中能大量吸收海水中的氮、磷和CO2，同時(shí)排出O2，在消除近海水域富營(yíng)養(yǎng)化，調(diào)節(jié)海洋生態(tài)平衡，擴(kuò)大養(yǎng)殖動(dòng)物容量，增加碳匯等方面發(fā)揮著極為重要的作用。在國(guó)家海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋生態(tài)文明建設(shè)和國(guó)家雙碳戰(zhàn)略實(shí)施的大背景下，大型海藻產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展將發(fā)揮良好的生態(tài)效益，有力支撐海洋產(chǎn)業(yè)的綠色低碳發(fā)展。

盡管60 多年來(lái)，我國(guó)的海藻產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，但產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要是建立在規(guī)模擴(kuò)張的基礎(chǔ)上，栽培良種培育率低和栽培品種退化仍然是產(chǎn)業(yè)面臨的主要問(wèn)題，不僅造成產(chǎn)量下降、病害頻發(fā)、品質(zhì)降低問(wèn)題，而且嚴(yán)重制約了栽培產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。優(yōu)良品種是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖業(yè)健康高效發(fā)展的基礎(chǔ)，也是海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的直接體現(xiàn)，通過(guò)良種實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展是我國(guó)大型海藻產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。為此，本文介紹了大型海藻產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)、近60 年育種技術(shù)進(jìn)展和育種成果，并針對(duì)大型海藻育種技術(shù)現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提出了相關(guān)建議，以期為大型海藻育種研究提供參考。

1 大型海藻產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)

1.1 全球最活躍的漁業(yè)產(chǎn)業(yè)之一

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球大型海藻產(chǎn)量超過(guò)3 200 萬(wàn)t (濕重)，占海水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的51%，且近20 年保持年均約4% 的增長(zhǎng)率(2000—2020)，是漁業(yè)整體增幅的2 倍以上[2]，在沿海經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮了重要支撐作用。2022 年，我國(guó)的海帶(Saccharina japonica)、紫菜(Porphyraspp.)、裙帶菜(Undaria pinnatifida)、江 蘺(Gracilariaspp.) 以及羊棲菜(Hizikia fusiformis)等海藻的栽培總面積為134 978 hm2，年產(chǎn)量達(dá)到2 498 824 t(干品)[3]，全球占比超過(guò)50%。從北到南，大型海藻栽培已經(jīng)成為了我國(guó)許多沿海縣市的支柱產(chǎn)業(yè)，吸納了大量勞動(dòng)力，為漁村振興和穩(wěn)定居民收入做出了提出貢獻(xiàn)。

1.2 養(yǎng)殖貢獻(xiàn)率高

我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)已成為農(nóng)業(yè)和食品產(chǎn)業(yè)中增長(zhǎng)率最快的產(chǎn)業(yè)[4]。其中，大型海藻產(chǎn)品主要來(lái)源于人工栽培，占比接近100%，野生收獲量近可忽略[3]，遠(yuǎn)高于其他水產(chǎn)動(dòng)物養(yǎng)殖對(duì)產(chǎn)品總量的貢獻(xiàn)。

1.3 規(guī)?；B(yǎng)殖對(duì)象少

全球所產(chǎn)大型可食用藻類(lèi)超過(guò)50 種，我國(guó)可栽培種類(lèi)約20 種，但目前實(shí)現(xiàn)大面積規(guī)?；耘?超過(guò)500 公頃)的大型海藻只有海帶、條斑紫菜(P.yezoensis)、壇紫菜(P.haitanenesis)、裙帶菜、龍須菜(Gracilariopsis lemaneiformis)、羊棲菜6 種，這6 個(gè)養(yǎng)殖對(duì)象的產(chǎn)量占大型海藻總產(chǎn)量的95%以上[2-3]，其他大型海藻的人工栽培規(guī)模還有待進(jìn)一步發(fā)展。

1.4 養(yǎng)殖區(qū)域集中

目前，亞洲是大型海藻的主要栽培地區(qū)，貢獻(xiàn)了99.54%的全球海藻產(chǎn)量[2]。其中，中國(guó)和印度尼西亞的大型海藻產(chǎn)量分別占全球總產(chǎn)量的59%和27%，其他亞洲國(guó)家占比約12%。相比其他國(guó)家，中國(guó)大型海藻產(chǎn)量不僅規(guī)模最大，栽培對(duì)象的類(lèi)型為也最為豐富，包括海帶、裙帶菜、長(zhǎng)心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii)、龍須菜、壇紫菜-和條斑紫菜、羊棲菜、紅毛菜(Bangia fuscopurpurea)、瓊 枝(Betaphycus gelatinae)、滸 苔(Ulva prolifera)、脆江蘺(Gracilaria chouae)、細(xì)基江蘺繁枝變種(G.tenuistipitata var.liui)、菊花心江蘺(Gracilaria lichevoides)、長(zhǎng)心葡萄蕨藻(Caulerpa lentillifera)以及石花菜(Gelidium amansii)等[1]。

1.5 發(fā)展前景廣闊

相比于水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物而言，藻類(lèi)栽培的主要區(qū)別之一是不需要“投餌”，反而可以作為鮑魚(yú)、海參等重要養(yǎng)殖對(duì)象的主要餌料藻。其次，大型海藻可以快速吸收無(wú)機(jī)氮和磷，防止海水富營(yíng)養(yǎng)化；同時(shí)，還可以通過(guò)光合作用改善海區(qū)貧氧環(huán)境。第三，大型海藻是藍(lán)碳的主要物種，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年栽培海藻大約去除605 830 t 碳，70 615 t 氮和8 515 t 磷；捕獲344 128 t 碳，產(chǎn)生2 533 221 t 氧氣[5]。第四，不與陸地作物爭(zhēng)奪土地資源，但可以提供優(yōu)質(zhì)植物蛋白，且發(fā)展栽培面積巨大。因此，大型海藻栽培業(yè)符合全球可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)和要求[6]。按照近20 年平均4% 的增長(zhǎng)率，預(yù)計(jì)到2050 年，全球海藻養(yǎng)殖產(chǎn)量將達(dá)到1.167 6 億t，是目前產(chǎn)量的3.3 倍。而且，如果按照日本的海藻食用標(biāo)準(zhǔn)(每人每天5.3 g 干海藻)，大型海藻栽培的增長(zhǎng)潛力會(huì)更高[6]。由于大型海藻的多樣化應(yīng)用，2023 年“中央1 號(hào)文件”明確指出要培育壯大海藻產(chǎn)業(yè)(《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于做好2023 年全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)工作的意見(jiàn)》)。韓國(guó)也設(shè)置了“金種子計(jì)劃”等項(xiàng)目，以增加對(duì)海藻新品種選育的研發(fā)投入[7]。有了政策和經(jīng)費(fèi)支持，大型海藻栽培產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景將越來(lái)越廣闊。

2 大型海藻育種技術(shù)

我國(guó)是世界上最早開(kāi)展海藻遺傳育種理論、技術(shù)研究與育種應(yīng)用的國(guó)家。20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)多個(gè)科研院所在全球率先開(kāi)展了以海帶、紫菜為代表的藻類(lèi)遺傳育種研究，早期主要采用的是傳統(tǒng)的選擇育種技術(shù)，以群體或個(gè)體為研究對(duì)象，首先在自然群體中篩選個(gè)體大，色澤好，性狀明顯的個(gè)體為苗種進(jìn)行采苗，以后發(fā)展到從栽培群體中篩選性狀優(yōu)良的個(gè)體進(jìn)行留種栽培，經(jīng)生產(chǎn)檢驗(yàn)后推廣。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)海藻生物學(xué)特征認(rèn)識(shí)的逐步加深，誘變育種、雜交育種和細(xì)胞工程育種等育種技術(shù)也逐步在海藻育種中應(yīng)用，形成了較為完整的常規(guī)育種技術(shù)體系。

2.1 選擇育種

選擇育種技術(shù)是通過(guò)從野生群體或人工栽培群體中選取具有優(yōu)良性狀的葉狀體作為親本，并通過(guò)連續(xù)幾代的栽培，重復(fù)選擇性狀優(yōu)良的葉狀體，直到形成新品種(系)。中國(guó)最早開(kāi)展了藻類(lèi)的選擇育種，1962 年，方宗熙等[8]利用定向選擇和連續(xù)自交技術(shù)選育了海帶新品種“海青一號(hào)”。海帶“海農(nóng)1 號(hào)”是以2014 年從山東威海榮成俚島海區(qū)海帶養(yǎng)殖群體中藻體基部及中部平直的20 株個(gè)體為基礎(chǔ)群體，以產(chǎn)量(鮮重)為目標(biāo)性狀，采用群體選育技術(shù)，經(jīng)連續(xù)4 代選育而成，于2023年通過(guò)審定(http://www.moa.gov.cn/govpublic/YYJ/202307/t20230725_6432818.htm)。日本藻類(lèi)學(xué)者以人工栽培群體為親本,經(jīng)過(guò)多次選育培育出了具有穩(wěn)定遺傳性狀的紫菜良種“奈良輪條斑紫菜”(P.yezoensis f.narawaensis)和“大葉甘紫菜”(P.tenera var.tamatsuensis)，這兩個(gè)新品種的選育和推廣加快了日本藻類(lèi)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[9]。駱其君等[10]結(jié)合選擇育種技術(shù)和細(xì)胞工程育種技術(shù)培育出的壇紫菜“浙東1 號(hào)”于2015 年通過(guò)審定，該新品種具有藻體厚、產(chǎn)量高的特點(diǎn)，主要在浙江和閩北沿海推廣栽培。此外，韓國(guó)超過(guò)85%的大型海藻新品種培育以選擇育種技術(shù)為主[7]。由此可見(jiàn)，選擇育種是大型海藻育種研究最早、使用最廣泛的技術(shù)，這主要是由于大型海藻藻體表型性狀易于觀(guān)察和挑選，同時(shí)選育過(guò)程在海區(qū)進(jìn)行[11]，可以有效地選育出區(qū)域特適新品種。雖然常規(guī)選擇育種目前仍然是大型海藻新品種選育的主要技術(shù)手段之一，但是紫菜選擇育種目前還無(wú)法依據(jù)性狀的遺傳學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行[12]。因此，大型海藻新品種的選育周期長(zhǎng)且效率低。

2.2 誘變育種

藻類(lèi)誘變育種技術(shù)是指利用物理和化學(xué)方法誘發(fā)藻體產(chǎn)生遺傳變異，從而在短時(shí)期內(nèi)獲得有價(jià)值的突變體的育種方法。誘變育種操作簡(jiǎn)單、易產(chǎn)生性狀突變，對(duì)于遺傳多樣性較低、種質(zhì)資源少的物種育種工作尤為重要[13]。因而，誘變育種技術(shù)同樣被廣泛應(yīng)用于大型海藻新品種選育過(guò)程中，已成為獲得大型藻類(lèi)新種質(zhì)的重要技術(shù)手段。在誘變育種技術(shù)方法中，60Co-γ 射線(xiàn)物理誘變和N-甲基-N′-硝基-N-亞硝基胍(MNNG)化學(xué)誘變已被證實(shí)可以對(duì)紫菜葉狀體進(jìn)行有效誘變。嚴(yán)興洪團(tuán)隊(duì)利用60Co-γ 射線(xiàn)誘變技術(shù)培育出了我國(guó)第一個(gè)紫菜新品種壇紫菜“申福 1 號(hào)”以及“申福 2號(hào)”[14-16]。壇紫菜“閩豐1 號(hào)”和“閩豐2 號(hào)”的親本制備同樣應(yīng)用了誘變技術(shù)[17]。朱建一等[18]探究了誘變對(duì)條斑紫菜各個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段的影響及其突變規(guī)律，并提出絲狀體是最適合用于紫菜誘變的材料?；诖思夹g(shù)，江蘇省海洋水產(chǎn)研究所聯(lián)合常熟理工學(xué)院研究培育出了條斑紫菜新品種“蘇通1 號(hào)”和“蘇通2 號(hào)”[11]。集美大學(xué)謝潮添團(tuán)隊(duì)利用60Co-γ 射線(xiàn)誘變技術(shù)構(gòu)建了壇紫菜突變體庫(kù)，培育出包括長(zhǎng)度、厚度、色澤等各具不同性狀的突變體品系67 個(gè)[19]。在紫菜遺傳操作技術(shù)體系不成熟的背景下，這一突變體庫(kù)為紫菜重要性狀遺傳機(jī)制解析和親本快速精準(zhǔn)選擇提供了難得的突變體材料。此外，誘變育種也是龍須菜新品種培育的主要育種技術(shù)。龍須菜新品種“981”和“2007”的培育均進(jìn)行了化學(xué)(MNNG) 誘變處理。其中，“2007”是以“981”為基礎(chǔ)材料經(jīng)誘變選育獲得，該新品種在耐受高溫、瓊膠含量和品質(zhì)等方面均優(yōu)于“981”[20-21]。

2.3 雜交育種

種內(nèi)雜交 雜交育種是選育海藻新品種的重要而有效的方法之一，可以通過(guò)有目的地選擇親本，發(fā)揮雜交重組優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)父母本各自?xún)?yōu)良性狀在子代上的聚合[22-23]。海帶新品種東方紅系列、“901”、“單海1 號(hào)”以及“榮?！钡?，紫菜新品種“蘇通1 號(hào)”和“蘇通2 號(hào)”，“閩豐1 號(hào)”和“閩豐2 號(hào)”，“申福1 號(hào)”和“申福2 號(hào)”，裙帶菜新品種“海寶1 號(hào)”和“海寶2 號(hào)”均應(yīng)用了雜交育種技術(shù)。例如，方宗熙等[24]利用海帶雌性配子體與雜種海帶雄配子體雜交后，經(jīng)過(guò)4 代連續(xù)單株自交選育，培育出了第一個(gè)海帶雜交新品種“單海1號(hào)”。陳昌生等[15]通過(guò)壇紫菜野生選育型和色素突變體進(jìn)行雜交，培育出了高產(chǎn)、耐高溫性強(qiáng)的壇紫菜新品種“閩豐1 號(hào)”，以及耐高溫、優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)的“閩豐2 號(hào)”[17]。裙帶菜新品種選育技術(shù)同樣以雜交育種為主，主要包括配子體克隆雜交子一代的直接利用和配子體克隆雜交與累代定向選育相結(jié)合[25]。

種間雜交 藻類(lèi)育種工作者還實(shí)現(xiàn)了大型海藻的種間雜交，例如，吳宏肖等[26]通過(guò)壇紫菜與印度產(chǎn)紫菜(Pyropia radi)的雜交，從雜交子代中選育出了具有生長(zhǎng)快、品質(zhì)好、殼孢子放散量大等優(yōu)良性狀的新品系HR-6?？蒲腥藛T利用長(zhǎng)海帶(S.longissima)的雌配子體與“早厚成1 號(hào)”的雄配子體雜交，再經(jīng)過(guò)連續(xù)5 代的自交，培育出了具有高產(chǎn)、耐高溫以及抗衰爛等性狀的海帶新品種“901”[27]。張澤宇等[28]構(gòu)建了包括6 種海帶：日本群體海帶(S.japonica)、鬼海帶(S.diabolica)、利尻海帶(S.ochotensis)、長(zhǎng)葉海帶、二石海帶(S.angustata)和皺海帶(S.religiosa)配子體在內(nèi)的24個(gè)種間雜交組合，從中獲得了18 組F1 代孢子體，其中有13 個(gè)雜交組合在葉片長(zhǎng)度上表現(xiàn)出超親優(yōu)勢(shì)，9 個(gè)組合在葉片寬度上表現(xiàn)出超親優(yōu)勢(shì)。Druehl 等[29]評(píng)估了7 種東北太平洋海帶間的雜交效果，結(jié)果顯示，在Macrocystis integrifolia和Nereocystis leutkeana之間的雜交中，當(dāng)Nereocystis leutkeana是雌性親本時(shí)產(chǎn)生的假定雜交種具有強(qiáng)壯的柄，葉片光滑，邊緣無(wú)明顯刺凸；而Eisenia arborea和Lessoniopsis littoralis之間的雜交獲得了最接近雌性親本的假定雜交種，當(dāng)E.arborea是雌性親本時(shí)，假定的雜交種具有平坦的葉片，刺發(fā)育較弱；當(dāng)L.littoralis是雌性親本時(shí)，子代為由分生組織發(fā)育而來(lái)的具有較少分枝的藻體。這些種間雜交育種嘗試為培育海藻新品種提供了理論參考。

遠(yuǎn)緣雜交 20 世紀(jì)80 年代末，中國(guó)海洋大學(xué)創(chuàng)建了海帶物種間雜交以及遠(yuǎn)緣雜交育種技術(shù)，克服了海帶種間遠(yuǎn)緣雜交不育，利用太平洋物種海帶(S.japonica)雌配子體克隆與大西洋物種糖海帶(S.accharina)雄配子體雜交后，經(jīng)連續(xù)選育，培育出首個(gè)利用遠(yuǎn)緣雜交育種方法進(jìn)行育種的海帶新品種“遠(yuǎn)雜 10 號(hào)”，較普通品種增產(chǎn)約30%[30]。方宗熙等[31]等將中國(guó)海帶種群雌配子體克隆與德國(guó)糖海帶雄配子體克隆雜交后發(fā)現(xiàn)了較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)，利用該雜種優(yōu)勢(shì)子代與海帶品種雜交，經(jīng)過(guò)連續(xù)2 代選育，培育出了海帶新品系“單雜10 號(hào)”。此外，李曉麗[32]還嘗試進(jìn)行了裙帶菜和海帶的遠(yuǎn)緣雜交，通過(guò)海區(qū)實(shí)驗(yàn)篩選得到了具有明顯生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的裙♀×?！酕1孢子體。由此可見(jiàn)，相比選擇育種和誘變育種技術(shù)，雜交育種提高了藻類(lèi)新品種培育的效率。

2.4 細(xì)胞工程育種

由于紫菜的減數(shù)分裂發(fā)生在殼孢子萌發(fā)時(shí)的第一次和第二次細(xì)胞分裂時(shí)期，因而最初的四個(gè)子細(xì)胞會(huì)“肩并肩”發(fā)育成線(xiàn)性嵌合體[33-34]。因此，無(wú)論是采用突變育種還是雜交育種方法，均需要對(duì)紫菜葉狀體進(jìn)行純化，而純化過(guò)程無(wú)疑增加了紫菜新品種培育的工作量和周期。幸運(yùn)的是，紫菜葉狀體容易產(chǎn)生色素突變體[14,35-38]，而不同顏色可以作為標(biāo)記鑒定嵌合藻體中不同遺傳背景的藻塊。之后再利用體細(xì)胞克隆技術(shù)制備獲得純系藻體，即將某一色塊藻體進(jìn)行酶解獲得原生質(zhì)體(n)[39-40]，原生質(zhì)體經(jīng)饑餓誘導(dǎo)，即可誘發(fā)染色體自動(dòng)加倍發(fā)育成雙單倍體純合絲狀體(2n)，絲狀體成熟后放散出殼孢子，殼孢子經(jīng)過(guò)減數(shù)分裂后再發(fā)育成葉狀體[41]。為了確保獲得純系藻體，新品種選育過(guò)程中至少需進(jìn)行四代純化[17,42]。

同樣，早在1973 年，方宗熙等[43]就發(fā)現(xiàn)，海帶雌配子體在排卵后，可不經(jīng)受精在第1 和第2 次細(xì)胞分裂期時(shí)染色體加倍，進(jìn)而發(fā)育成孢子體，即孤雌生殖；而且海帶雌配子體通過(guò)孤雌生殖產(chǎn)生的后代可以放散孢子，說(shuō)明其后代是可育的，因此，雌配子體的這一特點(diǎn)可以被用于單倍體育種[44]。方宗熙等[24]利用孤雌生殖的孢子體作為母本與正常的雄配子體進(jìn)行雜交，經(jīng)過(guò)4 代自交選育后培育出了“單海1 號(hào)”海帶新品系。相反，海帶雄配子體細(xì)胞直接發(fā)育成孢子體的現(xiàn)象稱(chēng)為無(wú)配生殖。但戴繼勛等[45]研究發(fā)現(xiàn)，海帶雄配子體雖然可以發(fā)育成孢子體，但大多數(shù)是畸形孢子體，染色體數(shù)目仍保持單倍型，且高度不育。

2.5 多倍體育種

張澤宇等[46-47]利用切除假根培養(yǎng)的方法從裙帶菜幼孢子體中誘導(dǎo)出2n 配子體后，將其與正常配子體進(jìn)行雜交得到了裙帶菜3n 和4n 孢子體。海區(qū)栽培實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與正常2n 裙帶菜孢子體相比，3n 裙帶菜孢子體具有明顯的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，但4n 裙帶菜孢子體生長(zhǎng)速度不如正常2n 孢子體；同時(shí)，3n 裙帶菜孢子體在繁殖期內(nèi)無(wú)孢子葉形成，表現(xiàn)出不育的特性；4n 孢子體雖然形成孢子葉，但孢子囊形成的數(shù)量少，發(fā)育水平也很低。之后，李曉麗[32]優(yōu)化了裙帶菜2n 配子體的誘導(dǎo)條件，研究了裙帶菜2n 配子體的生長(zhǎng)發(fā)育特性及大量保存和擴(kuò)繁的培養(yǎng)條件，得到了大量裙帶菜2n 配子體，為裙帶菜3n 孢子體幼苗規(guī)?；嘤峁┝思夹g(shù)支持。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)首次利用海帶孢子體體細(xì)胞誘導(dǎo)獲得了2n 雌雄配子體，以此為基礎(chǔ)獲得了海帶3n 和4n 幼孢子體。這些研究為利用多倍體育種方法培育海藻新品種提供了奠定了基礎(chǔ)。

2.6 分子育種

目前，在所有分子育種技術(shù)手段中，分子標(biāo)記輔助育種(molecular marker-assisted breeding,MAS)已初步應(yīng)用到大型海藻新品種(系)選育過(guò)程中。分子標(biāo)記輔助育種是借助與性狀緊密相關(guān)的分子標(biāo)記對(duì)具有性狀優(yōu)勢(shì)的等位基因或基因型的個(gè)體進(jìn)行直接選擇育種。目前，基因/標(biāo)記已運(yùn)用到我國(guó)大多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的種質(zhì)鑒定和品種選育研究中，取得了較大的進(jìn)步[48]。但大型海藻分子標(biāo)記輔助育種研究尚處于起步階段。

海帶、條斑紫菜、壇紫菜、龍須菜和裙帶菜的基因組結(jié)構(gòu)和功能已被成功解析。其中，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)院黃海水產(chǎn)研究所和中國(guó)海洋大學(xué)先后于2015 年和2019 年完成了海帶基因組測(cè)序工作[49-50]；中國(guó)海洋大學(xué)和寧波大學(xué)分別于2019 年和2022 年完成了壇紫菜基因組測(cè)序工作[51-52]；日本國(guó)家漁業(yè)科學(xué)研究所和中國(guó)海洋大學(xué)分別于2013 年和2020 年完成了條斑紫菜的基因組測(cè)序工作[53-54]；中國(guó)科學(xué)院海洋所和韓國(guó)成均館大學(xué)分別于2020 年和2021 年發(fā)表了裙帶菜基因組測(cè)序結(jié)果[55-56]。韓國(guó)成均館大學(xué)還解析了龍須菜的基因組結(jié)構(gòu)和功能[57]。這些經(jīng)濟(jì)海藻的基因組結(jié)構(gòu)和功能解析為繪制相應(yīng)海藻的高密度遺傳連鎖圖譜，解析生長(zhǎng)和品質(zhì)性狀遺傳調(diào)控機(jī)制提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持?？蒲腥藛T還構(gòu)建了海帶[58-60]、紫菜[61-62]和裙帶菜[63-64]的遺傳連鎖圖譜，并初步實(shí)現(xiàn)了部分性狀的QTL 單位，開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)度、重量、性別以及顏色等性狀相關(guān)的分子標(biāo)記。但由于這些經(jīng)濟(jì)海藻的染色體級(jí)高質(zhì)量基因組解析晚又少、群體子代少、高通量表型精準(zhǔn)測(cè)定技術(shù)缺乏等原因，所構(gòu)建的遺傳連鎖譜圖不夠“密”(平均標(biāo)記間隔為0.69～13 cM)，獲得的QTL 定位不夠精細(xì)，因而篩選出的連鎖標(biāo)記尚無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際育種中。集美大學(xué)壇紫菜遺傳育種與應(yīng)用團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了壇紫菜雙單倍體(DH)群體(包含480 個(gè)純系子代)，利用極端混池測(cè)序(BSA)和分子生物學(xué)方法鑒定到了與壇紫菜藻體長(zhǎng)度、厚度以及顏色緊密連鎖的分子標(biāo)記，并利用厚度和顏色分子標(biāo)記(未發(fā)表)，結(jié)合常規(guī)育種技術(shù)選育出了一個(gè)藻體薄、野生色且生長(zhǎng)速度快的新品系W28，目前正在海區(qū)開(kāi)展生產(chǎn)性能測(cè)試[42]。此外，三海海帶新品種通過(guò)雜交育種，以線(xiàn)粒體基因親本鑒別技術(shù)和靶位區(qū)域擴(kuò)增多態(tài)性(target region amplified polymorphism，TRAP)標(biāo)記選擇等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了葉片寬度性狀和產(chǎn)量性狀的有效改良，在綜合生產(chǎn)性狀方面取得了顯著的遺傳進(jìn)展?？傮w來(lái)說(shuō)，大型經(jīng)濟(jì)海藻分子標(biāo)記輔助選擇育種仍處于起步階段，主要工作集中在育種群體材料的遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)分析、親緣關(guān)系分析和種質(zhì)鑒定上[65]，育種可用的分子標(biāo)記非常少。

相比于分子標(biāo)記輔助育種，大型海藻藻類(lèi)基因工程育種研究尚處于探索階段。在20 世紀(jì) 90年代初，王素娟等[66-67]利用電穿孔法實(shí)現(xiàn)了GUS基因在壇紫菜原生質(zhì)體中的瞬間表達(dá)；同一時(shí)期，海帶轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)也被初步建立，即以SV40 為啟動(dòng)子，CAT 基因?yàn)檫x擇標(biāo)記，通過(guò)基因槍法實(shí)現(xiàn)了在孤雌生殖海帶中的成功表達(dá)。之后，條斑紫菜GUS 基因[68-69]、PyLHCI 基因[70]、碳酸酐酶γCAL1[71]等基因，海帶綠色熒光蛋白GFP、瑞替普酶rt-PA 和鱟素基因tac 等基因[72]，裙帶菜瑞替普酶基因rt-PA[73]和β-半乳糖苷酶基因(lacZ)[74]等基因的表達(dá)系統(tǒng)逐漸被建立，為進(jìn)一步完善大型海藻的轉(zhuǎn)基因操作技術(shù)，研究紫菜基因功能提供了技術(shù)支撐。值得高興的是，中國(guó)海洋大學(xué)Zhang 等[75]利用基因槍直接轉(zhuǎn)化蛋白質(zhì)核酸復(fù)合體的方法在龍須菜中實(shí)現(xiàn)了CRISPR/ LbCas12a 基因編輯，并證實(shí)了單鏈構(gòu)象多態(tài)性分析有助于在大量野生型細(xì)胞中篩選編輯結(jié)果。但目前關(guān)于大型海藻基因工程的理論和技術(shù)研究及其育種應(yīng)用仍有待加強(qiáng)。

3 大型海藻新品種選育

種業(yè)是農(nóng)業(yè)的“芯片”，是國(guó)家戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性核心產(chǎn)業(yè)。作為增速最快、產(chǎn)量最高的漁業(yè)產(chǎn)業(yè)，近幾年我國(guó)大型海藻的栽培面積逐漸穩(wěn)定，維持在14 萬(wàn)hm2左右，但產(chǎn)量整體上在逐年增加[3,76-79]，充分體現(xiàn)了大型海藻新品種和栽培新技術(shù)對(duì)產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)度在逐漸增加。我國(guó)于20 世紀(jì)50 年代開(kāi)始進(jìn)行了海帶、紫菜的生物學(xué)特征、遺傳改良技術(shù)和苗種培育的研究工作，歷經(jīng)60 多年的發(fā)展，經(jīng)歷了基礎(chǔ)理論研究、育種技術(shù)研發(fā)、新品種選育與示范推廣等發(fā)展階段，海藻育種工作者利用選擇育種、雜交育種、突變育種和細(xì)胞工程育種等方法先后培育出了24 個(gè)海藻新品種(表1)。其中，共選育出12 個(gè)海帶和7 個(gè)紫菜新品種。裙帶菜和龍須菜育種研究相對(duì)較晚，于19世紀(jì)80 年代開(kāi)始，目前分別選育出2 個(gè)和3 個(gè)新品種。

表1 我國(guó)現(xiàn)有大型海藻新品種Tab.1

日本紫菜、裙帶菜的發(fā)展時(shí)期、軌跡與中國(guó)類(lèi)似，目前已審批13 個(gè)紫菜新品種，但裙帶菜并沒(méi)有培育出新品種。韓國(guó)大型海藻育種研究起步較晚，于19 世紀(jì)80 年代開(kāi)展了紫菜、海帶和裙帶菜的育種研究，2012 年將海藻納入植物育種產(chǎn)權(quán)保護(hù)政策，經(jīng)過(guò)了40 幾年的發(fā)展，經(jīng)歷了栽培面積快速增加、產(chǎn)量下降，育種扶持計(jì)劃實(shí)施，育種理論和技術(shù)建立等發(fā)展階段，目前已成功選育出15 個(gè)海藻新品種，包括9 個(gè)紫菜、5 個(gè)裙帶菜以及1 個(gè)海帶新品種[7]。但近幾年，日本和韓國(guó)從事大型海藻育種研究的團(tuán)隊(duì)逐漸減少，新品種(系)培育數(shù)量不多。此外，卡帕藻和麒麟菜主要產(chǎn)于印度尼西亞、菲律賓等東盟國(guó)家，雖然其產(chǎn)量位居全球藻類(lèi)產(chǎn)業(yè)第二位，但是其育種研究較為薄弱，目前仍然以營(yíng)養(yǎng)繁殖為主。整體而言，我國(guó)開(kāi)展大型海藻新品種選育工作早、物種豐富、性狀多元、推廣面積大，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

4 大型海藻分子育種研究展望

盡管我國(guó)已經(jīng)建立了較為全面和系統(tǒng)的海藻常規(guī)育種技術(shù)，并培育出了多個(gè)新品種以及一系列的地方品種和優(yōu)良品系，在一定程度上促進(jìn)了大型海藻栽培產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展。但與陸生作物和水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物遺傳改良工作相比，大型海藻的良種培育技術(shù)水平仍存在較大的差距，品種培育仍主要依賴(lài)于選擇、誘變、雜交等常規(guī)育種技術(shù)?，F(xiàn)代生物技術(shù)尚未發(fā)揮其提高育種效率的重要作用，分子標(biāo)記輔助育種仍主要用于純度或雜交子代的輔助選擇，全基因組分子育種技術(shù)還未見(jiàn)報(bào)道，轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因編輯技術(shù)仍然處于前期探索階段，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)外源基因的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化、基因編輯和育種應(yīng)用。因此，大型海藻育種仍然存在著精度差、效率低、周期長(zhǎng)等問(wèn)題，急需進(jìn)一步圍繞種質(zhì)資源評(píng)價(jià)與發(fā)掘、基因組結(jié)構(gòu)和功能解析、經(jīng)濟(jì)性狀表型高通量精確測(cè)定、遺傳參數(shù)評(píng)估、分子調(diào)控機(jī)制解析和分子育種理論和技術(shù)研發(fā)等瓶頸問(wèn)題開(kāi)展研究，構(gòu)建現(xiàn)代育種技術(shù)體系來(lái)進(jìn)一步提升大型海藻的育種技術(shù)水平與能力，以進(jìn)一步推動(dòng)其良種化進(jìn)程。

4.1 大型海藻種質(zhì)資源評(píng)價(jià)與發(fā)掘利用

種業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵在于擁有優(yōu)異種質(zhì)資源的數(shù)量與質(zhì)量，我國(guó)大型海藻種質(zhì)資源極為豐富，但目前種質(zhì)資源的收集、保存和發(fā)掘利用還處于起步階段，已有的種質(zhì)保存工作比較零散、缺乏系統(tǒng)性和規(guī)?；?。種質(zhì)資源收集保存種類(lèi)和數(shù)量還不多，表型測(cè)量、精準(zhǔn)鑒定與系統(tǒng)評(píng)價(jià)范圍和規(guī)模還不廣，標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，表型和基因型聯(lián)合數(shù)據(jù)庫(kù)尚未建立，對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行高效挖掘和利用的效率還相對(duì)偏低。亟待統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究，構(gòu)建以種質(zhì)資源數(shù)據(jù)和基因組數(shù)據(jù)為核心的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，發(fā)掘優(yōu)異種質(zhì)，為海藻種業(yè)發(fā)展提供種質(zhì)基礎(chǔ)。

4.2 大型海藻高質(zhì)量基因組結(jié)構(gòu)和功能解析

高質(zhì)量基因組是重要經(jīng)濟(jì)性狀遺傳解析和優(yōu)異基因挖掘利用的基礎(chǔ)。雖然海帶、壇紫菜、條班紫菜、裙帶菜、龍須菜以及紅毛菜[80]等經(jīng)濟(jì)海藻的基因組均已發(fā)表，但由于微生物污染、高GC 含量、高雜合度等因素，這些已公布的海藻基因組仍然存在序列缺失、污染序列混雜、功能注釋不清等諸多問(wèn)題，基因組質(zhì)量仍有待提升[81]。目前發(fā)表的大部分共生體系(如珊瑚和藻類(lèi))的基因組組學(xué)研究主要是通過(guò)抗生素處理、混合樣品DNA 測(cè)序組裝序列后，跟已有的數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)的方法去除“污染”序列，但由于數(shù)據(jù)庫(kù)不全或者物種間關(guān)系較遠(yuǎn)等因素，組裝后的基因組序列中依然包含著共生生物的“污染”序列?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)建立的Symbiont-Screener 方法不需要參考基因組或數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，巧妙地基于家系或近緣物種信息，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的算法區(qū)分出宿主的三代測(cè)序數(shù)據(jù)(如Nanopore、PacBio)或共享?xiàng)l形碼測(cè)序數(shù)據(jù)(如stLFR，10× Genomics)[82]。該方法已展示出對(duì)藻類(lèi)基因組數(shù)據(jù)良好的去污染效果，并且可以開(kāi)源獲取(https://github.com/BGI-Qingdao/Symbiont-Screener)。因此，將Symbiont-Screener 方法與Meta-Hi-C、T2T 等現(xiàn)代高通量測(cè)序技術(shù)相結(jié)合，為大型海藻高質(zhì)量基因組解析提供了有效選擇。

4.3 大型海藻高通量表型測(cè)定技術(shù)開(kāi)發(fā)

傳統(tǒng)的大型海藻表型測(cè)定方法比較簡(jiǎn)單，主要通過(guò)肉眼觀(guān)察和簡(jiǎn)單測(cè)量獲得藻體外部物理性狀數(shù)據(jù)，如藻體長(zhǎng)度、寬度、厚度、柄長(zhǎng)、鮮重以及形態(tài)等，存在工作量大、效率低以及精度低等缺點(diǎn)。自動(dòng)化表型采集技術(shù)主要依賴(lài)影像學(xué)以及遙感技術(shù)采集植物的數(shù)字化影像，經(jīng)過(guò)人工智能技術(shù)快速轉(zhuǎn)化成研究人員所能理解的表型信息，該技術(shù)在植物分子育種中發(fā)揮了重要作用。雖然大型海藻的形態(tài)構(gòu)造簡(jiǎn)單(未有嚴(yán)格意義上的根莖葉分化)，但可直接獲取的表型性狀較少，同時(shí)受海水影響，高通量提取大型海藻表型性狀難度較大，這嚴(yán)重阻礙了大型海藻表型組學(xué)和分子育種學(xué)研究的進(jìn)展[83]。目前市面上的基于葉綠素?zé)晒?、高光譜以及多光譜等原理制造的植物表型自動(dòng)化測(cè)定系統(tǒng)并不適合大型海藻表型數(shù)據(jù)提取，例如，現(xiàn)有的室內(nèi)植物自動(dòng)化表型測(cè)定設(shè)備很難檢測(cè)幾米長(zhǎng)的海帶、龍須菜甚至是紫菜藻體。因而，創(chuàng)新大型海藻高通量自動(dòng)化表型采集技術(shù)，開(kāi)發(fā)大型海藻表型高通量測(cè)定系統(tǒng)，將有助于關(guān)鍵性狀的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)、精細(xì)定位和關(guān)鍵功能基因的挖掘。

4.4 大型海藻育種群體構(gòu)建和遺傳參數(shù)評(píng)估

對(duì)各經(jīng)濟(jì)性狀遺傳參數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估，遺傳變異和表型全面準(zhǔn)確的鑒定，以及清晰地描述二者之間線(xiàn)性或非線(xiàn)性關(guān)系是實(shí)現(xiàn)大型海藻分子育種的基礎(chǔ)。無(wú)論是全基因組關(guān)聯(lián)分析選擇育種(GWAS)還是全基因組選擇育種(GS)，均需要構(gòu)建性狀遺傳變異豐富的人工或自然群體，只有群體內(nèi)積累足夠多的重組和突變信息，利用全基因組進(jìn)行分子育種的分辨率才會(huì)顯著提高。同時(shí)，大數(shù)據(jù)科學(xué)提升了遺傳變異檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性,并在篩選動(dòng)植物功能變異中起到了巨大作用。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，遺傳變異檢測(cè)目標(biāo)已從單個(gè)SNP 轉(zhuǎn)向了結(jié)構(gòu)變異和插入/缺失的等位變異[84]。此外，由于可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)生物分子指標(biāo)，液相芯片已被廣泛開(kāi)發(fā)用于陸生動(dòng)植物和水生動(dòng)物的遺傳多樣性評(píng)價(jià)、種質(zhì)鑒定和新品種培育等研究中。因此，在高質(zhì)量基因組解析和規(guī)模化群體構(gòu)建的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)高密度育種芯片提升遺傳解析能力，同時(shí)結(jié)合遺傳力、育種值等遺傳參數(shù)評(píng)價(jià)，利用BLUP、貝葉斯和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法等進(jìn)行遺傳參數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估，驗(yàn)證評(píng)估參數(shù)和算法的可靠性，可以實(shí)現(xiàn)海藻分子育種遺傳參數(shù)的準(zhǔn)確評(píng)估。

4.5 大型海藻重要經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳解析和關(guān)鍵調(diào)控基因鑒定

闡明重要經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳基礎(chǔ)及調(diào)控機(jī)制是開(kāi)展分子育種的基礎(chǔ)和前提。大型海藻的重要經(jīng)濟(jì)性狀主要包括長(zhǎng)度、寬度、厚度、色澤、鮮重、干鮮比等外觀(guān)和產(chǎn)量性狀，呈味物質(zhì)組成、糖組分、脂肪酸組分等品質(zhì)性狀，溫度、鹽度、抗病等抗逆性狀。這些性狀均受到多基因位點(diǎn)的共同調(diào)控，并且性狀表達(dá)顯著地受到環(huán)境條件(光照、溫度、鹽度、營(yíng)養(yǎng)鹽、流速等)和生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的影響，調(diào)控機(jī)制復(fù)雜。應(yīng)在高質(zhì)量基因組結(jié)構(gòu)和功能解析的基礎(chǔ)上，通過(guò)GS 技術(shù)利用個(gè)體間親緣關(guān)系矩陣進(jìn)行高效的性狀預(yù)測(cè)和個(gè)體選擇。同時(shí)，綜合運(yùn)用組學(xué)、遺傳學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和計(jì)算生物學(xué)等手段[85]，解析大型海藻各性狀的調(diào)控因子與分子網(wǎng)絡(luò)，研究性狀的基因組變異與表觀(guān)變異規(guī)律及其應(yīng)對(duì)環(huán)境變異的機(jī)制，從而闡明性狀精準(zhǔn)調(diào)控的分子機(jī)制，鑒定性狀調(diào)控的關(guān)鍵基因。之后，利用人工智能模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)相關(guān)遺傳位點(diǎn),為大型海藻分子設(shè)計(jì)育種提供靶位點(diǎn)。

4.6 大型海藻基因編輯體系構(gòu)建

基因編輯技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)育種的快速、精準(zhǔn)和高效定制。相較于體外定向進(jìn)化技術(shù)，基因編輯原位定向進(jìn)化技術(shù)能夠定向進(jìn)化多數(shù)關(guān)鍵功能基因，以達(dá)到生物改良的目的[86]。目前，只有在龍須菜中實(shí)現(xiàn)了基因編輯[75]。因此，急需開(kāi)展大型海藻基因編輯理論和技術(shù)研究，構(gòu)建穩(wěn)定的大型海藻基因編輯體系，快速優(yōu)化組合天然變異，引入人工合成變異，進(jìn)而創(chuàng)制突破性海藻新品種。

最終，集成種質(zhì)資源保存和評(píng)價(jià)技術(shù)、高通量表型和基因型測(cè)定及其關(guān)聯(lián)分析技術(shù)、關(guān)鍵基因鑒定和功能驗(yàn)證等技術(shù)，構(gòu)建大型海藻的分子育種技術(shù)體系。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）