從多倍體鯽遺傳育種實踐談現(xiàn)代水產(chǎn)育種與水產(chǎn)種業(yè)發(fā)展＊

桂建芳

(中國科學院水生生物研究所，中國科學院水產(chǎn)品種創(chuàng)制與高效養(yǎng)殖重點實驗室，湖北洪山實驗室，種子創(chuàng)新研究院，湖北 武漢 430072)

作為1977 年恢復高考后的第一批大學生，伴著科學的春天和改革開放的腳步，我于1978 年3月進入武漢大學生物系；1982 年考取研究生，師從武漢大學遺傳學導師余先覺教授和周暾教授專攻魚類細胞遺傳學。在分析了30 多種淡水魚的染色體組型后，發(fā)現(xiàn)一般魚類為50 或48 條染色體，而銀鯽有150 多條染色體，是奇特的多倍體，我極感興趣，頓萌探索之心；畢業(yè)論文答辯時承蒙導師有意安排已在銀鯽育種取得突破性成就的中國科學院水生生物研究所蔣一珪先生作為答辯委員，因而得到蔣一珪先生的贊許，力邀加入水生生物研究所，從此結(jié)緣銀鯽，結(jié)緣水產(chǎn)遺傳育種。

銀鯽是一種尋常的淡水魚類，但有三個奇特的生物學特性。第一是能進行單性雌核生殖，可產(chǎn)生全雌后代[1]；第二是其天然種群中不僅存在少量雄性，且從北向南雄魚比例還有增加趨勢[2-3]；第三是高倍性的多倍體，經(jīng)歷了額外的兩次基因組加倍[4-6]。諸多奇特之處隱藏的科學問題也多，激發(fā)了我們迎難而上，執(zhí)著拓新的科研之心。

自20 世紀70 年代以來的近50 年中，水生生物研究所經(jīng)三代人的不斷努力，解析了鯽(Carassius auratus)復合種特殊的生殖、性別、生態(tài)適應性等基礎科學問題，利用銀鯽單性雌核生殖等多重生殖方式的潛能，培育出了異育銀鯽(C.gibelio)[1]、高體型異育銀鯽[7]、異育銀鯽“中科3 號”[8]、長豐鯽[9]和異育銀鯽“中科5 號”[10-11]系列新品種，形成了水產(chǎn)種業(yè)的創(chuàng)新鏈和價值鏈，特別是異育銀鯽“中科3 號”和“中科5 號”已成為近10 多年來的主養(yǎng)品種，帶動了鯽產(chǎn)量的快速提升，在產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮了重大作用，為中國水產(chǎn)養(yǎng)殖做出了貢獻[8,12-14]。可以說，水生生物研究所三代人近50 年聚焦銀鯽遺傳與發(fā)育基礎和異育銀鯽新品種培育及其種業(yè)發(fā)展，架起了從基礎研究到產(chǎn)業(yè)應用的橋梁。

1 基因組時代對水產(chǎn)育種生物技術(shù)發(fā)展的再思考

2018 年，在唐啟升院士、李鐘杰研究員、劉家壽研究員和Sena S.De Silva 先生的共同努力下，我們出版了《中國水產(chǎn)養(yǎng)殖-成功的故事和現(xiàn)代趨勢》(Aquaculture in China: Success Stories and Modern Trends)[15]。該書綜合了水產(chǎn)遺傳育種學、種質(zhì)資源學和養(yǎng)殖生態(tài)學等多學科優(yōu)勢，系統(tǒng)梳理了中國水產(chǎn)養(yǎng)殖成功的典型故事，被國內(nèi)外同行譽為新時代的水產(chǎn)養(yǎng)殖專著，向世界展示了中國這個卓越水產(chǎn)養(yǎng)殖超級大國的主要活力[16-18]。

近年來，水產(chǎn)養(yǎng)殖在保障全球食品安全中的作用再次引發(fā)了世界的高度關注。最新研究表明，生產(chǎn)單位水產(chǎn)品所排出的溫室氣體和所占用的土地，遠少于家畜和家禽生產(chǎn)，是一種低碳排放、環(huán)境友好的動物蛋白生產(chǎn)方式[19-20]。且水產(chǎn)品作為“藍色食品”可以提供人類賴以生存而自身難以合成的營養(yǎng)元素，可提升國民營養(yǎng)健康水平[21]。因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖已被普遍認為有保障全球糧食安全、減少營養(yǎng)不良的作用，是綠色可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)方式[13]，到2050 年，人類對于魚類等水產(chǎn)品的需求可能會再翻一番[22]。

伴隨著基因組時代和后基因組時代的到來，國際上已孕育出一批新生代的遺傳育種專家，如何駕馭基因組學進入水產(chǎn)養(yǎng)殖遺傳改良的快車道已成熱點[23-27]。基于這一發(fā)展趨勢，2022 年我們發(fā)表了《在基因組資源快速增長和糧食安全日益強化的挑戰(zhàn)時代魚類生物學和生物技術(shù)再思考》，文中以1/3 的篇幅描述了魚類及其他水產(chǎn)動物遺傳育種及其種業(yè)的發(fā)展藍圖[28]。實際上，我國水產(chǎn)遺傳育種及其種業(yè)的發(fā)展主要經(jīng)歷了3 個階段，第一個階段是傳統(tǒng)育種階段，對應作物育種的1.0 時代選擇育種和2.0 時代雜交育種。在這一時期，育種學家們主要是收集和發(fā)掘足夠的和優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源，通過群體或家系選育，或者進行種內(nèi)或種間雜交，從而得到優(yōu)良品種。第二個階段是表型與基因型因果關系鑒定的遺傳改良育種階段，對應作物育種中的3.0 時代。其主要是通過表型(如顏色、性別大小和生長) 和基因型(如微衛(wèi)星、擴增片段長度多態(tài)性(AFLP)、QTL 和全基因組)來鑒定與目標性狀相對應的遺傳標記或優(yōu)勢基因(或等位基因)，由此發(fā)展出分子標記輔助的選擇育種和基于全基因組分型的選擇育種。第三個階段是精準育種階段，對應作物育種中的4.0時代。近5 年來，遺傳和發(fā)育的基礎研究已取得了大量的重要突破，由此發(fā)展起來一批有重大潛力的精準育種技術(shù)路徑?；谶@些突破進展，我們總結(jié)出了魚類精準育種的5 條生物技術(shù)路徑，如基于基因編輯技術(shù)路徑導入有益基因或移除不利基因、基于性別特異標記技術(shù)路徑培育單性群體、基于可控原始生殖細胞開關技術(shù)路徑生產(chǎn)不育子代、基于借腹懷胎技術(shù)路徑提升育種效率、基于基因組整合及有性生殖重獲路徑創(chuàng)制基因組重構(gòu)的合成多倍體[28]。

2 育種生物技術(shù)新突破為水產(chǎn)新品種的精準定制提供可能

充分解析物種的遺傳背景和生物學特性是培育重大突破品種的前提[13,28-29]。為了進行精準育種，我們團隊前后耗費10 多年時間比較解析了100 條染色體的鯽和150 多條染色體的銀鯽的基因組[5]，不僅揭示了鯽和銀鯽的演化機制，而且發(fā)現(xiàn)鯽是雙二倍體，銀鯽是雙三倍體，為其精準育種提供了理論和技術(shù)支撐。在此基礎上，開拓出針對性強的育種生物技術(shù)，取得了5 個精準育種的新突破。

2.1 基因編輯技術(shù)創(chuàng)制無肌間刺銀鯽突變體

在銀鯽基因組解析和成熟基因編輯技術(shù)建立的基礎上，我們開始關注鯽給食用者帶來不少麻煩的肌間刺。在華中農(nóng)業(yè)大學高澤霞教授團隊從斑馬魚(Danio rerio)中鑒定出調(diào)控肌間刺發(fā)育的關鍵基因runx2b[30]的基礎上，我們與高澤霞教授合作，在銀鯽中發(fā)現(xiàn)有runx2b2 個部分同源基因runx2b-A或runx2b-B及其6 個等位基因。研究發(fā)現(xiàn)，在銀鯽中單獨敲除runx2b-A或runx2b-B不影響肌間刺發(fā)育和形成，只有同時敲除runx2b-A和runx2b-B這2 個部分同源基因及其6 個等位基因，才能創(chuàng)制出無肌間刺的銀鯽突變體[31-32]。該研究為在雙三倍體銀鯽中培育無肌間刺異育銀鯽新品種奠定了基礎，是基因編輯技術(shù)剔除不利基因的功能創(chuàng)制更優(yōu)水產(chǎn)新品種的范例，其應用潛力很大。

2.2 基因組重構(gòu)技術(shù)合成銀鯽新多倍體

回顧1980 年代，我們發(fā)現(xiàn)整入含有鯉(Cyprinus carpio)基因組少數(shù)高倍性個體[33]的基礎上，將鯽精子替代鯉精子，獲得了批量的整入有鯽雙單倍體基因組的雙四倍體，發(fā)現(xiàn)雙四倍體形成時重新獲得了性染色體系統(tǒng)與有性生殖能力[34]。我們將恢復了有性生殖的雙四倍體雄魚與雙二倍體鯽雌魚回交獲得了新雙三倍體群體(NA3n)，新雙三倍體具有高度的遺傳多樣性，進而通過基因組重測序和染色體分型來辨別新雙三倍體的染色體來源?；蚪M重測序和染色體分型揭示新雙三倍體群體中存在著大量基因組變化，包括銀鯽和鯽同源染色體間的重組，以及非同源染色體間的自由組合，這些變化導致新雙三倍體群體具有高度的基因組多樣性。之后通過探究新雙三倍體的育性、性別決定系統(tǒng)、卵母細胞發(fā)育的細胞學過程以及卵子的受精行為，發(fā)現(xiàn)新雙三倍體群體中約80%的雌魚恢復了單性雌核生殖能力。有趣的是，新三倍體產(chǎn)生了兩類不同發(fā)育命運的卵母細胞。Ⅰ型卵母細胞先產(chǎn)生，但由于其3 條同源染色體無法同時聯(lián)會以及未聯(lián)會染色體上的DNA 雙鏈斷裂無法修復，從而發(fā)生凋亡；而后產(chǎn)生的Ⅱ型卵母細胞與銀鯽的一樣，意味著新雙三倍體采用與銀鯽相同的無減數(shù)分裂途徑形成未減數(shù)的卵子。為從表型上觀察到差異，選擇一尾透明彩鯽與雙四倍體交配，產(chǎn)生的雙三倍體在體色、鱗式、體型和大小上顯示出明顯差異。隨機選一尾進行連續(xù)兩代雌核生殖，產(chǎn)生了形態(tài)和遺傳一致的雌核生殖雙三倍體和克隆雙三倍體。以上結(jié)果表明，倍性變化，包括從雙三倍體到雙四倍體，然后從雙四倍體到新雙三倍體，驅(qū)動了從單性到有性和從有性到單性的生殖轉(zhuǎn)換，從而導致了多倍體鯽復合種的遺傳和克隆多樣性[35]。這些發(fā)現(xiàn)揭示出單性動物產(chǎn)生大量克隆系的有效策略，由此可避免基因組衰退、增加進化潛力，回答了其如何獲得遺傳多樣性這一長期困擾進化遺傳學家的難題，拓寬了我們對單性物種遺傳多樣性起源和保持的理解?；谶@些發(fā)現(xiàn)，開拓出由倍性改變及生殖方式轉(zhuǎn)換創(chuàng)制基因組重構(gòu)的合成多倍體新技術(shù)。

2.3 無減數(shù)融合生殖方式的發(fā)現(xiàn)與不育異源多倍體的高效合成

在上述研究的基礎上，我們還發(fā)現(xiàn)少數(shù)新雙三倍體雌性獲得了一種定義為“無減數(shù)融合生殖”的獨特生殖方式，這種方式不僅從雌核生殖銀鯽遺傳了無減數(shù)分裂產(chǎn)生不減數(shù)卵子的能力，還從有性生殖鯽遺傳了卵核與精核融合形成受精卵的能力。將這種新雙三倍體與二倍體團頭魴進行交配，直接創(chuàng)制了一個合成的異源七倍體群體，它們含有來自其母本新雙三倍體鯽的全套染色體組和來自父本二倍體團頭魴(Megalobrama amblycephala)的一套染色體組。之后追蹤了異源七倍體生殖細胞在減數(shù)分裂過程中的染色體行為，揭示了它們的不育機制：在減數(shù)分裂前期Ⅰ，染色體聯(lián)會異常以及DNA 雙鏈斷裂無法被完全修復，導致初級卵母細胞嚴重凋亡。有意思的是，當用UV 輻射的鯉精子來激活上述新雙三倍體的卵子，其產(chǎn)生的后代沒有整入精子的基因組，由此建立了一個可持續(xù)的具有無減數(shù)融合生殖能力的新雙三倍體克隆系。將這個可持續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)無減數(shù)融合生殖能力的新雙三倍體克隆系與不同鯉科(Cyprinidae)魚類進行交配，可快速創(chuàng)制合成出多種不育的異源多倍體群體[36]。這一研究的重要意義不僅是發(fā)現(xiàn)了一種獨特的無減數(shù)融合生殖方式，而且創(chuàng)建了一條合成不育異源多倍體的高效路徑[36]。

2.4 育性可控的合成異源多倍體

基于高效合成不育異源多倍體的發(fā)現(xiàn)，結(jié)合基因編輯，我們還創(chuàng)建了一條育性可控的合成異源多倍體的路徑。通過基因編輯技術(shù)在“無減數(shù)融合”生殖能力的新雙三倍體克隆系(A+/+/+B+/+/+)中敲除銀鯽部分同源基因及其等位基因，獲得帶有理想性狀的目標基因突變體(A-/-/-B-/-/-)，突變體繼續(xù)通過滅活精子刺激進行雌核生殖擴群；同時，在另一鯉科魚類中構(gòu)建目標基因編輯的突變體(X-X-)；二者交配可大批量產(chǎn)生目標基因敲除的不育七倍體突變體(A-/-B-/X-)。這種育性可控的合成路徑產(chǎn)生的不育異源多倍體不僅可避免其養(yǎng)殖過程中逃逸的生態(tài)風險，而且有利于種業(yè)經(jīng)營者的品種權(quán)益保護。

2.5 金魚表型因果基因鑒定再造更優(yōu)更美金魚

金魚是我國發(fā)現(xiàn)、馴養(yǎng)、選育、世界知名的第一類觀賞魚，擁有眼睛、頭瘤、鱗片、體型、鰭條等多種表型突變的300 多個品種，實質(zhì)上是基因突變經(jīng)人工選育的結(jié)果。導致這些眾多觀賞性狀的因果基因可否鑒定、其性狀可否再造一直是魚類遺傳學家關注的重要科學問題[14,28,37]。

為此，我們團隊建立了基于高效繁育+基因編輯+人工雌核生殖+溫控性反轉(zhuǎn)的金魚精準育種技術(shù)，極大地縮短了金魚繁育時間，其中產(chǎn)卵次數(shù)最多的金魚獲得了福布斯世界紀錄。首先，我們揭示金魚龍睛性狀與脂質(zhì)代謝異常有關[38]，先后鑒定出龍睛和白化兩個性狀的因果基因[39]；通過編輯龍睛和白化性狀的因果基因lrp2aB和oca2，快速再造出適合側(cè)視觀賞的龍睛百褶裙獅子頭金魚“龍獅”、金色紅眼百褶裙獅子頭金魚“金兔”、碧玉紅眼百褶裙獅子頭金魚“玉兔”、以及“金獅”和“虎紋”等10 多個金魚新品系[39]。

3 現(xiàn)代水產(chǎn)育種與水產(chǎn)種業(yè)發(fā)展展望

以上5 個突破僅僅是近年來水產(chǎn)精準育種的滄海一粟，實際上中國和世界的很多實驗室都取得了重大進步，期待未來幾年水產(chǎn)育種能象主糧作物一樣，產(chǎn)出更精準的技術(shù)和更優(yōu)的品種。

從1991—2022 年，中國已通過國家審定的水產(chǎn)新品種共283 個，其中自主選育品種253 個。未來水產(chǎn)遺傳育種一是要針對消費市場對不飽和脂肪酸含量高、生長速率快、宜加工的重大需求，培育具有高不飽和脂肪酸、無肌間刺、生長快、耐低氧等性狀的水產(chǎn)養(yǎng)殖新品種，滿足人們對優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品的需求；二是針對集約化、設施化養(yǎng)殖等新型技術(shù)模式和高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求，發(fā)掘出適合高密度和育性可控的優(yōu)異種質(zhì)和基因資源，創(chuàng)建并集成全基因組選擇、基因編輯、基因組重構(gòu)、性別與育性可控、生殖干細胞移植等種質(zhì)創(chuàng)制與新品種培育的精準生物技術(shù)，解析主養(yǎng)魚類適應高密度養(yǎng)殖、雌雄生長差異的分子機制，培育適應集約化養(yǎng)殖的高產(chǎn)新品種，為工廠化等現(xiàn)代養(yǎng)殖模式提供優(yōu)異新品種，推動水產(chǎn)集約化養(yǎng)殖高質(zhì)量發(fā)展；三是針對主要大宗魚類如草魚(Ctenopharyngodon idella)和鯽等出血病等重大疫病頻發(fā)、亟需高抗新品種的迫切需求，建立抗病等性能評價技術(shù)體系，集成傳統(tǒng)育種和現(xiàn)代精準育種技術(shù)，培育抗病、抗逆、成活率高的新品種，進一步提高大宗養(yǎng)殖魚類的良種覆蓋率。

2021 年，我與周莉、殷戰(zhàn)、胡煒、童金茍、孫永華、肖武漢共7 位研究員共同編著的《水產(chǎn)遺傳育種學》，不僅是我個人從多倍體鯽育種實踐中的深切感悟，更是綜合了魚、蝦、貝、蟹、參、藻等水產(chǎn)新品種培育過程中眾多專家的智慧[40]。當前世界范圍內(nèi)已進入“生物技術(shù)+人工智能+大數(shù)據(jù)”為特征的分子設計或精準育種時代，可進一步加快水產(chǎn)生物的遺傳改良[23-25,27-28]。因此，在魚類和其他水產(chǎn)養(yǎng)殖動物中進行多組學研究和開發(fā)更為精準的遺傳方法，并能夠設計創(chuàng)建更精準的育種技術(shù)體系將是未來重要的發(fā)展方向[13,28]。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）