服務(wù)于“藍(lán)色種業(yè)”的海洋生物技術(shù)

秦 松, 孫 林, 王亞軍, 劉正一, 王寅初, 張 健

(1.中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所, 煙臺 264003; 2.寧波大學(xué)海洋學(xué)院, 寧波 315832;3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 長春 130118)

1 我國“藍(lán)色農(nóng)業(yè)”的發(fā)展情況

曾呈奎院士曾指出,“在我們?nèi)偃f平方千米的藍(lán)色國土里發(fā)展我國的藍(lán)色農(nóng)業(yè)是歷史的必然”[1]。“藍(lán)色農(nóng)業(yè)”,即海水養(yǎng)殖業(yè),是我國大農(nóng)業(yè)的重要組成部分,在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位[2]?！八{(lán)色種業(yè)”是指在“藍(lán)色農(nóng)業(yè)”中應(yīng)用的水產(chǎn)品種或品系,它的發(fā)展是“藍(lán)色農(nóng)業(yè)”持續(xù)發(fā)展的不竭動力。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)統(tǒng)計[3],過去30年間,漁業(yè)和淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量增勢迅猛。根據(jù)FAO發(fā)布的《2022世界漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖狀況》[4],全球水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量在2020年保持增長勢頭。水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量中,水生動物產(chǎn)量為8 750萬噸,主要供人類食用;藻類產(chǎn)量為3 510萬噸,包括食物和非食物用途。

2 我國藍(lán)色種業(yè)技術(shù)的發(fā)展歷程

經(jīng)過多年的發(fā)展,我國在魚、蝦、蟹、貝、藻、參等品種研發(fā)方面的藍(lán)色種業(yè)技術(shù)已有巨大的進(jìn)步和突破。我國水產(chǎn)新品種(系)的產(chǎn)生方式主要包括引進(jìn)、本土選育、自交+選育、雜交+選育、引進(jìn)種質(zhì)研發(fā)和自有品系研發(fā)等6種方式(表1)。依托這6種主要方式,我國的藍(lán)色種業(yè)技術(shù)已走在世界前列,為我國“藍(lán)色農(nóng)業(yè)”的快速發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。

表1 我國水產(chǎn)新品種(系)產(chǎn)生方式(代表種/系)Table 1 The way to generate new aquatic aquaculture varieties in China (representative varieties)

2.1 我國水產(chǎn)新品種的產(chǎn)生方式

30年以來,我國已發(fā)展了多種主要的水產(chǎn)種質(zhì)培育技術(shù),并實現(xiàn)了規(guī)?；膽?yīng)用,為魚、蝦蟹、貝、藻、參等水產(chǎn)物種養(yǎng)殖的提質(zhì)和增產(chǎn)提供了技術(shù)保障。1996年,我國審批通過第一批水產(chǎn)新品種,至2022年12月,已審批通過了266個水產(chǎn)新品種(系),豐富了我國水產(chǎn)養(yǎng)殖體系。

藍(lán)色農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程主要表現(xiàn)在:

20世紀(jì)60年代,伴隨海帶人工栽培等技術(shù)的進(jìn)步,以海帶、紫菜養(yǎng)殖為代表的海水養(yǎng)殖的第一次浪潮在我國興起。

20世紀(jì)80年代,伴隨著工廠化育苗和池養(yǎng)技術(shù)的長足發(fā)展,中國對蝦的養(yǎng)殖產(chǎn)量迅速增長,從而興起了以對蝦養(yǎng)殖為代表的海洋蝦類養(yǎng)殖浪潮,也就是海水養(yǎng)殖的第二次浪潮。

20世紀(jì)90年代,我國在貝類引種育苗和吊養(yǎng)技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展,使中國的海灣扇貝養(yǎng)殖產(chǎn)量迅速增加,達(dá)到了世界之最,興起了以扇貝養(yǎng)殖為代表的第三次海水養(yǎng)殖浪潮。

20世紀(jì)末,雷霽霖院士首先從英國引進(jìn)冷溫性魚類良種大菱鲆,突破了工廠化育苗關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)建起“溫室大棚+深井海水”工廠化養(yǎng)殖模式,開創(chuàng)了大菱鲆工廠化養(yǎng)殖大產(chǎn)業(yè),最終形成了以大黃魚、真鯛、鱸魚等多種海水魚類產(chǎn)量的突破和區(qū)域性推廣為特點的第四次海水養(yǎng)殖浪潮。

21世紀(jì)初,針對海參、鮑魚等海珍品過度捕撈導(dǎo)致的海珍品資源急劇衰竭的現(xiàn)象,我國在刺參、鮑魚育種育苗和養(yǎng)殖技術(shù)上取得了重要突破。如刺參增殖放流高產(chǎn)技術(shù)、刺參控溫工廠化養(yǎng)殖技術(shù)、利用地?zé)崴嘤笠?guī)格刺參苗種技術(shù)、刺參池塘和圍堰養(yǎng)殖技術(shù)等。以此興起了以海參、鮑為代表的海珍品養(yǎng)殖的第五次海水養(yǎng)殖浪潮[5]。

圖1 我國藍(lán)色種業(yè)技術(shù)發(fā)展過程中魚、蝦、貝、藻部分標(biāo)志性選育工作Figure 1 Some of the landmark work regarding the technological evolution of variety breeding of fish, shrimp, shellfish and seaweed in China

2.2 我國藍(lán)色種業(yè)技術(shù)發(fā)展過程

從1950年開始,我國就開始了魚類選擇育種技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。1960年婺源縣荷包紅鯉研究所采用群體選育和家系選育相結(jié)合的方法,得到了純系荷包紅鯉,性狀穩(wěn)定,這是我國第一個通過選擇育種獲得的新品種[6]。隨后陸續(xù)開展了水產(chǎn)品種的雜交育種技術(shù)、多倍體育種技術(shù)、雌/雄核發(fā)育育種技術(shù)、核移植育種技術(shù)、轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)、基因組育種技術(shù)等的開發(fā)和應(yīng)用,目前已實現(xiàn)魚、蝦、貝、藻、參等多物種選育的全面技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用。

3 藍(lán)色種業(yè)的主要育種技術(shù)及應(yīng)用

3.1 傳統(tǒng)育種技術(shù)

3.1.1 形態(tài)學(xué)標(biāo)記選育

19世紀(jì)中期,孟德爾率先將形態(tài)學(xué)性狀作為遺傳標(biāo)記。形態(tài)學(xué)標(biāo)記是指直接利用生物的表型性狀進(jìn)行研究遺傳多樣性的方法[7]。從1952年開始,中國科學(xué)院海洋研究所對定向培育耐高溫品種的海帶進(jìn)行了探索性工作。1962年,方宗熙等[8]利用定向選擇技術(shù),將海帶連續(xù)自交,得到了海帶新品種“海青一號”,這一品種的出現(xiàn)也標(biāo)志著我國海洋生物遺傳育種工作的開始。

3.1.2 雜交

雜交育種是一種利用具有不同遺傳性狀的親本組合,結(jié)合親本的優(yōu)良基因,選擇符合人類生產(chǎn)要求的表型性狀的育種技術(shù)。自20世紀(jì)50年代以來,我國對魚類屬間及種間雜交育種進(jìn)行了廣泛研究,獲得了一系列雜交魚類,如雜交鯉、雜交鯽等(表2),取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[9]。1979年,蔣本禹等[10]對現(xiàn)有的高碘高產(chǎn)品種進(jìn)行雜交,將兩個品種的優(yōu)勢結(jié)合在一起,得到新品種“海雜一號”,產(chǎn)量高且育苗期間幼苗健壯病害少。

表2 雜交魚的技術(shù)發(fā)展Table 2 Technological development of hybrid fish

3.2 生物工程育種技術(shù)

3.2.1 細(xì)胞工程育種

1979年,Uchimiya[11]發(fā)表了論文“Somatic cell engineering and breeding in higher plants”,首次使用了細(xì)胞工程一詞。細(xì)胞工程是一種在細(xì)胞水平上進(jìn)行遺傳操作和處理的技術(shù),以有針對性的方式修改或創(chuàng)造新的物種,或創(chuàng)造具有新遺傳特征的細(xì)胞[12],包括細(xì)胞融合、細(xì)胞折合、單克隆抗體等[13-14]。

我國從70年代中期開始進(jìn)行魚類細(xì)胞工程育種的研究。蔣一珪等[15]將興國紅鯉與方正銀鯽進(jìn)行屬間雜交,實驗發(fā)現(xiàn),異源精子會刺激銀鯽卵子的雌核發(fā)育,同時影響雌核發(fā)育子代的一些性狀,通過這種方式雜交得到的異育銀鯽具有明顯的生長優(yōu)勢。2019年,中國水產(chǎn)科學(xué)院黃海水產(chǎn)研究所利用遠(yuǎn)緣雜交育種技術(shù)培育得到了云龍石斑魚,是我國利用細(xì)胞工程育種技術(shù)獲得的魚類新品系。海帶育種方面,1973年起方宗熙等[16]開始了海帶單倍體的研究探索,并首次獲得了海帶雌性孢子體,培育出若干雌雄配子體的無性生殖系。

3.2.2 轉(zhuǎn)基因育種

1985年,朱作言等[17]獲得轉(zhuǎn)基因鯽魚,開辟了魚類轉(zhuǎn)基因育種的新領(lǐng)域,同時建立了轉(zhuǎn)基因魚的理論模型。隨著研究的深入和拓展,先后獲得了轉(zhuǎn)基因團(tuán)頭魴、泥鰍、鯉和鯪等魚類。將轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用于冠鯉的培育,開創(chuàng)了快速生長轉(zhuǎn)基因魚培育的序幕;通過導(dǎo)入免疫相關(guān)基因或干擾和抑制病原體特異基因, 獲得抗病抗逆和品質(zhì)改善的轉(zhuǎn)基因魚[18]。但截至目前,轉(zhuǎn)基因魚的生物安全,包括食品安全和生態(tài)安全問題,仍是亟須解決的關(guān)鍵問題[19]。

3.2.3 分子標(biāo)記輔助育種

2006年Sakamoto等[20]應(yīng)用分子標(biāo)記輔助育種進(jìn)行牙鲆抗病毒育種研究。分子標(biāo)記輔助育種(molecular marker-assisted breeding, MAS)是一種利用與性狀密切相關(guān)的分子標(biāo)記直接選擇具有顯性等位基因或基因型個體的技術(shù),它將分子生物學(xué)和基因組學(xué)研究的結(jié)果應(yīng)用于水產(chǎn)種質(zhì)的選育[21]。分子標(biāo)記輔助育種在彌補(bǔ)傳統(tǒng)育種過程中形態(tài)學(xué)標(biāo)記數(shù)量少、環(huán)境影響大、選擇精度低等缺點的同時,可以實現(xiàn)早期選擇,進(jìn)而提高育種效率[22]。

3.3 基因組育種技術(shù)

Meuwissen 等[23]提出了基因組選擇的概念。該方法的原理是利用全基因組標(biāo)記圖譜信息結(jié)合表型信息來估計每個分子標(biāo)記或染色體段的效應(yīng)大小,并將所有效應(yīng)大小相加,得到基因組育種值(genomic estimated breeding value, GEBV)。因此,基因組選擇技術(shù)適合用于涉及復(fù)雜性狀,如抗病性、抗逆性和品質(zhì)等的選育[24-25]。截至2022年6月,已發(fā)表了66個甲殼類動物的基因組,涵蓋了5類甲殼動物。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中,基因組選擇技術(shù)潛力很大,例如選擇精度在生長性狀方面提高了20%～30%,在抗病性狀方面提高了10%～100%。美國在1997年9月正式啟動了較為全面的水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的基因組計劃;挪威、法國和丹麥等國家與加拿大合作,早在1997年就發(fā)表了連鎖圖譜;英國和法國也走在了水產(chǎn)品基因組研究的前列,早在20世紀(jì)90年代初就開展了河鲀(Fugurubripes)的基因組研究;我國基因組育種技術(shù)起步相對較晚,但發(fā)展較快,成功完成了包括半滑舌鰨、牡蠣、鯉魚、石斑魚、大黃魚等重要水產(chǎn)物種的全基因組序列測定和圖譜繪制,并培育了一批水產(chǎn)新品種。

3.3.1 對蝦基因組

對蝦基因組是公認(rèn)的高復(fù)雜基因組,以中國科學(xué)院海洋研究所相建海和李富花研究組為主導(dǎo),在國際合作支持下,發(fā)表了第一張高質(zhì)量凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)基因組參考圖譜[26]。此外,基于分子標(biāo)記和功能基因的分子選擇技術(shù)也得到了發(fā)展,為基因組選擇和改善對蝦的經(jīng)濟(jì)性狀提供了重要的技術(shù)支撐。斑節(jié)對蝦(Penaeusmonodon)[27]、中國對蝦(Fenneropenaeuschinensis)[28]和印度對蝦(Penaeusindicus)[29]基因組也先后被破譯。

3.3.2 貝類基因組

中國科學(xué)院海洋研究所張國范研究員和美國羅格斯大學(xué)郭希明教授于2008年共同啟動了國際牡蠣基因組計劃(OGP),并在2012年9月發(fā)表了牡蠣全基因組序列精細(xì)圖譜[30]。中國海洋大學(xué)包振民教授團(tuán)隊完成了蝦夷扇貝、櫛孔扇貝、泥蚶等多種貝類基因組精細(xì)圖譜繪制,深入解析了控制扇貝肌肉生長、足絲分泌、貝毒代謝、發(fā)育和性別決定等組學(xué)調(diào)控基礎(chǔ),并在探究動物發(fā)育與演化等方面取得多項新發(fā)現(xiàn)和新認(rèn)識[31-34]。針對長期以來非模式生物全基因組分析手段匱乏而且費用過高等技術(shù)瓶頸,研究團(tuán)隊先后研發(fā)了2b-RAD、MethylRAD、MisoRAD、HD-Marker、2bRAD-M等一系列新型、高效的基因組學(xué)前沿技術(shù)[35-38],使低成本、高效開展非模式生物特別是水生生物全基因組分析成為可行。

2021年10月,中國海洋大學(xué)、青島華大基因研究院等單位共同發(fā)起“M10K+ project”,即“萬種軟體動物基因組計劃”。萬種軟體動物(冠輪動物/軟體動物)基因組項目(M10K+),計劃分3個階段,歷時十年,繪制萬種貝類和其他冠輪動物的基因組圖譜,建立基因組數(shù)據(jù)庫,為動物的系統(tǒng)演化等重要科學(xué)問題提供有效和可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3.3 海參基因組

棘皮動物在海洋環(huán)境中普遍存在,具有重要的研究價值。在刺參之前,已明確的棘皮動物基因組有兩個物種,即紫海膽(Strongylocentrotuspurpuratus)和長棘海星(Acanthasterplanci)。海參具有較高的經(jīng)濟(jì)價值,并在海洋沉積物生物循環(huán)等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此,海參基因組的研究對理解自然界生物進(jìn)化和生物學(xué)過程以及遺傳育種具有重要意義。

Zhang等[39]完成了仿刺參(Apostichopusjaponicus)的全基因組精細(xì)參考圖譜的繪制,這一研究成果也揭示了海參的特殊形態(tài)進(jìn)化與再生潛能的分子基礎(chǔ)。Li等[40]和Thimmappa等[41]利用多組學(xué)手段揭示了LAS基因介導(dǎo)的海參皂苷合成機(jī)制,解答了動物獲得皂苷合成能力的進(jìn)化起源之謎。

3.3.4 海水魚基因組

我國是海水魚類養(yǎng)殖大國,我國的海水魚類養(yǎng)殖品種達(dá)到100多種,對主要養(yǎng)殖品種進(jìn)行基因組分析,有助于魚類遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等基礎(chǔ)研究的發(fā)展以及養(yǎng)殖技術(shù)的創(chuàng)新,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)更好發(fā)展[42]。

自20世紀(jì)90年代中期以來,關(guān)于魚類全基因組解碼的研究一直在推進(jìn)。美國于1996年啟動了水產(chǎn)基因組計劃,進(jìn)行了虹鱒、斑點叉尾鮰、尼羅羅非魚等水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的全基因組測序。國內(nèi)的魚類全基因組測序起步于2009年,先后完成了半滑舌鰨、大黃魚、黃姑魚、石斑魚等主要養(yǎng)殖品種的基因測序。自2002年紅鰭東方豚全基因組測序最先完成,在隨后的近20年內(nèi),完成了文昌魚(Branchiostoma)、大西洋鱈魚(Gadusmorhua)等80余種海洋經(jīng)濟(jì)魚類的全基因組測序。近十年總獲得129種海水魚全基因組序列,2016年以來,越來越多的海水魚類物種被測序,且隨著測序技術(shù)的不斷升級,還有大量的重測序基因組不斷更新。

2019年9月21日由中國科學(xué)院水生生物研究所聯(lián)合青島華大基因研究院等單位共同發(fā)起了“萬種魚基因組計劃Fish 10K”正式對外發(fā)布(圖2)。相信未來的十年,我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖會圍繞種業(yè)不斷創(chuàng)新,不斷累積的基因組信息將提供更強(qiáng)有力的技術(shù)支撐,將獲得更多更好的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用成果。

引自“萬種魚基因組計劃”項目(http:∥fish10k.genomics.cn/)。圖2 萬種魚基因組計劃(Fish 10K)三個階段任務(wù)及目標(biāo)Figure 2 Three stages of the Fish 10 000 Genomes Project (Fish 10K) tasks and objectives

4 展望

伴隨全球變化和人類活動的加劇,中國的近海環(huán)境發(fā)生了顯著變化,如海洋酸化、海洋升溫、富營養(yǎng)化等,且這些變化將可能成為中國海水養(yǎng)殖面臨的常態(tài)。同時海水養(yǎng)殖的價值取向也發(fā)生了深刻的變化:在國家戰(zhàn)略的背景下,海水養(yǎng)殖已從單一的生物質(zhì)價值,逐步發(fā)展出了碳匯價值和生態(tài)服務(wù)價值,伴隨國際上IMTA養(yǎng)殖理念的進(jìn)步,對養(yǎng)殖品種生物質(zhì)價值的計算,也由單一的養(yǎng)殖品種價值計算,發(fā)展到了單位時間、空間范圍的多物種多營養(yǎng)級生物質(zhì)的綜合價值計算。

在以上背景下,育種技術(shù)的發(fā)展一方面需要適應(yīng)海水養(yǎng)殖環(huán)境的顯著變化,另一方面也需要對應(yīng)滿足新價值要求的性狀需求。此外,種質(zhì)資源的生態(tài)安全,如野生經(jīng)濟(jì)品種的保護(hù),以及外來種質(zhì)的生物安全控制也將成為育種技術(shù)需要關(guān)注的焦點,因此:

(1)建立國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源(物種、組織、遺傳物質(zhì)等)保藏中心,由國家立項支持開展重要水產(chǎn)養(yǎng)殖品種的基因組測序,并將測序數(shù)據(jù)共享,建立公共大數(shù)據(jù)平臺。

(2)針對區(qū)域性養(yǎng)殖環(huán)境的變化開展適應(yīng)性育種,培養(yǎng)適應(yīng)升溫、酸化、局部缺氧等典型環(huán)境脅迫條件的新品種(系)。除與生物質(zhì)價值相關(guān)的傳統(tǒng)優(yōu)良性狀外,特別關(guān)注目標(biāo)品種與碳匯交易價值和生態(tài)服務(wù)價值相關(guān)的性狀。

(3)針對生態(tài)型和裝備型海洋牧場建設(shè)需求,分別定向培育有關(guān)品種(系)。

(4)強(qiáng)化外來引種的生態(tài)風(fēng)險性評估,建立可落地的評估技術(shù),建立并完善相應(yīng)的法律法規(guī)。

(5)對野生種質(zhì)建立有效的原位保護(hù)和遷地保護(hù)途徑。對重要的經(jīng)濟(jì)性狀基因通過建立基因銀行等方式形成有效的室內(nèi)保護(hù)途徑。

(6)建立轉(zhuǎn)基因品種的生態(tài)安全屏障,如通過阻斷其有性繁殖的方式控制基因流動。

(7)進(jìn)一步完善我國各種海洋生態(tài)混養(yǎng)體系(國際上稱為IMTA)下各經(jīng)濟(jì)物種的綜合價值計算依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn),以此為基礎(chǔ)甄別出關(guān)聯(lián)新價值體系的關(guān)鍵性狀,從而為育種工作提供更加精準(zhǔn)的方向。

致謝:感謝陳松林院士、王師教授百忙之中提供素材、指導(dǎo)寫作!感謝李富花研究員、劉福利教授審閱本文并提出寶貴意見!感謝李成華教授、王全超博士對本文完成作出的貢獻(xiàn)!