中科院水生所鑒定出金魚龍睛和白化性狀的因果基因并建立精準(zhǔn)分子設(shè)計育種技術(shù)

近日，中國科學(xué)院水生生物研究所桂建芳院士團隊在Science China Life Sciences在線發(fā)表了題為“Causal gene identification and desirable trait recreation in goldfish”的研究論文（被選為封面文章）（圖1左）。

圖1 Science China Life Sciences2021年第64卷第7期和2022年第65卷第12期的封面

金魚起源于中國的雙二倍體鯽（Carassius auratus），已有1800多年的歷史，為我國“國粹”之一。金魚從原始的金紅色鯽魚歷經(jīng)了家化時代、盆養(yǎng)時代和人工選擇育種時代，期間金魚的眼睛、頭瘤、鱗片、體型、鰭條等多個部位發(fā)生了形態(tài)突變并被保留下來。攜帶這些突變的金魚經(jīng)過雜交和選擇育種形成了當(dāng)今300多個以傳統(tǒng)俯視觀賞為主的金魚品系。隨著基因組測序技術(shù)的快速發(fā)展，金魚多個突變性狀的候選基因被鑒定（Kon et al., 2020, Chen et al., 2020），但尚未在金魚中得以驗證。

該團隊前期的研究表明金魚龍睛性狀和脂質(zhì)代謝異常有關(guān)（Yu et al., Sci China Life Sci, 2021, 64(7): 1031–1049，封面論文，圖1右）。在此基礎(chǔ)上，他們通過BSA重測序和 RNA-seq相結(jié)合的分析方法，鑒定出龍睛性狀是由低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白2aB (low-density lipoprotein receptor-related protein 2aB, lrp2aB) 發(fā)生突變所致。

與此同時，該團隊突破了金魚高效繁育技術(shù)，將金魚繁殖一代所需的時間縮短至3–4個月，且能全年產(chǎn)卵（產(chǎn)卵次數(shù)最多的金魚，福布斯世界紀錄；一種百褶裙泰獅金魚的批量繁育方法，專利號：ZL202110089137.9）。

隨后，他們聯(lián)合基因編輯、高效繁育、人工雌核生殖和性控育種創(chuàng)建出金魚精準(zhǔn)分子設(shè)計育種技術(shù)（圖2）。一般情況下，傳統(tǒng)雜交育種技術(shù)需要7-10代才能選育出穩(wěn)定地耦合兩個優(yōu)勢性狀的金魚新品系，且后代個體間仍然存在表型變異。該團隊創(chuàng)建的金魚精準(zhǔn)分子設(shè)計育種技術(shù)，僅需兩代（約8個月）就可以創(chuàng)造出穩(wěn)定遺傳的、具有高觀賞價值的金魚新品系。

運用該技術(shù)，他們成功證實lrp2aB和眼皮膚白化病2型（oculocutaneous albinism type II，oca2)分別是金魚龍睛和白化性狀的因果基因。

圖2 傳統(tǒng)雜交和人工選擇育種與精準(zhǔn)分子設(shè)計育種模式圖

此外，他們還發(fā)現(xiàn)，金魚演化歷程中經(jīng)歷的異源四倍化事件產(chǎn)生的重復(fù)基因走向了不同的演化命運。金魚的lrp2aA被丟失，僅保留了lrp2aB；盡管oca2的兩個部分同源基因（oca2A和oca2B）都被保留但功能發(fā)生了歧化，它們協(xié)同但差異調(diào)控金魚的體色和眼睛黑色素形成。

更為重要的是，該團隊成功地將龍睛性狀和白化性狀精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到當(dāng)下流行的、適合側(cè)視觀賞的百褶裙獅子頭金魚中，從而在一年內(nèi)快速創(chuàng)建出適合側(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”（一種玉兔百褶裙泰獅金魚的創(chuàng)制方法, 專利號：ZL 202110089143.4）、以及“金獅”和“虎紋”等十余個金魚新品系（圖3）。

圖3 基于精準(zhǔn)分子設(shè)計育種技術(shù)創(chuàng)建的金魚新品系

該研究鑒定了金魚龍睛性狀和白化性狀的因果基因，創(chuàng)建了一種可以在金魚以及其它水產(chǎn)養(yǎng)殖魚類中快速重現(xiàn)目標(biāo)性狀的方法，為金魚從頭馴化和魚類精準(zhǔn)分子設(shè)計育種技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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