魚類遺傳育種發(fā)展現狀與展望

魚類遺傳育種發(fā)展現狀與展望

桂建芳 周 莉 張曉娟

1 中國科學院水生生物研究所 武漢 430072

2 中國科學院種子創(chuàng)新研究院 北京 100101

自 20 世紀 80 年代以來，我國水產養(yǎng)殖產量持續(xù)增長，成為大農業(yè)中發(fā)展最快的產業(yè)之一，為保障國家食品安全作出了重要貢獻[1]。特別是近 20 年來，中國已成為世界第一水產養(yǎng)殖大國，產量一直占全球養(yǎng)殖產量的 60% 以上，其成功的經驗[2]已對世界產生了重要影響。水產養(yǎng)殖在保障全球食品安全和促進經濟增長中的作用已得到國際社會的廣泛認同[3,4]。譬如，美國專欄科普作家 Erik Vance 在 2015 年發(fā)表于Scientific American的《為幾十億人養(yǎng)魚》的專題評述中，認為“中國漁業(yè)可救護海洋”[5]?；仡櫢母镩_放 40 年，中國水產養(yǎng)殖的快速發(fā)展既得益于政策引領和市場推動，又得益于科技創(chuàng)新，尤其是魚類重要經濟性狀的分子基礎解析及其遺傳改良生物技術的創(chuàng)建，驅動了我國水產種業(yè)的蓬勃發(fā)展[6-8]。

1 魚類遺傳育種的起源、發(fā)展和現狀

與陸生動物相比，魚類的馴養(yǎng)和選擇育種的歷史非常短，第一個有文獻記錄的魚類選擇育種實驗是在美洲紅點鮭中進行的[9]。在我國，則可以追溯到晉朝（公元 266—420 年）對金魚祖先——鯽金色或紅色突變體的選擇[10,11]。正是金魚愛好者的不斷探索，至今已從它們的體色、體形、鰭條、鱗片、頭部肉瘤、鰓蓋、鼻隔膜以及眼睛等表型的變異中，逐漸選育出現今多姿多彩的 300 多個金魚品種[12]。

盡管我國的觀賞魚類的選擇育種歷史悠久，但直到 20 世紀 70 年代才開始跟隨陸生家養(yǎng)動物遺傳育種的腳步進行科學系統的魚類遺傳育種學研究。隨著現代遺傳學和生物技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，不僅在魚類基因組和重要經濟性狀的分子機理解析等基礎研究上取得了重要進展[6,13-15]；更為重要的是，一系列育種技術，包括選擇育種、雜交育種、雌核生殖、性控育種、多倍體育種、生殖細胞移植和借腹懷胎、全基因組選擇育種、分子模塊設計育種、轉基因和基因編輯等，已紛紛建立并應用于魚類遺傳育種實踐[12,13,16-19]。

2 重要養(yǎng)殖魚類全基因組解析

全基因組信息解析可為遺傳改良提供重要參考和指導。在過去的 10 年中，許多重要養(yǎng)殖魚類的全基因組，包括大西洋鱈[20]、尼羅羅非魚[21]、斑點叉尾鮰[22]、大西洋鮭[23]、虹鱒[24]、半滑舌蹋[25]、鯉[26]、大黃魚[27,28]和草魚[29]等紛紛被解析，并為這些養(yǎng)殖魚類所表現出的一些獨特的生命現象和適應性進化的研究提供了大數據支撐[30]。

草魚以草食性特征而得名，但其在幼魚階段主要攝取浮游動物、搖蚊幼蟲等食物，在孵化后 45 天左右轉以大型植物為食。針對這個有趣但又非常重要的問題，中國科學院水生生物研究所與中國科學院國家基因研究中心等單位合作，完成了草魚基因組框架圖繪制。他們首先采用“鳥槍法”測序獲得雌性和雄性草魚基因組組裝序列；接著通過轉錄組分析發(fā)現，草魚基因組中并不存在纖維素降解酶基因；而是在食性轉化適應過程中，草魚肝臟中甲羥戊酸通路和類固醇生物合成通路被激活，腸道中clock-bmal1、ror 等一些晝夜節(jié)律相關基因的表達模式發(fā)生了重構[29]。因此，草魚通過持續(xù)高強度的吃食水草以支持其快速生長。目前，夏曉勤團隊已搭建了可視化的草魚基因組數據庫網站，包含草魚全基因組分子標記數據庫、表達譜數據、草魚遺傳連鎖圖譜以及和斑馬魚的共線性分析結果等[31]。

在我國淡水養(yǎng)殖魚類中，銀鯽非常有趣。它是一種在鯽發(fā)生了四倍化后又經歷了一次多倍化的天然六倍體魚類。它能利用其他魚類的異源精子刺激發(fā)育，通過雌核生殖產生與母本性狀一致的全雌性后代；它已被鑒別出眾多的克隆系，有些克隆系對來自相同克隆系或不同克隆系的銀鯽精子，還能進行有性生殖或類雜種生殖[32,33]。在自然種群中，銀鯽有雄性個體存在，最近還發(fā)現基因型性別決定和溫度依賴型性別決定同時存在于銀鯽中，并發(fā)現雄性特異的微小染色體和高溫孵育起了雄性決定作用[34,35]。在“分子模塊設計育種創(chuàng)新體系”的支持下，我們與華大基因合作，采用 Pacbio 三代測序，結合 Bionano 光學圖譜、10×Genomics 和染色體 Hi-C 技術，完成了擁有 100 條染色體的四倍體彩鯽和擁有 156 條染色體的六倍體銀鯽 F 系的全基因組測序和組裝。重要的是，草魚、銀鯽等養(yǎng)殖魚類的全基因組解析，將為生長發(fā)育和飼料高效利用、生殖和性別控制、抗病和抗逆等重要經濟性狀相關基因或分子模塊的發(fā)掘以及遺傳改良，提供重要支撐。

3 重要養(yǎng)殖鯉科魚類高產、穩(wěn)產和高效分子模塊解析及新品種培育

與高產、穩(wěn)產和高效魚類養(yǎng)殖緊密相關的經濟性狀主要包括性別、抗病、低氧耐受以及飼料高效利用。中國科學院水生生物研究所的研究人員以銀鯽、草魚、黃河鯉等我國重要的養(yǎng)殖鯉科魚類為研究對象，通過全基因組關聯分析、轉錄組分析以及在模式動物中功能驗證等，鑒定了一批候選分子模塊。許多魚類在生長和個體大小上表現出明顯的性別異形，因此生產和養(yǎng)殖全雌性或全雄性的群體會帶來顯著的經濟效益[13]。胡煒團隊通過對雄性黃河鯉的全基因組測序、黃河鯉群體的重測序和多個黃河鯉群體的大樣本驗證，鑒定了首個黃河鯉雄性的 DNA 序列 csMD。它包含了一個具有保守結構域的未知轉錄本，可能是潛在的鯉性別決定因子；孫永華團隊鑒定了一個調控性腺分化的長鏈多不飽和脂肪酸延長酶 elovl2，其序列變異可以產生 100% 雄性個體。培育飼料轉化效率高的魚類新品種無疑會降低成本、提高養(yǎng)殖效益。殷戰(zhàn)與解綬啟和童金茍團隊合作，通過全基因組關聯等分析，鑒定了 2 個分別位于銀鯽 cr1 和 crhr2 的優(yōu)良等位變異。cr1 和 crhr2 參與調控魚類應激內分泌，它們的等位變異可導致異育銀鯽的可的松水平以及應激反應能力相對下降。在模式魚類中的功能驗證中，發(fā)現降低人工養(yǎng)殖條件下魚類的應激反應能力，可以降低基礎代謝率，提升成魚中肌肉組織的蛋白合成代謝和機體的蛋白沉積率，從而促進生長。他們的工作提供了一個新穎的育種思路，即通過降低魚類應激反應的調控能力以培育快速生長、高飼料轉化率的養(yǎng)殖魚類。

制約我國水產養(yǎng)殖可持續(xù)發(fā)展的一個主要瓶頸因素是病害。我國水產養(yǎng)殖魚類因疾病年損失率超過 10%，年損失超過 150 億元。草魚是我國養(yǎng)殖產量最高的魚類，2016 年的產量達到 589.88 萬噸[36]。但因為缺乏良種，目前養(yǎng)殖的草魚群體性狀退化，病害頻發(fā)嚴重。草魚不同家系對草魚呼腸孤病毒（GCRV）的抗性存在顯著差異，其抗性性狀具有較高遺傳力（0.63 ± 0.11）[37]。因此，在完成草魚基因組框架圖繪制后[29]，汪亞平團隊對一個草魚全同胞群體感染 GCRV 后存活個體和死亡個體進行基因組重測序，依據草魚基因組 SNP 電子芯片對存活個體和死亡個體的測序數據進行基因分型，篩選出存活/死亡顯著差異的 1 822 個基因型位點（p<0.01, df=1）；接著通過對存活/死亡組數據的比較分析，從草魚基因組中篩選到 9 個抗病相關基因及其 10 個顯性等位基因位點。目前正采用高通量 SNP 分型技術篩選草魚野生群體中攜帶初級抗病分子模塊的個體作為親本，通過人工繁殖配組繁育抗病群體。

在江蘇等鯽主產區(qū)，異育銀鯽養(yǎng)殖模式已由傳統的套養(yǎng)模式轉變成高效的單養(yǎng)或主養(yǎng)模式，鯽產量得到了顯著提高。但由于效益好，導致一些養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖密度越來越高，忽視了魚與環(huán)境容量之間的平衡。近年來，爆發(fā)于蘇北地區(qū)的鯽急性出血病造成了重大經濟損失。在鑒定鯽急性出血病病原為鯽皰疹病毒 CaHV 后[38]，我們通過人工感染篩選了銀鯽易感克隆系和抗性克隆系，并通過轉錄組分析揭示銀鯽是通過激活 IFN 系統和抑制補體系統來抵御 CaHV 的侵染，其中抗 CaHV 野生克隆系 H 顯著激活了干擾素（IFN）系統基因和免疫球蛋白基因等，而易感克隆系“中科 3 號”則顯著上調表達了凋亡或壞死相關的基因[39]；還進一步鑒定了 8 個 IFN 系統基因作為抗病分子模塊，可用于后續(xù)的異育銀鯽抗病育種[40]。

IFN 系統是魚類抵御病原入侵的第一道防線。我們發(fā)現 RIG-I 樣受體信號通路中上游的模式識別受體 LGP2 存在正負調控[41]，并解析了 IFN 轉錄調控因子 IRF1、IRF3 和 IRF7[42,43]以及下游效應分子 Gig1 和 Gig2[44]在魚類抗病毒感染中的重要作用及其機制；張永安研究員團隊解析了魚類 I 型 IFN 負調控的作用機制，發(fā)現草魚 G C RV 的 V P 4 1 蛋白能夠抑制 RIG-I 和 MITA 對 IFN 的激活，并能夠與 T B K 1 和 M I TA 相互作用，競爭性地抑制 TBK1 對 MITA 的磷酸化[45]；篩選了 5 個 草 魚 I 型和 II 型 IFN 基因的優(yōu)異等位變異位點。同時，聶品團隊發(fā)現 PGRP6 及其剪接異構體是一類廣譜的抗微生物功能蛋白[46]，解析并驗證了 NOD1/RIP2 介導 MHC 抗原提呈的信號通路可作為分子標記選擇的分子模塊[47,48]。

在水環(huán)境保護和生態(tài)文明建設的新形勢下，“集約化”“工廠化”養(yǎng)殖將成為我國水產養(yǎng)殖發(fā)展的一個重要方向。2018 年，我國農業(yè)農村部遴選的 6 項水產主推技術就包括淡水工廠化循環(huán)水健康養(yǎng)殖技術。水體中的溶氧是制約工廠化養(yǎng)殖水產品產量提高的一個限制因素。鯽是最耐低氧的魚類之一[49]，不同銀鯽克隆系對低氧的耐受能力存在差異。肖武漢團隊首先通過轉錄組分析了具有不同低氧耐受能力的銀鯽克隆系的基因表達差異，構建了魚類耐低氧的基因調控網絡，篩選到 foxo3b、tet1、set9、fih 等與魚類低氧耐受相關的分子模塊。與野生型相比，foxo3b、tet1 或 hif-3a 敲除魚對低氧更為敏感；而 fih 敲除魚對低氧具有更強的耐受能力。他們的研究還揭示，foxo3b 通過直接轉錄調控 E3 泛素連接酶復合體成員 vhl 的表達抑制低氧信號轉導通路[50]；Tet1 主要通過與 PHD2 相互競爭，阻止 PHD2 與 HIF-2α 的結合從而穩(wěn)定有氧條件下 HIF-2α 的蛋白量，增強低氧信號轉導通路[51,52]。同時，他們通過比較耐低氧與低氧敏感銀鯽克隆系，鑒定了這些分子模塊上與低氧耐受相關的優(yōu)異等位變異。

異育銀鯽是我國重要的大宗淡水養(yǎng)殖魚類之一。隨著異育銀鯽、高體型異育銀鯽和異育銀鯽“中科 3 號”等優(yōu)良品種的培育成功及大規(guī)模推廣養(yǎng)殖，全國鯽產量已從 1983 年的 4.8 萬噸增至 2016 年的 300 萬噸[36,53]。銀鯽由于其六倍體的遺傳背景，當用其他魚類的精子與銀鯽卵子受精時，銀鯽具有將其他魚類精子的染色體組、染色體片段或微量遺傳物質整入到卵核中協同發(fā)育的能力。我們利用銀鯽這一獨特能力，輔以授精后的冷休克處理以整入更多異源父本染色體或者染色體片段，篩選獲得了整入有團頭魴父本遺傳信息、性狀發(fā)生明顯改變的個體作為育種核心群體。以生長優(yōu)勢和隆背性狀為選育指標，用興國紅鯉精子刺激進行 10 代雌核生殖擴群，同時基于基因組 reads 測序深度比較策略鑒定了滲入到候選高產鯽的團頭魴分子模塊，利用這些分子模塊篩選鑒定繁育親本，培育出異育銀鯽“中科 5 號”。接著，針對目前魚粉價格高導致養(yǎng)殖成本增加，以及出血病和孢子蟲病暴發(fā)頻繁等現狀和問題，開展小試、中試和生產性對比試驗，評估投喂低蛋白、低魚粉飼料時異育銀鯽“中科 5 號”和主養(yǎng)品種“中科 3 號”的生長差異，以及它們對鯽皰疹病毒和黏孢子蟲的抗性差異。結果表明，異育銀鯽“中科 5 號”生長速度快，抗病能力強。在相同養(yǎng)殖條件下，與主養(yǎng)品種異育銀鯽“中科 3 號”相比，投喂低蛋白（27%）、低魚粉（5%）含量飼料時，“中科 5 號”1 齡魚的生長速度平均提高 18.20%；感染鯽皰疹病毒時存活率平均提高 12.59%；養(yǎng)殖過程中對體表黏孢子蟲病有一定的抗性，成活率平均提高 20.98%。此外，“中科 5 號”6 月齡和 18 月齡時肌間骨總數分別減少 9.47% 和 4.45%。

4 展望

水環(huán)境保護和生態(tài)文明建設驅動水產養(yǎng)殖模式發(fā)生重大變革。新的水產養(yǎng)殖模式關鍵的變化主要集中在兩個方面：① 向集約化，即設施化和智能化方向發(fā)展；②向生態(tài)化和有機化的方向發(fā)展[1]。對現代水產種業(yè)而言，培育適合集約化工廠養(yǎng)殖或是適合“稻漁綜合種養(yǎng)”等綜合生態(tài)化養(yǎng)殖的水產養(yǎng)殖動物新品種是未來發(fā)展的目標。因此，我國應在以下 3 方面持續(xù)支持、重點布局。

（1）水產養(yǎng)殖動物重要經濟性狀的遺傳基礎解析。解析水產養(yǎng)殖動物主要經濟性狀的遺傳基礎，重點包括揭示生殖質發(fā)生和原始生殖細胞特化與遷移、性別決定和分化、配子發(fā)生與成熟的分子機制；闡明性成熟和生長、應激內分泌和生長的相互協調及其調控機理，以及肌肉細胞增殖和蛋白/脂肪平衡的作用機理；揭示先天免疫系統的信號通路、重要病原與宿主免疫系統的作用機制；揭示耐受低氧或低溫的信號通路和表達調控機理，為培育高產、抗病或抗逆水產養(yǎng)殖動物新品種提供理論基礎和基因資源。

（2）重大育種技術創(chuàng)新和新品種培育。建立遺傳性別鑒定的分子技術和控制魚類生殖（育性或性別）開關新技術，開展或研發(fā)適合水產養(yǎng)殖動物的全基因組選擇育種、分子模塊設計育種和基因組編輯育種，并集成和創(chuàng)新選擇育種、倍性育種、性控育種、分子標記輔助育種、借腹懷胎等育種方法，培育適合集約化工廠養(yǎng)殖或適合綜合生態(tài)化養(yǎng)殖的高產、優(yōu)質、抗病、抗逆的水產動物新品種，進行種業(yè)技術集成和示范。

（3）魚類及水產遺傳育種設施和研究平臺創(chuàng)建。集成并創(chuàng)制全天候室內養(yǎng)殖魚類系統，建立活體核心種質資源庫；建立全天候室內孵化培育系統，實現養(yǎng)殖魚類親本培育、人工繁育和苗種培育的精確控制，避免惡劣天氣和外敵侵害帶來的損失；建立水產動物基因組、功能基因組和蛋白質組研究平臺以及水產生物分子育種技術平臺；建立生態(tài)可控、環(huán)境友好的養(yǎng)殖魚類經濟性狀評估平臺，以評價培育的新品種在不同養(yǎng)殖模式下的生長性狀、營養(yǎng)需求、抗病或抗逆能力；研發(fā)高效環(huán)保飼料，建立新品種的精確投喂技術，并集成建立水質調控和病害防控技術，保障我國漁業(yè)“生態(tài)環(huán)保、安全高效、優(yōu)質增收”可持續(xù)發(fā)展。