魚類(生物工程鯽)的三倍體誘導(dǎo)雜交育種

自孟德爾1865發(fā)表《植物雜交試驗(yàn)》和他的遺傳定律得到公認(rèn)以后，100多年來選種、有性雜交就成了動植物遺傳育種的基本手段。例如：種內(nèi)品種之間雜交產(chǎn)生的豐鯉、芙蓉鯉，不同屬間的遠(yuǎn)緣雜交產(chǎn)生的湘鯽等，都表現(xiàn)出了明顯的雜種優(yōu)勢，并在生產(chǎn)上得到了應(yīng)用，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(豐鯉是由中科院水生所選育，以興國紅鯉為母本、散鱗鏡鯉為交本，通過雜交而獲得的雜種一代，是我國最早研究成功并最先在生產(chǎn)上獲得推廣應(yīng)用的雜交鯉)

但是，這一傳統(tǒng)方法也存在著明顯的局限性，如世代周期長，產(chǎn)生的子二代性狀分離等。以豐鯉為例，在應(yīng)用幾年以后，由于經(jīng)營管理不善，對雜交組合的親本沒有建立嚴(yán)格的管理制度，親本不純導(dǎo)致雜種優(yōu)勢衰退的現(xiàn)象已十分普遍。

為解決這些問題，國內(nèi)外學(xué)者開始致力于生物技術(shù)應(yīng)用于魚類育種的研究，近年來研究十分活躍的三倍體誘導(dǎo)技術(shù)就是其中之一，并已取得一些顯著的成果。

目前，三倍體誘導(dǎo)雜交育種多用于改良鯽魚種類，所以，簡稱為生物工程鯽或三倍體鯽魚。比如：湘云鯽、芙蓉鯽、黃金鯽等等諸多品種。

(湘云鯽)

1．三倍體育種的意義

從細(xì)胞遺傳學(xué)角度來看，三倍體是非偶數(shù)染色體組，故阻礙了生殖細(xì)胞正常的減數(shù)分裂，結(jié)果常常導(dǎo)致性腺不能發(fā)育。

在雜交三倍體，即種間雜交受精卵通過三倍體誘導(dǎo)技術(shù)處理而培育出的三倍體，其不育性更高于普通三倍體。

不育的三倍體經(jīng)濟(jì)魚類因?yàn)闆]有性成熟階段性腺發(fā)育的能量損耗，所以有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.避免了性腺發(fā)育階段和產(chǎn)卵季節(jié)魚肉質(zhì)量下降并延長了上市時(shí)間；

2.避免了性腺發(fā)育階段的生長停滯和死亡率增加；

3.縮短了養(yǎng)殖周期，減少了養(yǎng)殖成本并可養(yǎng)成大型個(gè)體。

利用三倍體魚類不育性的優(yōu)點(diǎn)，人們可以達(dá)到這樣的目的：

①獲得生長速度較快的三倍體品種，提高魚類養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益；

②控制養(yǎng)殖魚類的過速繁殖和防止對天然資源的干擾。

此外，有些種間雜交二倍體的生存率非常低，甚至不能成活，但雜交三倍體都能恢復(fù)生存性。這一特點(diǎn)大大提高了雜交三倍體的實(shí)用價(jià)值，這樣就可以通過誘導(dǎo)雜交三倍體來組合二倍體雜交不成功的兩個(gè)種類間的優(yōu)良性狀，如抗病性、溫度耐受性、快速生長等。

2．三倍體產(chǎn)生的生物學(xué)原理

(1)、正常二倍體魚的形成

除少數(shù)種類外，自然界絕大部分魚類是以二倍體形式存在的，并以兩性融合的方式繁殖后代，需要人工誘導(dǎo)才能產(chǎn)生三倍體。

(二倍體鯽魚---方正銀鯽)

二倍體鯽魚，即普通的良種鯽魚，如：方正銀鯽、彭澤鯽等等諸多品種，體形體色多受大眾喜愛。

魚類染色體的特點(diǎn)之一，是具有較大的可塑性，易于加倍，可使單倍體形成二倍體，再由二倍體形成多倍體，這是人工誘導(dǎo)三倍體技術(shù)方法的理論基礎(chǔ)。

對二倍體魚來講，成熟卵處于第二次減數(shù)分裂的中期，此時(shí)存在著2組染色體，當(dāng)具有1組染色體的精子入卵后，刺激卵子繼續(xù)完成第二次減數(shù)分裂，卵中原有的2組染色體中的1組作為第二極體排出卵外，留在卵內(nèi)的1組染色體和精子帶入的1組染色體結(jié)合，則受精卵成為正常的二倍體開始發(fā)育。

(2)、直接獲得三倍體魚的方法

如果在精子入卵而第二極體尚未外排之時(shí)，對受精卵進(jìn)行高溫、低溫、高壓或化學(xué)藥物等處理，阻止第二次減數(shù)分裂的進(jìn)行，第二極體就不能排出卵外，則誘導(dǎo)產(chǎn)生出具有3組染色體的個(gè)體，稱之為人工誘導(dǎo)三倍體。

這種染色體組的組合方式是二組染色體來源于母本，一組染色體來源于父本。

(二倍體鯽魚---彭澤鯽)

減數(shù)分裂的阻止是通過破壞紡錘絲而使染色體無法分離而使核分裂停止，或是通過阻礙細(xì)胞表層收縮環(huán)、溝的形成而使細(xì)胞質(zhì)分裂停止的方法而實(shí)現(xiàn)的，可以阻止第二次減數(shù)分裂，形成三倍體受精卵，進(jìn)而發(fā)育成三倍體魚。

溫度、壓力和咖啡因等處理屬于前者，而細(xì)胞松弛素B處理則屬后者。

3．人工誘導(dǎo)三倍體的方法

用人工的方法獲得三倍體可通過兩條途徑。

一條是直接途徑，即用物理或化學(xué)的方法對受精卵進(jìn)行處理，阻礙第二極體外排。

另一條是間接途徑，即首先誘導(dǎo)獲得四倍體，待四倍體個(gè)體性成熟后再與二倍體個(gè)體自然交配，獲得三倍體。

從理論上講，第二條途徑有其優(yōu)越之處，一旦獲得四倍體個(gè)體后，就不需要再進(jìn)行物理或化學(xué)誘導(dǎo)，避免了誘導(dǎo)過程對胚胎的損傷。

如果能建立穩(wěn)定的四倍體品系，獲得三倍體就變成一件非常容易的事情了。但目前人工誘導(dǎo)的三倍體絕大部分是采用第一條途徑獲得的，這是因?yàn)樽柚沟诙O體外排的方法比較成熟。

四倍體的誘導(dǎo)是阻止第一次卵裂，這比誘導(dǎo)三倍體要困難得多，成功率很低，只在少數(shù)魚類如虹蹲和鯽，獲得過性成熟的四倍體。

(芙蓉鯉鯽)

魚類人工誘導(dǎo)三倍體的方法可以分為物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)方法3個(gè)方面：

（1）物理學(xué)方法

溫度休克和靜水壓休克是目前人工誘導(dǎo)三倍體魚最常用的物理學(xué)方法，溫度休克又可分為熱休克和冷休克兩種。

大多數(shù)魚類在精子入卵后8～10分鐘，就可完成第二次減數(shù)分裂，排出第二極體，45～50分鐘就可完成第一次有絲分裂。

如需獲得三倍體，就要在完成第二次減數(shù)分裂以前進(jìn)行誘導(dǎo)處理；如需獲得四倍體，則必須抑制第一次有絲分裂。

無論采用哪一種方法誘導(dǎo)，都必須嚴(yán)格控制處理的起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。

如：美洲紅點(diǎn)鮭，卵受精后15分鐘用28℃高水溫?zé)嵝菘颂幚?0分鐘，誘導(dǎo)出100％的三倍體，孵化率為42％。

對胡子鯰而言，在25±1℃下卵受精5分鐘后，放人5℃海水冷休克處理1小時(shí)，然后放入充氣海水中培育，結(jié)果獲得100％的三倍體仔魚，如果處理時(shí)間在1.5小時(shí)以上，則造成100％的死亡率。

用靜水壓誘導(dǎo)同樣也需要嚴(yán)格掌握處理時(shí)間。

以水晶彩鯽為例，受精卵的壓力敏感期僅僅在受精后4～5分鐘，在此之前為卵子啟動期，施加壓力會破壞卵子的激動和修整過程，造成發(fā)育受阻。其后為壓力不應(yīng)期，此時(shí)第二次減數(shù)分裂趨于明朗，壓力對保留第二極體體失去作用。

因此，為了獲得三倍體水晶彩鯽，靜水壓誘導(dǎo)只能在受精后4～5分鐘進(jìn)行。

（2）化學(xué)方法

用秋水仙素、細(xì)胞松弛素B等化學(xué)藥品在適當(dāng)時(shí)刻處理魚類受精卵，可以抑制第二極體外排或抑制第一次有絲分裂．從而達(dá)到產(chǎn)生三倍體或四倍體的目的。

應(yīng)用這一方法在國內(nèi)外都有成功的實(shí)驗(yàn)報(bào)道，但由于這些化學(xué)物品價(jià)格較貴，且有毒性，故很少在生產(chǎn)上應(yīng)用。

（3）生物學(xué)方法

通過魚類遠(yuǎn)緣雜交，異源精子可以誘發(fā)受精卵產(chǎn)生多倍體，這種由于遠(yuǎn)緣雜交染色體自然加倍的現(xiàn)象，稱為生物學(xué)方法。

利用這一方法可以獲得三倍體和四倍體魚類。

如：鯽（♀）×鯉（♂）雜交的雜種二代（F2）是二倍體，F(xiàn)2（♀）×F2（♂）自交后產(chǎn)生的F3是四倍體，往后的F4、F5乃至F6都是四倍體，已經(jīng)形成了穩(wěn)定的四倍體種群。

利用這一四倍體種群與二倍體魚雜交，可以獲得具生長優(yōu)勢的三倍體鯉魚和三倍體鯽魚。

(黃金鯽)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)處理以后產(chǎn)生的個(gè)體是否是真正的三倍體或四倍體，還需要通過嚴(yán)格的鑒定。

常用的鑒定方法有以下三種：

（l）染色體計(jì)數(shù)和核型分析，這是最基本而且可靠的方法。

（2）紅細(xì)胞或紅細(xì)胞核大小測量，這一方法的理論依據(jù)是染色體數(shù)目倍增，細(xì)胞（核）體積也隨著變大，該法最大的優(yōu)點(diǎn)是簡便、快速。

（3）DNA含量測定，普通三倍體細(xì)胞的DNA含量是二倍體的1．5倍，四倍體細(xì)胞的DNA含量是二倍體的2倍。

通過DNA含量的測量可以確定細(xì)胞的染色體倍數(shù)。

(先科巨鯽)

4．研究現(xiàn)狀及前景

三倍體育種的主要目的是利用其不育性這一特點(diǎn)。經(jīng)過各國科學(xué)家的不懈努力，已先后獲得了多種魚類的三倍體，如草魚、鯉、鯽、虹蹲、香魚、羅非魚、鮭、黑綢、胡子鰓、泥鰍、牙鲆等，在草魚、虹蹲、香魚等部分魚類已達(dá)到了批量生產(chǎn)的水平。

在研究中也發(fā)現(xiàn)，有些魚類的三倍體雄性精巢發(fā)育，達(dá)不到預(yù)期不育的目的。如在人工培育的三倍體與自然二倍體香魚混合存在的場合下，三倍體雌魚完全沒有產(chǎn)卵行為，但三倍體雄魚與二倍體雄魚類似，出現(xiàn)第二性征，產(chǎn)生精子，有追尾現(xiàn)象。如果把人工培育的三倍體香魚放流到自然河川中，會影響天然二倍體香魚的繁殖。

為此，結(jié)合雌核發(fā)育、性別轉(zhuǎn)變和三倍體誘導(dǎo)技術(shù)培育全雌三倍體魚成為科學(xué)家研究的新領(lǐng)域。其方法是先通過雌核發(fā)育技術(shù)培育出全雌二倍體魚；再用雄性激素處理全雌二倍體魚，誘導(dǎo)出基因型不變、表型改變的生理雄性魚；這種雄魚與普通雌魚交配得到的受精卵，經(jīng)三倍體誘導(dǎo)，就可獲得全是雌性的三倍體個(gè)體。

目前，這一技術(shù)在培育全雌三倍體虹鱒和降海型馬蘇大麻哈魚上已達(dá)到了實(shí)用化水平。

既能提高經(jīng)濟(jì)效益，又能避免對天然資源的干擾，這是三倍體育種在基因工程技術(shù)不斷向魚類育種領(lǐng)域滲透的今天，仍具有強(qiáng)大生命力的主要因素之一。

綜觀已有的研究成果，如果進(jìn)一步優(yōu)化三倍體誘導(dǎo)的處理?xiàng)l件，提高魚苗的成活率，將會有更多的三倍體魚類在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中應(yīng)用。

（生物學(xué)通報(bào)，1996年第11期，文字有刪減）