10年做出這項(xiàng)原始創(chuàng)新成果！無小刺魚誕生全揭秘

吃魚被魚刺卡喉，是眾多食客的切膚之痛。但太不巧的是，我國(guó)的主養(yǎng)魚類如青草鰱鳙鯉鯽魴，都存在一定數(shù)量的肌間刺——即遍布于魚背、魚尾等處惱人的“小刺”。

這些魚能不能不長(zhǎng)小刺？這在以前，是天方夜譚；但現(xiàn)在，這個(gè)“無理要求”有望成為現(xiàn)實(shí)。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院教授高澤霞，現(xiàn)在是名副其實(shí)的魚類肌間刺研究專家。今年，她領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了決定魚類肌間刺形成的關(guān)鍵基因，并先后利用基因編輯手段，獲得了無小刺的斑馬魚（模式魚類）和武昌魚（主養(yǎng)經(jīng)濟(jì)魚類，學(xué)名團(tuán)頭魴）。未來，該技術(shù)突破還有望成功應(yīng)用到鯽魚、鯉魚乃至青、草、鰱、鳙等重要經(jīng)濟(jì)魚類。

這項(xiàng)創(chuàng)新性成果的背后，是高澤霞團(tuán)隊(duì)歷時(shí)十年之久的苦苦求索。更值得稱道的是，自開展無小刺魚研究以來，團(tuán)隊(duì)從2012年到2021年間僅拿到4項(xiàng)共計(jì)170萬元的經(jīng)費(fèi)支持，加上2021年剛獲批的一個(gè)250萬元的項(xiàng)目，前后也僅有420萬元經(jīng)費(fèi)支撐。

靠有限的經(jīng)費(fèi)資助，高澤霞團(tuán)隊(duì)是怎樣一步步做出這項(xiàng)原始創(chuàng)新成果的？一切要從十年前的“無心插柳”說起。

無肌間刺（上）、有肌間刺（下）武昌魚的對(duì)比圖

這根“刺”，如鯁在喉

2010年6月，高澤霞從華中農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)，獲得農(nóng)學(xué)博士學(xué)位。那時(shí)，她所在的團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注武昌魚的生長(zhǎng)、抗病和耐低氧性狀。但逐漸地，“讓武昌魚長(zhǎng)快一點(diǎn)、長(zhǎng)大一點(diǎn)”“抗病能力和耐低氧能力強(qiáng)一點(diǎn)”這些研究，讓高澤霞覺得有點(diǎn)“不過癮”。

“長(zhǎng)得快、抗病、耐低氧的問題解決之后，武昌魚的價(jià)格還是抬不上來。為啥？魚刺多，讓很多消費(fèi)者望而卻步?！彼龑?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，卡喉之痛讓人不勝其煩，肌間刺的存在嚴(yán)重影響了魚類的食用和加工價(jià)值。

肌間刺這根“刺”，讓高澤霞如鯁在喉。

她開始查文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)之前也有學(xué)者關(guān)注過這個(gè)問題，但只是零星的探討，并沒有深入的研究。

不讓武昌魚長(zhǎng)出肌間刺，理論上講，如果能找到肌間刺形成的主控基因，是可以通過基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)的；但更重要的問題是，不長(zhǎng)肌間刺的武昌魚能否正常生長(zhǎng)？

高澤霞想到，在魚類的進(jìn)化過程中，有的魚類的小刺變軟退化，有的魚類如鱸形目的鱸魚、鲇形目的黃顙魚都沒有肌間小刺……她覺得，單憑這個(gè)，就值得一試。

中科院水生生物研究所研究員徐旭東告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，在魚類的演化史上，小刺經(jīng)歷了逐漸增多、形態(tài)趨向復(fù)雜，之后又逐漸減少、消失的過程。他說，低等真骨魚類如鯡形目、鯉形目，小刺較多，而較高等的鱸形目則完全消失。但不幸的是，被國(guó)人選中的主養(yǎng)魚種刺很多，那些無小刺魚類一般養(yǎng)殖成本較高，或者“嬌氣不好養(yǎng)”，在產(chǎn)量上難以與常見的7大主養(yǎng)魚相匹敵。

除了產(chǎn)業(yè)價(jià)值，這項(xiàng)研究背后也有科學(xué)價(jià)值。高澤霞對(duì)記者表示：“我們的父母長(zhǎng)輩包括我自己也有腰椎間盤突出的問題，研究肌間刺還跟了解骨質(zhì)增生（俗稱“骨刺”）有點(diǎn)關(guān)系?！本C合因素下，她決定瞄準(zhǔn)魚類的肌間刺剔除一探究竟。

理想很美，但真做起來的時(shí)候她才發(fā)現(xiàn)，無從下手。

“當(dāng)時(shí)沒人能告訴你應(yīng)該怎樣開展這項(xiàng)工作；查閱生物信息數(shù)據(jù)庫(kù)，也沒多少肌間刺相關(guān)的遺傳資源——大都是表型方面的：肌間刺什么時(shí)候長(zhǎng)、骨化順序如何等?！备邼上颊f：“這也是當(dāng)時(shí)為什么這類項(xiàng)目很難申請(qǐng)到經(jīng)費(fèi)的原因——沒有研究基礎(chǔ)、沒有預(yù)期結(jié)果，確實(shí)讓人很難辦?！?/span>

不過，探索的種子已經(jīng)在心里扎了根，高澤霞堅(jiān)持要試一試。沒有正式項(xiàng)目支持，就借著實(shí)驗(yàn)室研究武昌魚的便利，先從基礎(chǔ)工作慢慢做起。

“挑刺兒”是個(gè)功夫活

高澤霞從最基本的形態(tài)學(xué)開始做起，然后再設(shè)法去構(gòu)建肌間刺的遺傳資源——肌間刺形成到底是哪些基因表達(dá)在發(fā)揮作用？哪個(gè)或哪幾個(gè)基因是關(guān)鍵基因？

“要想知道梨子的味道，就得親口嘗一嘗。”問題的答案，高澤霞決定把它們一個(gè)個(gè)“挑”出來。

這個(gè)“挑”，是“挑刺兒”的“挑”。

一條性成熟的武昌魚約有120多根肌間小刺（注：有個(gè)體差異，普遍數(shù)量為 84~146根），每根小刺都刺入肌肉組織內(nèi)部，且周圍有結(jié)締組織黏連。高澤霞要做的，就是要把這120多根肌間刺從活魚身上挑出來，提取高質(zhì)量的轉(zhuǎn)錄組RNA，進(jìn)而探究肌間刺發(fā)生與基因表達(dá)之間的關(guān)系。

這絕對(duì)是個(gè)有難度的技術(shù)活兒。要挑刺兒，首先就得清楚知道這120多根肌間刺都分布在哪里，接著要從被麻醉的活魚身上，把這些跟結(jié)締組織黏連的肌間刺干凈利落地拔起，不能拖泥帶水；拔出后，還要迅速除掉外周的肌肉組織，趕在RNA降解之前放進(jìn)液氮中研磨，使骨組織充分分解，進(jìn)而提取高質(zhì)量的RNA。

高澤霞與學(xué)生

高澤霞帶著學(xué)生一挑就是三個(gè)月；三個(gè)月后，她的眼睛看哪里都好像有根刺。

熟能生巧，幾個(gè)月后她挑刺拔刺的功夫爐火純青。在這件事中，她總結(jié)了一個(gè)道理，經(jīng)常講給組內(nèi)的學(xué)生：做科研要敢想，敢想還要敢做，敢做還要敢于堅(jiān)持做、鍥而不舍地做，要有毅力和耐心。

“為什么這么說？因?yàn)樽鲭y題很容易失敗，我們經(jīng)歷了太多次失敗?！备邼上几吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》說，從那之后，高質(zhì)量地挑刺、拔刺，成了課題組每個(gè)學(xué)生必備技能之一。

這套“挑刺”程序也改進(jìn)了提取RNA的方法，實(shí)現(xiàn)了世界上第一次全面魚刺基因表達(dá)，高澤霞據(jù)此申請(qǐng)了魚刺研究的第一個(gè)國(guó)家專利。她透露，這套方法，后續(xù)被許多研究人員借鑒、引用。

做肌間刺前幾年，“沒有人員費(fèi)”

“挑刺”這關(guān)一過，課題組建立了很大信心：從這個(gè)過程中，他們已經(jīng)知道了肌間刺里都有哪些基因在表達(dá)。高澤霞還帶著團(tuán)隊(duì)把肌間刺外周的結(jié)締組織、肌肉組織也分離出來，試圖找到它們之間基因表達(dá)的差異。

嚴(yán)格來說，肌間刺也是魚的骨骼。研究團(tuán)隊(duì)想要搞清楚肌間刺與魚的其它骨骼組織相比，在組織結(jié)構(gòu)上、基因表達(dá)上都有什么差異？

另外，魚的肌間刺并不是生來就有的。比如武昌魚的肌間刺是在孵化后十五六天才開始生長(zhǎng)、大概50天后全部長(zhǎng)齊，那么從沒有長(zhǎng)刺到長(zhǎng)第一根刺開始，再到所有的刺長(zhǎng)齊、變長(zhǎng)、變大的過程中，分別是哪些基因在發(fā)揮作用？

高通量測(cè)序技術(shù)（第二代測(cè)序技術(shù)）的快速發(fā)展，為肌間刺基因資源的挖掘帶來了契機(jī)。之后，單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)（第三代測(cè)序技術(shù)）也逐漸獲得應(yīng)用。有了細(xì)胞水平的測(cè)序手段，高澤霞還想弄明白，為什么肌間刺的前身——肌腱細(xì)胞會(huì)向成骨細(xì)胞分化？

通過對(duì)武昌魚肌間刺發(fā)生、發(fā)育不同時(shí)期的轉(zhuǎn)錄組、mRNA組、蛋白組等多組學(xué)分析，加之對(duì)比肌間刺組織與其他骨骼組織的基因、蛋白表達(dá)的差異性分析，高澤霞研究團(tuán)隊(duì)逐步弄清楚了調(diào)控武昌魚肌間刺生長(zhǎng)發(fā)育的基因作用，并篩選、鑒定了一批（約60個(gè)）關(guān)鍵候選基因。

調(diào)控肌間刺發(fā)育的主效基因就藏在這些候選基因中。換言之，只要找對(duì)了關(guān)鍵基因，就可以通過基因編輯技術(shù)，逐步構(gòu)建無肌間刺的武昌魚。

無肌間刺武昌魚，6個(gè)月、250g

這里不得不提的是，在做這些研究時(shí)，高通量測(cè)序和單細(xì)胞測(cè)序的費(fèi)用不菲。而高澤霞2012年剛開始“沒有一分錢來做這事”，直到2015年才拿到由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)提供的第一筆10萬元青年自主創(chuàng)新基金；三年后成果有望，2018年才從學(xué)校拿到第二筆30萬元項(xiàng)目基金。

做這件事，高澤霞得到了導(dǎo)師、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授王衛(wèi)民的全力支持。用她的話來說，實(shí)驗(yàn)室正常的運(yùn)轉(zhuǎn)全靠導(dǎo)師及自己主持的其他項(xiàng)目維持，她和學(xué)生們做武昌魚肌間刺，沒有人員費(fèi)、基礎(chǔ)耗材費(fèi)等經(jīng)費(fèi)支撐。

“完全沒有肌間刺，才有意義”

候選基因在手，高澤霞帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始用模式魚類——斑馬魚來篩選主導(dǎo)魚類肌間刺發(fā)生發(fā)育的關(guān)鍵基因。鯉形目的斑馬魚只需3個(gè)月就能性成熟，用它來做基因篩選，能夠盡快看到敲除掉不同基因后魚兒的“長(zhǎng)刺表現(xiàn)”。畢竟，等待著他們篩選的潛在基因有60多個(gè)。

60多個(gè)基因的逐個(gè)排除、驗(yàn)證，找到關(guān)鍵主效基因工作量巨大。盡管有心理預(yù)期，但高澤霞自己也沒想到，竟花了長(zhǎng)達(dá)四五年時(shí)間。

期間，研究團(tuán)隊(duì)也有一些動(dòng)搖：培育一些少刺魚是不是也可行呢？畢竟少長(zhǎng)刺也比許多小刺強(qiáng)。這樣是不是也可以算作改良育種？但思忖再三，高澤霞覺得還要繼續(xù)找下去。

“只做一半算怎么回事兒？”她對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說，無論是對(duì)消費(fèi)者還是對(duì)養(yǎng)殖業(yè)而言，“完全沒有肌間刺，才有意義”。

這幾年里，高澤霞抗住了里里外外的許多壓力。

無肌間刺（上）和有肌間刺（下）武昌魚掃描圖

在學(xué)校，有同一學(xué)院的老師覺得做無肌間刺武昌魚不靠譜，她會(huì)陪著笑臉跟老師們解釋；出去作報(bào)告，講她打算“死磕”無刺魚，也經(jīng)常聽到質(zhì)疑的聲音；她的學(xué)生用無小刺魚的研究方向開題，有生態(tài)等方面的評(píng)審專家覺得這事兒不值得做、做不成功，在開題報(bào)告答辯會(huì)上直接“勸退”。學(xué)生悻悻地找到她，她還要強(qiáng)打起精神給學(xué)生鼓勁兒。

“越是有質(zhì)疑的聲音，我越有動(dòng)力，一定要把無肌間刺的武昌魚做出來。”高澤霞說。

備受質(zhì)疑但也常受鼓舞。2015年，徐旭東以全國(guó)政協(xié)委員、水生生物專家的身份，在科學(xué)網(wǎng)博客發(fā)表題為《中國(guó)應(yīng)培育無小刺主養(yǎng)魚》的博文，作為他建言相關(guān)部門設(shè)立“原始創(chuàng)新基金”和“原始創(chuàng)新計(jì)劃”的生動(dòng)案例。

文章中，徐旭東提到“中國(guó)科學(xué)家應(yīng)當(dāng)拿出當(dāng)年攻關(guān)雜交水稻制種技術(shù)的智慧和勇氣培育無小刺主養(yǎng)魚品種”，他覺得“在中國(guó)人的食譜中，動(dòng)物性蛋白營(yíng)養(yǎng)有三分之一來自于魚類”，因此這個(gè)動(dòng)議“并非小題大做”。

高澤霞與徐旭東素未謀面，但得此文如遇知音，也堅(jiān)定了她做無小刺魚的決心。

沒底氣？“大蓋巨脂鯉”送助攻

2015年還發(fā)生了一則趣事，讓高澤霞做武昌魚肌間刺這件事有了更多底氣。

那年她前往西班牙參加世界魚類遺傳育種大會(huì)，分享她做魚刺的故事。會(huì)上，有一位巴西學(xué)者——University of Mogi das Cruzes的Alexandre Hilsdorf教授也講述了魚刺有關(guān)的故事，而且有著神奇的色彩。

在巴西有一種名為大蓋巨脂鯉的魚，是當(dāng)?shù)匾环N主要養(yǎng)殖魚類，屬于脂鯉目，也長(zhǎng)著上百根肌間刺。偶然的一天，這位學(xué)者接到一個(gè)養(yǎng)殖戶的電話，說他們正在吃一條“一根小刺都沒有的大蓋巨脂鯉”，請(qǐng)他一定過來看看。

Alexandre Hilsdorf開始不相信有這種事情，但又覺得養(yǎng)殖戶不至于拿這件事騙他，琢磨再三之后，坐了三個(gè)小時(shí)的飛機(jī)去一探究竟。

那條魚確實(shí)是一根肌間刺都沒有。顧不上想到底怎么回事，他帶著透射儀器把這家養(yǎng)魚場(chǎng)的幾千條魚掃了個(gè)遍，還真的發(fā)現(xiàn)了十幾條完全沒有肌間刺的大蓋巨脂鯉。

這些無肌間刺的大蓋巨脂鯉一樣能繁育后代。這位學(xué)者不敢怠慢，就用這十幾條魚開始選育，果然培育出了無肌間刺的大蓋巨脂鯉。

“大家猜測(cè)那些魚是突變體?！备邼上几嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，巴西境內(nèi)的亞馬遜河是全球自然環(huán)境條件最為變化多端的一條河流，無論光照、氣溫、干濕度都有可能創(chuàng)造自然突變條件。

可惜的是，現(xiàn)在他們也還沒弄清楚是哪些基因突變導(dǎo)致的。后來，這位巴西學(xué)者還把不長(zhǎng)肌間刺的大蓋巨脂鯉樣本送給高澤霞，希望幫助探明背后原因。

但這個(gè)故事更令高澤霞激動(dòng)的是，這個(gè)現(xiàn)象表明，原本有肌間刺的魚類，在失去長(zhǎng)刺能力之后，一樣可以正常生長(zhǎng)、繁育，并且在營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和口味方面也沒有明顯差異。

“這不正好佐證了我們做這件事的意義嗎？”高澤霞激動(dòng)地反問道。

她告訴記者，我國(guó)魚類遺傳育種與發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域知名專家、中國(guó)科學(xué)院院士桂建芳也吃到過無小刺的武昌魚。聽到這個(gè)消息后，她也效仿巴西學(xué)者去掃描了幾千條武昌魚，但可惜“運(yùn)氣沒那么好”。

不過，桂建芳院士對(duì)她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)做肌間刺工作非常支持和鼓勵(lì)，并在研究思路、實(shí)驗(yàn)具體方案方面提供了很多指導(dǎo)，這讓高澤霞很是感動(dòng)。

高澤霞（右二）在觀察魚

“無小刺魚”的故事未完待續(xù)

從60多個(gè)候選基因中，高澤霞團(tuán)隊(duì)先后發(fā)現(xiàn)了3個(gè)基因在不同程度上調(diào)控了魚類肌間刺的發(fā)生發(fā)育。

其中，scxa基因功能缺失，能讓魚類肌間刺的數(shù)目顯著減少70%左右，突變體斑馬魚背部肌間刺完全缺失，僅保留尾部少數(shù)肌間刺。但遺憾的是，scxa基因缺失品系也存在肋骨發(fā)育缺陷問題。

后來他們發(fā)現(xiàn)bmp6基因的缺失也能讓斑馬魚肌間刺的數(shù)目顯著減少30%左右，且其他骨骼組織發(fā)育基本正常。

最終他們發(fā)現(xiàn)了runx2b基因缺失會(huì)導(dǎo)致突變斑馬魚肌間刺完全缺失，且其個(gè)體生長(zhǎng)、其它骨骼單元形成、肌肉脂肪酸和氨基酸含量等性狀均未受到顯著影響。

“就真的一根肌間刺都沒有。當(dāng)時(shí)我們都不敢相信這是真的，但又真的非常興奮?！备邼上茧y以描述當(dāng)時(shí)的心情。

原來，在runx2b基因之前，他們已經(jīng)鬧過一次“烏龍”。

2018年，一位學(xué)生觀察后跟高澤霞說，敲除掉scpp5基因的斑馬魚沒有長(zhǎng)出肌間刺。當(dāng)時(shí)整個(gè)課題組都激動(dòng)得不行，都以為成功了。但當(dāng)觀察了更多敲除掉這個(gè)基因的斑馬魚之后，大家又傻了眼：大部分斑馬魚甚至一根刺都沒少長(zhǎng)。

“那次我們就像坐了一趟過山車，所以發(fā)現(xiàn)runx2b基因后，大家覺得有點(diǎn)‘不真實(shí)’，變得非常謹(jǐn)慎?！备邼上夹χf：“大家不能再受一次刺激了?！?/span>

幾乎檢測(cè)了實(shí)驗(yàn)室所有能檢測(cè)的敲除runx2b基因的斑馬魚后，大家才長(zhǎng)舒一口氣。

后來，他們把這個(gè)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在National Science Review（《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》英文版）上。

在模式魚類上告捷，馬不停蹄地，高澤霞開始帶隊(duì)在武昌魚上看效果。這一步，也非常關(guān)鍵。

“這個(gè)基因在魚類上高度同源，而且武昌魚和斑馬魚同屬于鯉形目，因此我們有預(yù)期，在武昌魚上會(huì)取得同樣的效果?！备邼上颊f。

當(dāng)敲除runx2b基因的武昌魚魚苗被培育出來、經(jīng)過“長(zhǎng)刺期”，被觀察到確實(shí)沒有肌間刺之后，那種內(nèi)心的激動(dòng)仍讓高澤霞久久不能平復(fù)。

故事到這里還沒講完。

高澤霞告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，成果被報(bào)道后，許多人找她投資，聲稱要建廠、開公司。對(duì)此，高澤霞特別強(qiáng)調(diào)并聲明：“無肌間刺武昌魚的生產(chǎn)性推廣，一定要經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)性養(yǎng)殖評(píng)估。對(duì)每一代無肌間刺武昌魚生長(zhǎng)指標(biāo)、肉質(zhì)等指標(biāo)也都需要進(jìn)行細(xì)致的評(píng)估。并且，需國(guó)家層面有關(guān)基因編輯培育新品種的制度建立和頒布實(shí)施之后，才能考慮進(jìn)行生產(chǎn)性推廣。

“無刺魚相關(guān)的評(píng)估工作我們目前正在開展，另外，我們與國(guó)內(nèi)多個(gè)團(tuán)隊(duì)合作開展了草魚、銀鯽、鰱等重要養(yǎng)殖魚類的魚刺形成主效調(diào)控基因敲除實(shí)驗(yàn)，也取得了一些進(jìn)展?！备邼上紝?duì)記者說，2020年，團(tuán)隊(duì)得到了武漢市一項(xiàng)50萬元的科技計(jì)劃支持；2022年，湖北洪山實(shí)驗(yàn)室又批復(fù)了一筆250萬元的支持經(jīng)費(fèi)，專門開展肌間刺相關(guān)的研究。目前，她也是國(guó)家大宗淡水魚產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系魴種質(zhì)資源鑒定與新種質(zhì)創(chuàng)制崗位專家，有了相對(duì)穩(wěn)定的支持。

“我們今年共獲得了300多條完全沒有肌間刺的武昌魚。”這個(gè)數(shù)字讓她有點(diǎn)驕傲：這些魚是團(tuán)隊(duì)取得突破性成果的明證，而且這些魚，也足夠他們開展接下來的工作了。

“現(xiàn)在肌間刺的研究，也是我們的主業(yè)之一了?！备邼上夹χf道。