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鱼类遗传育种发展现状与展望

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-12-06  浏览次数:3

  全基因组信息解析可为遗传改良提供重要参考和指导。在过去的10年中,许多重要养殖鱼类的全基因组,包括大西洋鳕、尼罗罗非鱼、斑点叉尾鮰、大西洋鲑、虹鳟、半滑舌蹋、鲤、大黄鱼和草鱼等纷纷被解析,并为这些养殖鱼类所表现出的一些独特的生命现象和适应性进化的研究提供了大数据支撑。

  在水环境保护和生态文明建设的新形势下,“集约化”“工厂化”养殖将成为我国水产养殖发展的一个重要方向。 2018年,我国农业农村部遴选的6项水产主推技术就包括淡水工厂化循环水健康养殖技术。水体中的溶氧是制约工厂化养殖水产品产量提高的一个限制因素。鲫是最耐低氧的鱼类之一,不同银鲫克隆系对低氧的耐受能力存在差异。肖武汉团队首先通过转录组分析了具有不同低氧耐受能力的银鲫克隆系的基因表达差异,构建了鱼类耐低氧的基因调控网络,筛选到foxo3b、tet1、set9、fih等与鱼类低氧耐受相关的分子模块。与野生型相比,foxo3b、tet1或hif-3a敲除鱼对低氧更为敏感;而fih敲除鱼对低氧具有更强的耐受能力。他们的研究还揭示,foxo3b通过直接转录调控E3泛素连接酶复合体成员vhl的表达抑制低氧信号转导通路;Tet1主要通过与PHD2相互竞争,阻止PHD2与HIF-2α的结合从而稳定有氧条件下HIF-2α的蛋白量,增强低氧信号转导通路。同时,他们通过比较耐低氧与低氧敏感银鲫克隆系,鉴定了这些分子模块上与低氧耐受相关的优异等位变异。

  在江苏等鲫主产区,异育银鲫养殖模式已由传统的套养模式转变成高效的单养或主养模式,鲫产量得到了显著提高。但由于效益好,导致一些养殖户养殖密度越来越高,忽视了鱼与环境容量之间的平衡。近年来,爆发于苏北地区的鲫急性出血病造成了重大经济损失。在鉴定鲫急性出血病病原为鲫疱疹病毒CaHV后,我们通过人工感染筛选了银鲫易感克隆系和抗性克隆系,并通过转录组分析揭示银鲫是通过激活IFN系统和抑制补体系统来抵御CaHV的侵染,其中抗CaHV野生克隆系H显著激活了干扰素(IFN)系统基因和免疫球蛋白基因等,而易感克隆系“中科3号”则显著上调表达了凋亡或坏死相关的基因;还进一步鉴定了8个IFN系统基因作为抗病分子模块,可用于后续的异育银鲫抗病育种。

  (1)水产养殖动物重要经济性状的遗传基础解析。解析水产养殖动物主要经济性状的遗传基础,重点包括揭示生殖质发生和原始生殖细胞特化与迁移、性别决定和分化、配子发生与成熟的分子机制;阐明性成熟和生长、应激内分泌和生长的相互协调及其调控机理,以及肌肉细胞增殖和蛋白/脂肪平衡的作用机理;揭示先天免疫系统的信号通路、重要病原与宿主免疫系统的作用机制;揭示耐受低氧或低温的信号通路和表达调控机理,为培育高产、抗病或抗逆水产养殖动物新品种提供理论基础和基因资源。

  异育银鲫是我国重要的大宗淡水养殖鱼类之一。随着异育银鲫、高体型异育银鲫和异育银鲫“中科3号”等优良品种的培育成功及大规模推广养殖,全国鲫产量已从1983年的4.8万吨增至2016年的300万吨。银鲫由于其六倍体的遗传背景,当用其他鱼类的精子与银鲫卵子受精时,银鲫具有将其他鱼类精子的染色体组、染色体片段或微量遗传物质整入到卵核中协同发育的能力。我们利用银鲫这一独特能力,辅以授精后的冷休克处理以整入更多异源父本染色体或者染色体片段,筛选获得了整入有团头鲂父本遗传信息、性状发生明显改变的个体作为育种核心群体。以生长优势和隆背性状为选育指标,用兴国红鲤精子刺激进行10代雌核生殖扩群,同时基于基因组reads测序深度比较策略鉴定了渗入到候选高产鲫的团头鲂分子模块,利用这些分子模块筛选鉴定繁育亲本,培育出异育银鲫“中科5号”。接着,针对目前鱼粉价格高导致养殖成本增加,以及出血病和孢子虫病暴发频繁等现状和问题,开展小试、中试和生产性对比试验,评估投喂低蛋白、低鱼粉饲料时异育银鲫“中科5号”和主养品种“中科3号”的生长差异,以及它们对鲫疱疹病毒和黏孢子虫的抗性差异。结果表明,异育银鲫“中科5号”生长速度快,抗病能力强。在相同养殖条件下,与主养品种异育银鲫“中科3号”相比,投喂低蛋白(27%)、低鱼粉(5%)含量饲料时,“中科5号”1龄鱼的生长速度平均提高18.20%;感染鲫疱疹病毒时存活率平均提高12.59%;养殖过程中对体表黏孢子虫病有一定的抗性,成活率平均提高20.98%。此外,“中科5号”6月龄和18月龄时肌间骨总数分别减少9.47%和4.45%。

  自20世纪80年代以来,我国水产养殖产量持续增长,成为大农业中发展最快的产业之一,为保障国家食品安全做出了重要贡献。特别是近20年来,中国已成为世界第一水产养殖大国,产量一直占全球养殖产量的60%以上,其成功的经验已对世界产生了重要影响。水产养殖在保障全球食品安全和促进经济增长中的作用已得到国际社会的广泛认同。譬如,美国专栏科普作家Erik Vance在2015年发表于Scientific American的《为几十亿人养鱼》的专题评述中,认为“中国渔业可救护海洋”。回顾改革开放40年,中国水产养殖的快速发展既得益于政策引领和市场推动,又得益于科技创新,尤其是鱼类重要经济性状的分子基础解析及其遗传改良生物技术的创建,驱动了我国水产种业的蓬勃发展。

  (2)重大育种技术创新和新品种培育。建立遗传性别鉴定的分子技术和控制鱼类生殖(育性或性别)开关新技术,开展或研发适合水产养殖动物的全基因组选择育种、分子模块设计育种和基因组编辑育种,并集成和创新选择育种、倍性育种、性控育种、分子标记辅助育种、借腹怀胎等育种方法,培育适合集约化工厂养殖或适合综合生态化养殖的高产、优质、抗病、抗逆的水产动物新品种,进行种业技术集成和示范。

  在我国淡水养殖鱼类中,银鲫非常有趣。它是一种在鲫发生了四倍化后又经历了一次多倍化的天然六倍体鱼类。它能利用其他鱼类的异源精子刺激发育,通过雌核生殖产生与母本性状一致的全雌性后代;它已被鉴别出众多的克隆系,有些克隆系对来自相同克隆系或不同克隆系的银鲫精子,还能进行有性生殖或类杂种生殖。在自然种群中,银鲫有雄性个体存在,最近还发现基因型性别决定和温度依赖型性别决定同时存在于银鲫中,并发现雄性特异的微小染色体和高温孵育起了雄性决定作用。在“分子模块设计育种创新体系”的支持下,我们与华大基因合作,采用Pacbio三代测序,结合Bionano光学图谱、10×Genomics和染色体Hi-C技术,完成了拥有100条染色体的四倍体彩鲫和拥有156条染色体的六倍体银鲫F系的全基因组测序和组装。重要的是,草鱼、银鲫等养殖鱼类的全基因组解析,将为生长发育和饲料高效利用、生殖和性别控制、抗病和抗逆等重要经济性状相关基因或分子模块的发掘以及遗传改良,提供重要支撑。

  IFN系统是鱼类抵御病原入侵的第一道防线。我们发现RIG-Ⅰ样受体信号通路中上游的模式识别受体LGP2存在正负调控,并解析了IFN转录调控因子IRF1、IRF3和IRF7以及下游效应分子Gig1和Gig2在鱼类抗病毒感染中的重要作用及其机制;张永安研究员团队解析了鱼类Ⅰ型IFN负调控的作用机制,发现草鱼GCRV的VP41蛋白能够抑制RIG-Ⅰ和MITA对IFN的激活,并能够与TBK1和MITA相互作用,竞争性地抑制TBK1对MITA的磷酸化;筛选了5个草鱼Ⅰ型和Ⅱ型IFN基因的优异等位变异位点。同时,聂品团队发现PGRP6及其剪接异构体是一类广谱的抗微生物功能蛋白,解析并验证了NOD1/RIP2介导MHC抗原提呈的信号通路可作为分子标记选择的分子模块。

  与陆生动物相比,鱼类的驯养和选择育种的历史非常短,第一个有文献记录的鱼类选择育种实验是在美洲红点鲑中进行的。在我国,则可以追溯到晋朝(公元266—420年)对金鱼祖先——鲫金色或红色突变体的选择。正是金鱼爱好者的不断探索,至今已从它们的体色、体形、鳍条、鳞片、头部肉瘤、鳃盖、鼻隔膜以及眼睛等表型的变异中,逐渐选育出现今多姿多彩的300多个金鱼品种。

  制约我国水产养殖可持续发展的一个主要瓶颈因素是病害。我国水产养殖鱼类因疾病年损失率超过10%,年损失超过150亿元。草鱼是我国养殖产量最高的鱼类,2016年的产量达到589.88万吨。但因为缺乏良种,目前养殖的草鱼群体性状退化,病害频发严重。草鱼不同家系对草鱼呼肠孤病毒(GCRV)的抗性存在显著差异,其抗性性状具有较高遗传力(0.63 ± 0.11)。因此,在完成草鱼基因组框架图绘制后,汪亚平团队对一个草鱼全同胞群体感染GCRV后存活个体和死亡个体进行基因组重测序,依据草鱼基因组SNP电子芯片对存活个体和死亡个体的测序数据进行基因分型,筛选出存活/死亡显著差异的1 822个基因型位点(p<0.01, df=1);接着通过对存活/死亡组数据的比较分析,从草鱼基因组中筛选到9个抗病相关基因及其10个显性等位基因位点。目前正采用高通量SNP分型技术筛选草鱼野生群体中携带初级抗病分子模块的个体作为亲本,通过人工繁殖配组繁育抗病群体。

  草鱼以草食性特征而得名,但其在幼鱼阶段主要摄取浮游动物、摇蚊幼虫等食物,在孵化后45天左右转以大型植物为食。针对这个有趣但又非常重要的问题,中国科学院水生生物研究所与中国科学院国家基因研究中心等单位合作,完成了草鱼基因组框架图绘制。他们首先采用“鸟法”测序获得雌性和雄性草鱼基因组组装序列;接着通过转录组分析发现,草鱼基因组中并不存在纤维素降解酶基因;而是在食性转化适应过程中,草鱼肝脏中甲羟戊酸通路和类固醇生物合成通路被激活,肠道中clock-bmal1、ror等一些昼夜节律相关基因的表达模式发生了重构。因此,草鱼通过持续高强度的吃食水草以支持其快速生长。目前,夏晓勤团队已搭建了可视化的草鱼基因组数据库网站,包含草鱼全基因组分子标记数据库、表达谱数据、草鱼遗传连锁图谱以及和斑马鱼的共线性分析结果等。

  (3)鱼类及水产遗传育种设施和研究平台创建。集成并创制全天候室内养殖鱼类系统,建立活体核心种质资源库;建立全天候室内孵化培育系统,实现养殖鱼类亲本培育、人工繁育和苗种培育的精确控制,避免恶劣天气和外敌侵害带来的损失;建立水产动物基因组、功能基因组和蛋白质组研究平台以及水产生物分子育种技术平台;建立生态可控、环境友好的养殖鱼类经济性状评估平台,以评价培育的新品种在不同养殖模式下的生长性状、营养需求、抗病或抗逆能力;研发高效环保饲料,建立新品种的精确投喂技术,并集成建立水质调控和病害防控技术,保障我国渔业“生态环保、安全高效、优质增收”可持续发展。参考文献略。

  与高产、稳产和高效鱼类养殖紧密相关的经济性状主要包括性别、抗病、低氧耐受以及饲料高效利用。中国科学院水生生物研究所的研究人员以银鲫、草鱼、黄河鲤等我国重要的养殖鲤科鱼类为研究对象,通过全基因组关联分析、转录组分析以及在模式动物中功能验证等,鉴定了一批候选分子模块。许多鱼类在生长和个体大小上表现出明显的性别异形,因此生产和养殖全雌性或全雄性的群体会带来显著的经济效益。胡炜团队通过对雄性黄河鲤的全基因组测序、黄河鲤群体的重测序和多个黄河鲤群体的大样本验证,鉴定了首个黄河鲤雄性的DNA序列csMD。它包含了一个具有保守结构域的未知转录本,可能是潜在的鲤性别决定因子;孙永华团队鉴定了一个调控性腺分化的长链多不饱和脂肪酸延长酶elovl2,其序列变异可以产生100%雄性个体。培育饲料转化效率高的鱼类新品种无疑会降低成本、提高养殖效益。殷战与解绶启和童金苟团队合作,通过全基因组关联等分析,鉴定了2个分别位于银鲫cr1和crhr2的优良等位变异。cr1和crhr2参与调控鱼类应激内分泌,它们的等位变异可导致异育银鲫的可的松水平以及应激反应能力相对下降。在模式鱼类中的功能验证中,发现降低人工养殖条件下鱼类的应激反应能力,可以降低基础代谢率,提升成鱼中肌肉组织的蛋白合成代谢和机体的蛋白沉积率,从而促进生长。他们的工作提供了一个新颖的育种思路,即通过降低鱼类应激反应的调控能力以培育快速生长、高饲料转化率的养殖鱼类。

  水环境保护和生态文明建设驱动水产养殖模式发生重大变革。新的水产养殖模式关键的变化主要集中在两个方面:①向集约化,即设施化和智能化方向发展;②向生态化和有机化的方向发展。对现代水产种业而言,培育适合集约化工厂养殖或是适合“稻渔综合种养”等综合生态化养殖的水产养殖动物新品种是未来发展的目标。因此,我国应在以下3方面持续支持、重点布局。

  尽管我国的观赏鱼类的选择育种历史悠久,但直到20世纪70年代才开始跟随陆生家养动物遗传育种的脚步进行科学系统的鱼类遗传育种学研究。随着现代遗传学和生物技术的不断发展和创新,不仅在鱼类基因组和重要经济性状的分子机理解析等基础研究上取得了重要进展;更为重要的是,一系列育种技术,包括选择育种、杂交育种、雌核生殖、性控育种、多倍体育种、生殖细胞移植和借腹怀胎、全基因组选择育种、分子模块设计育种、转基因和基因编辑等,已纷纷建立并应用于鱼类遗传育种实践。

  摘要:鱼类重要经济性状的分子基础解析及其遗传改良技术的创建驱动了我国水产种业的蓬勃发展。在分析我国鱼类遗传育种的起源、发展和现状的基础上,文章总结了在“分子模块设计育种创新体系”的支持下,以银鲫、草鱼和黄河鲤等为研究对象开展的全基因组解析,性别控制、抗病、耐低氧、饲料高效利用等分子模块解析,以及高产抗病异育银鲫新品种培育的研究进展,由此探讨了在集约化和生态化养殖趋势下未来鱼类遗传育种和水产种业的发展方向。

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