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桂建芳:鲫的育种故事!你吃的鲫鱼可能根本没有爸爸,或者说它的爸爸不一定是鲫鱼

发表时间:2024/05/31 21:35:29  来源:格致论道讲坛  浏览次数:772  
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我国的鱼类养殖有着悠久的历史,经过科学家的不断努力,鲫鱼的遗传育种又取得了重要成果。生长速度快、出肉率高的“中科三号”研发成功,或许让我们在不久后未来,就能吃上没有肌间刺的鲫鱼…

以下内容为中国科学院院士 桂建芳 格致论道讲坛 演讲实录:

大家好,我是桂建芳。今天,我从个人的研究经历,从《鲫的育种故事》,来谈一谈水产养殖和保障全球食品安全的中国智慧。

我来自中国科学院水生生物研究所。大家知道,鱼类等水产品是世界公认的较为优质的蛋白来源。而用农业农村部前部长的一句话说就是: 今天的世界上每养三条鱼,就有两条来自中国。

中国的鱼类养殖有着悠久的历史。在4年前(2019年),一个国际团队在距今8000年前的河南省贾湖遗址中发现了一些鱼骨头。经过比对研究,他们发现这些鱼骨头属于养殖的鱼类。这让中国水产养殖历史一下就回溯到了8000年前。

范蠡写下的《养鱼经》是世界公认的第一本水产养殖专著,以文字记录了从苗种繁育到成鱼养殖的全过程。而范蠡与西施的故事发生在2500年前,这也证明水产养殖是中国农业发展的传统智慧之一。

▲左:王家楫(1898-1976)

右下:团头鲂(武昌鱼)

新中国成立后,当时国家的条件不是很好,尤其缺少优质动物蛋白的来源。所以1956年毛泽东主席在武汉调研时,曾专门邀请时任中国科学院水生生物研究所所长的王家楫院士问计如何“解决吃鱼难”的问题,并写下了“才饮长沙水,又食武昌鱼”的著名诗篇。

到1958年,毛主席又作出了“三山六水一分田,渔业大有可为”的诗句。从那时候开始,包括中国科学院水生生物研究所的前辈们在内的老一辈科学家开始了水产养殖的研究,拉开了新中国水产养殖的序幕。

事实上,新中国“以养为主”方针的确立经过了3个阶段的讨论。首先,国家在上个世纪50年代首次提出“养捕并举”:既要养、又要捕。接着,《人民日报》在1978年专门发表社论《千方百计解决吃鱼难的问题》;到了1986年,《渔业法》正式确立了以养为主的方针。

▲左:余先觉(1909-1994)

右:蒋一珪(1932-1994)

1977年,伴着科学春天的到来和改革开放,我非常荣幸地考进武汉大学。在武汉大学读了4年本科之后,我又读了研究生,师从著名的遗传学家余先觉教授。余先觉教授在我论文答辩的时候,专门邀请当时在鲫鱼遗传育种研究方面已经取得了重要突破 ,并且获得了国家科技进步奖二等奖的蒋一珪先生作为我答辩委员会的委员。

在那次答辩会上,蒋先生看上了我,并且到所里为我要了一个指标,那个时候的工作还是分配的。所以从武汉大学毕业后,我就进入了中国科学院水生生物研究所,正式开始了鲫鱼的遗传育种研究。

不需要雄性但又有雄性的奇特繁殖

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鲫鱼适应性强,肉质非常鲜美细嫩,很受消费者喜欢。但在20世纪80年代以前,由于鲫鱼的产量比较低,它并不是重要的养殖品种。

到了80年代中期,银鲫单性雌核生殖方式的发现和异育银鲫的培育与推广,鲫鱼的个头开始变大,半斤以上的鲫鱼当时要卖8到10元一斤。即使在今天,鲫鱼仍然还是这样的价格。这其中有什么样的故事呢?下面我就跟大家分享一下。

鲫鱼非常特别,具有丰富的遗传多样性,有着100条、150多条或者是200多条染色体等不同倍性的多倍体,我们称之为鲫鱼复合种。而普通鱼类大多数是48条染色体或者50条染色体。事实上,金鱼也是从鲫鱼经过突变,由我们的祖先不断培育和挑选出来的。

与100条染色体的四倍体鲫(金鱼)相比,银鲫已被我们揭示是经过多次多倍化事件导致的多倍体,有更高的可变性。

我们花了将近10年的时间,经过比较基因组的解析,发现银鲫是一种双三倍体,也就是amphitriploid。这个词是我经过一定的思索,最后原创出来的概念。

我们经过细胞遗传观察,发现银鲫是通过抑制第一次减数分裂产生出未减数的卵子,但也检测到零星的一些同源重组的事件,这些发现就为“多倍体鱼类单性生殖为什么能够在地球上演化成功”提供了一些创新的见解,同时也为我们后面的精准育种提供了理论和技术支撑。

有趣的是,在双三倍体银鲫群体中还发现了一定比例的雄性个体,在全国的34个银鲫地理种群当中,其中10个是无雄性个体的,另外24个检查出了1.2%-26.5%的雄性个体。

银鲫的雄性个体相比于雌性个体多了3-4条雄性特异的超数微小染色体。

我们经过性反转,将雄性的变为雌性,就构建了两个雌核生殖家系,以此发现了转性母本中雄性特异的微小染色体数越多,后代雄性的比例就越高, 这表明银鲫额外的微小染色体具有雄性决定的作用。

▲Li et al., 2017. Science Bulletin

我们在额外的微小染色体上还鉴定出一个在精子发生过程中高表达的基因。

同时还揭示了温度性别决定和基因型性别决定这两种不同的性别决定机制同时存在于银鲫当中,并且还可以相互转换。

▲(Ding 2021) PLOS Genetics 17(9): e1009760.

我们先在显微镜下把雄性特异的微小染色体切割下来,再经过基因组解析,发现了雌核生殖的银鲫里雄性特异微小染色体的起源和雄性发生的机制。

培育出系列银鲫新品种

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最近20年来,我们利用银鲫多重生殖方式精准创制了核质杂种新种质。

并且培育出了异育银鲫中科3号。

我们还通过异精雌核生殖加上冷休克操作,在整入了团头鲂(武昌鱼)的亚基因组遗传物质的基础上,经过10多代的选育,培育出异育银鲫的“中科5号”。这两个品种都成为近10多年来的主养品种。

“中科3号”与过去推广的高倍鲫相比,生长速度平均提高了20%以上,出肉率高6%以上。对寄生于肝脏的碘泡虫还有较强的抗性,在主要鱼产区的占有率达到了70%以上。

▲左:从团头鲂(武昌鱼)取出精子

中:从银鲫挤出卵子

右:异育银鲫“中科5号”鱼苗

与“中科3号”相比,在投喂较低的蛋白鱼粉含量的饲料的时候,“中科5号”1龄鱼的生长速度平均又提高了18.2%。感染鲫疱疹病毒的成活率平均提高了12.59%,对养殖过程中体表的黏孢子虫病也有一定的抗性,成活率平均提高21%左右。

这一系列的品种的推广,形成了异育银鲫水产种业的创新链和价值链。

同时也推动了鲫鱼的养殖产量的增长和可持续发展。鲫鱼的养殖产量从1983年的不到5万吨,近年来增长到了280多万吨。

从研40多年来,我聚焦于银鲫及异育银鲫新品种的培育及其种业发展,架起了从基础到应用的桥梁,这个桥梁对老百姓特别是渔民的增收起到一定的作用。

我们写了3本水产养殖的专著,这些专著汇集了半个多世纪育种专家的智慧。

让鲫鱼不再有小刺

已完成:50% //////////

我最近也对过去的工作做了比较深入的思考,发表文章《在基因组资源快速增长和粮食安全日益强化的调整时代,鱼类生物学和生物技术的再思考》,分析了水产遗传育种整个技术的发展蓝图,进一步瞄准了有重大潜力的鱼类精准育种技术的路径。

下面我就跟大家分享我们实验室在最近5年当中,在精准育种方面所期待的5个突破。

第一个突破就是 创建了多个部分同源基因和等位基因同时高效编辑的精准技术,创制出无肌间刺的银鲫突变体。大家知道,鲫鱼虽然非常美味,但是它的小刺非常麻烦,小孩、老人吃鱼时非常担心被刺卡住。所以我们跟华中农业大学水产学院的高泽霞教授进行合作,她花了差不多10年的时间、3个研究生的接力,最后鉴定出调控鱼类肌间刺发育的主效基因。

▲左:野生型(~80根肌间刺)

右:Cgrunx2b-A-/-/-;Cgrunx2b-B-/-/-(无肌间刺)

Gan et al, 2023. Aquaculture, 739300

在文章还没有发表之前,她就告诉了我。于是我就来做无肌间刺的银鲫,她来做团头鲂和草鱼。通过将近3年的努力,我们在异育银鲫上成功了,她在团头鲂和草鱼当中也成功了。我相信在未来的3-4年内,全国的老百姓有可能吃上无肌间刺的这些鲫鱼、草鱼、团头鲂。

▲Lu et al, 2022. Mol. Biol. Evol.

第二个突破是揭示倍性改变可以驱动银鲫生殖方式的转换和遗传多样性的形成。基于这些发现,我们创制除了基因组重构的合成多倍体新技术。、

Lu et al., 2023, Science China Life Science

比如银鲫整入了双二倍体鲫的一套基因组之后,形成了双四倍体。双四倍体它转变成有性的生殖方式,能够产生正常的精子。我们用这个精子跟双二倍体的白鲫进行交配,因为白鲫对疱疹病毒有一定的抗性。最后我们产生了新的双三倍体,它又能够进行单性雌核生殖。

这样我们就选出了对疱疹病毒有抗性,而且又生长得比较好的一个新的品系,极有可能成为异育银鲫“中科6号”。

我们还发现并定义了一种独特的无减数融合的生殖方式。什么叫无减数融合的生殖方式?它就像银鲫一样,可以产生没有减数的卵子,而且又跟有性鱼类一样,它的精核和卵核可以相互融合,这样就能够创制出倍性更高的多倍体。

我们由此取得了第三个精准育种的突破,创建了一条合成不育异源多倍体的更为高效的路径。

我们还结合基因编辑提出并创建了一条育性可控的、合成不育异源多倍体的路径,这就是我们第四个精准育种的突破。

比如在银鲫的维持系当中,它能够不断地产生银鲫的多倍体。如果我们把它的肌间刺通过基因编辑去掉了,把团头鲂的肌间刺也通过基因编辑去掉了,再让团头鲂跟银鲫交配后,生产出的是没有肌间刺的、不育的七倍体的银鲫,这样就可以避免在养殖过程中逃逸出去带来的潜在生态风险,为物种多样性保护提供了一个有效的策略,还可以有效地保护水产种业从业者的知识产权。

让金鱼更加美丽

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第五个突破,我跟大家讲一讲金鱼。

中国选育金鱼有将近2000年的历史,特别是到了宋朝以后,人工选择做了很多的工作,现在金鱼有300多个品种,这300多个品种都是基因突变、经过人工选择所构建的一些品系,那么它的观赏性、因果基因可否鉴定?它的性状是否可以再进行创造?

7年前(2016年),我在安徽农业大学做讲座的时候,有位硕士余鹏说希望读我的研究生。我问他喜欢做什么工作,他说喜欢做金鱼的研究。他来了之后,建立起了基于高效繁育加上基因编辑、人工雌核生殖、温控性反转的金鱼精准育种的技术路线,甚至能够把一条母鱼在连续的215天内繁殖42次,因此创造了世界纪录 ,作为导师,我也很荣幸拿到了这个福布斯世界纪录的证书。

他首先盯上了金鱼的龙睛——像龙一样的眼睛,还有白化这两个性状的因果基因。通过3年的工作,他把这两个性状的因果基因鉴定出来了,最后通过基因编辑技术来这两个性状的因果基因,创造出10多个金鱼的新品系。

这张图上面标出来的有11个品系,都是我们通过基因编辑创制出来的。大家如果是金鱼爱好者,会非常喜欢这些漂亮的金鱼。所以潜在的商机也很大,我们的金鱼品系在未来还是有很大研发空间的。

《中国科学·生命科学》(英文版)在发表我们这篇文章的时候设计了一个封面:嫦娥看到凡间那么多的金鱼的“金兔”“玉兔”很开心,而玉兔很郁闷,因为嫦娥不会只宠它一个了。

比如“金兔”,在我们的论文出来之后得到了社会高度认可。因为虽然叫金鱼,但真正金色的鱼我们过去很少看到。而“金兔”差不多是24K的金色了,还是人见人爱的。

推广水产养殖的中国智慧

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从我研究生毕业40多年以来,围绕鲫鱼的研究体系,带着单性脊椎动物演化机制这样的一些科学问题,有了一系列的理论发现,也开拓出一些育种的技术和路线,创造了一些新品种、新品系。

比如通过多重生殖方式与雄核生殖的发现,开拓出雌核生殖创制核质杂种的路径,培育出异育银鲫“中科3号”;我们还通过亚基因组整入的发现,进行冷休克处理与分子模块的筛选,培育出异育银鲫“中科5号”;基于倍性改变驱动生殖方式的转换和遗传多样性的形成的理论发现,开拓出基因组重构合成多倍体的技术,这就是我们正在中试的“中科6号”。

我们最近几年还通过独特的无减数融合生殖方式的发现,和银鲫双三倍体基因组的解析,以及多倍体重组多基因演化的命运,并开拓不育异源多倍体的高效合成和多基因编辑的技术,正在创制不育的无肌间刺的异育银鲫。这些发现给我们的品种培育带来了很多的机遇。

优良的品种与绿色生态的养殖模式是可持续水产养殖的发展方向,是满足人类增长需求、保障全球食物安全的中国智慧。

回望改革开放40多年来的农业发展,水产养殖是我们中国食品生产当中发展最快的民生产业。无论是总产量还是人均占有量,都是大农业当中增长最多的。这40多年来,我国水产总产量增长了近14倍,养殖产量增长超过了40倍。

从世界的数据统计来看,从上个世纪80年代以来,世界水产品的增长完全源于养殖的增长,而养殖的产量有近2/3来自中国。

所以中国贡献了水产养殖保障全球安全的智慧,同时也塑造了水产养殖的动能和蓝色转型的未来。比如我2018年出版的《中国水产养殖:成功的故事和现代趋势》得到了国际科学家的高度“点赞”,认为是一个现代的中国养鱼经,为更广阔的世界洞开了中国这个水产养殖超级大国主要生产活动的内在景色。

水产品在保障全球食品安全中的作用已引发了世界的高度的关注。

水产品作为蓝色食品,提升国民营养及其低碳排放的环境友好性能已经成为国际的前沿和热点。

比如2022年联合国粮农组织新发布的《世界渔业现状》的主题也是迈向蓝色转型。由此可见,水产养殖保障全球食品安全的中国智慧已经得到国际社会的高度认可,而且都需要引进中国经验才能够做得更好。

谢谢大家!

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