服務于“藍色種業”的海洋生物技術

秦 松, 孫 林, 王亞軍, 劉正一, 王寅初, 張 健

(1.中國科學院煙臺海岸帶研究所, 煙臺 264003; 2.寧波大學海洋學院, 寧波 315832;3.吉林農業大學生命科學學院, 長春 130118)

1 我國“藍色農業”的發展情況

曾呈奎院士曾指出,“在我們三百萬平方千米的藍色國土里發展我國的藍色農業是歷史的必然”[1]?！八{色農業”,即海水養殖業,是我國大農業的重要組成部分,在國民經濟中占有重要地位[2]?！八{色種業”是指在“藍色農業”中應用的水產品種或品系,它的發展是“藍色農業”持續發展的不竭動力。據聯合國糧食及農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)統計[3],過去30年間,漁業和淡水水產養殖總產量增勢迅猛。根據FAO發布的《2022世界漁業和水產養殖狀況》[4],全球水產養殖產量在2020年保持增長勢頭。水產養殖總產量中,水生動物產量為8 750萬噸,主要供人類食用;藻類產量為3 510萬噸,包括食物和非食物用途。

2 我國藍色種業技術的發展歷程

經過多年的發展,我國在魚、蝦、蟹、貝、藻、參等品種研發方面的藍色種業技術已有巨大的進步和突破。我國水產新品種(系)的產生方式主要包括引進、本土選育、自交+選育、雜交+選育、引進種質研發和自有品系研發等6種方式(表1)。依托這6種主要方式,我國的藍色種業技術已走在世界前列,為我國“藍色農業”的快速發展打下堅實基礎。

表1 我國水產新品種(系)產生方式(代表種/系)Table 1 The way to generate new aquatic aquaculture varieties in China (representative varieties)

2.1 我國水產新品種的產生方式

30年以來,我國已發展了多種主要的水產種質培育技術,并實現了規?；膽?為魚、蝦蟹、貝、藻、參等水產物種養殖的提質和增產提供了技術保障。1996年,我國審批通過第一批水產新品種,至2022年12月,已審批通過了266個水產新品種(系),豐富了我國水產養殖體系。

藍色農業發展歷程主要表現在:

20世紀60年代,伴隨海帶人工栽培等技術的進步,以海帶、紫菜養殖為代表的海水養殖的第一次浪潮在我國興起。

20世紀80年代,伴隨著工廠化育苗和池養技術的長足發展,中國對蝦的養殖產量迅速增長,從而興起了以對蝦養殖為代表的海洋蝦類養殖浪潮,也就是海水養殖的第二次浪潮。

20世紀90年代,我國在貝類引種育苗和吊養技術方面取得了突破性進展,使中國的海灣扇貝養殖產量迅速增加,達到了世界之最,興起了以扇貝養殖為代表的第三次海水養殖浪潮。

20世紀末,雷霽霖院士首先從英國引進冷溫性魚類良種大菱鲆,突破了工廠化育苗關鍵技術,構建起“溫室大棚+深井海水”工廠化養殖模式,開創了大菱鲆工廠化養殖大產業,最終形成了以大黃魚、真鯛、鱸魚等多種海水魚類產量的突破和區域性推廣為特點的第四次海水養殖浪潮。

21世紀初,針對海參、鮑魚等海珍品過度捕撈導致的海珍品資源急劇衰竭的現象,我國在刺參、鮑魚育種育苗和養殖技術上取得了重要突破。如刺參增殖放流高產技術、刺參控溫工廠化養殖技術、利用地熱水培育大規格刺參苗種技術、刺參池塘和圍堰養殖技術等。以此興起了以海參、鮑為代表的海珍品養殖的第五次海水養殖浪潮[5]。

圖1 我國藍色種業技術發展過程中魚、蝦、貝、藻部分標志性選育工作Figure 1 Some of the landmark work regarding the technological evolution of variety breeding of fish, shrimp, shellfish and seaweed in China

2.2 我國藍色種業技術發展過程

從1950年開始,我國就開始了魚類選擇育種技術的開發和應用。1960年婺源縣荷包紅鯉研究所采用群體選育和家系選育相結合的方法,得到了純系荷包紅鯉,性狀穩定,這是我國第一個通過選擇育種獲得的新品種[6]。隨后陸續開展了水產品種的雜交育種技術、多倍體育種技術、雌/雄核發育育種技術、核移植育種技術、轉基因育種技術、基因組育種技術等的開發和應用,目前已實現魚、蝦、貝、藻、參等多物種選育的全面技術創新與應用。

3 藍色種業的主要育種技術及應用

3.1 傳統育種技術

3.1.1 形態學標記選育

19世紀中期,孟德爾率先將形態學性狀作為遺傳標記。形態學標記是指直接利用生物的表型性狀進行研究遺傳多樣性的方法[7]。從1952年開始,中國科學院海洋研究所對定向培育耐高溫品種的海帶進行了探索性工作。1962年,方宗熙等[8]利用定向選擇技術,將海帶連續自交,得到了海帶新品種“海青一號”,這一品種的出現也標志著我國海洋生物遺傳育種工作的開始。

3.1.2 雜交

雜交育種是一種利用具有不同遺傳性狀的親本組合,結合親本的優良基因,選擇符合人類生產要求的表型性狀的育種技術。自20世紀50年代以來,我國對魚類屬間及種間雜交育種進行了廣泛研究,獲得了一系列雜交魚類,如雜交鯉、雜交鯽等(表2),取得了較好的經濟效益[9]。1979年,蔣本禹等[10]對現有的高碘高產品種進行雜交,將兩個品種的優勢結合在一起,得到新品種“海雜一號”,產量高且育苗期間幼苗健壯病害少。

表2 雜交魚的技術發展Table 2 Technological development of hybrid fish

3.2 生物工程育種技術

3.2.1 細胞工程育種

1979年,Uchimiya[11]發表了論文“Somatic cell engineering and breeding in higher plants”,首次使用了細胞工程一詞。細胞工程是一種在細胞水平上進行遺傳操作和處理的技術,以有針對性的方式修改或創造新的物種,或創造具有新遺傳特征的細胞[12],包括細胞融合、細胞折合、單克隆抗體等[13-14]。

我國從70年代中期開始進行魚類細胞工程育種的研究。蔣一珪等[15]將興國紅鯉與方正銀鯽進行屬間雜交,實驗發現,異源精子會刺激銀鯽卵子的雌核發育,同時影響雌核發育子代的一些性狀,通過這種方式雜交得到的異育銀鯽具有明顯的生長優勢。2019年,中國水產科學院黃海水產研究所利用遠緣雜交育種技術培育得到了云龍石斑魚,是我國利用細胞工程育種技術獲得的魚類新品系。海帶育種方面,1973年起方宗熙等[16]開始了海帶單倍體的研究探索,并首次獲得了海帶雌性孢子體,培育出若干雌雄配子體的無性生殖系。

3.2.2 轉基因育種

1985年,朱作言等[17]獲得轉基因鯽魚,開辟了魚類轉基因育種的新領域,同時建立了轉基因魚的理論模型。隨著研究的深入和拓展,先后獲得了轉基因團頭魴、泥鰍、鯉和鯪等魚類。將轉基因技術應用于冠鯉的培育,開創了快速生長轉基因魚培育的序幕;通過導入免疫相關基因或干擾和抑制病原體特異基因, 獲得抗病抗逆和品質改善的轉基因魚[18]。但截至目前,轉基因魚的生物安全,包括食品安全和生態安全問題,仍是亟須解決的關鍵問題[19]。

3.2.3 分子標記輔助育種

2006年Sakamoto等[20]應用分子標記輔助育種進行牙鲆抗病毒育種研究。分子標記輔助育種(molecular marker-assisted breeding, MAS)是一種利用與性狀密切相關的分子標記直接選擇具有顯性等位基因或基因型個體的技術,它將分子生物學和基因組學研究的結果應用于水產種質的選育[21]。分子標記輔助育種在彌補傳統育種過程中形態學標記數量少、環境影響大、選擇精度低等缺點的同時,可以實現早期選擇,進而提高育種效率[22]。

3.3 基因組育種技術

Meuwissen 等[23]提出了基因組選擇的概念。該方法的原理是利用全基因組標記圖譜信息結合表型信息來估計每個分子標記或染色體段的效應大小,并將所有效應大小相加,得到基因組育種值(genomic estimated breeding value, GEBV)。因此,基因組選擇技術適合用于涉及復雜性狀,如抗病性、抗逆性和品質等的選育[24-25]。截至2022年6月,已發表了66個甲殼類動物的基因組,涵蓋了5類甲殼動物。在水產養殖中,基因組選擇技術潛力很大,例如選擇精度在生長性狀方面提高了20%～30%,在抗病性狀方面提高了10%～100%。美國在1997年9月正式啟動了較為全面的水產養殖動物的基因組計劃;挪威、法國和丹麥等國家與加拿大合作,早在1997年就發表了連鎖圖譜;英國和法國也走在了水產品基因組研究的前列,早在20世紀90年代初就開展了河鲀(Fugurubripes)的基因組研究;我國基因組育種技術起步相對較晚,但發展較快,成功完成了包括半滑舌鰨、牡蠣、鯉魚、石斑魚、大黃魚等重要水產物種的全基因組序列測定和圖譜繪制,并培育了一批水產新品種。

3.3.1 對蝦基因組

對蝦基因組是公認的高復雜基因組,以中國科學院海洋研究所相建海和李富花研究組為主導,在國際合作支持下,發表了第一張高質量凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)基因組參考圖譜[26]。此外,基于分子標記和功能基因的分子選擇技術也得到了發展,為基因組選擇和改善對蝦的經濟性狀提供了重要的技術支撐。斑節對蝦(Penaeusmonodon)[27]、中國對蝦(Fenneropenaeuschinensis)[28]和印度對蝦(Penaeusindicus)[29]基因組也先后被破譯。

3.3.2 貝類基因組

中國科學院海洋研究所張國范研究員和美國羅格斯大學郭希明教授于2008年共同啟動了國際牡蠣基因組計劃(OGP),并在2012年9月發表了牡蠣全基因組序列精細圖譜[30]。中國海洋大學包振民教授團隊完成了蝦夷扇貝、櫛孔扇貝、泥蚶等多種貝類基因組精細圖譜繪制,深入解析了控制扇貝肌肉生長、足絲分泌、貝毒代謝、發育和性別決定等組學調控基礎,并在探究動物發育與演化等方面取得多項新發現和新認識[31-34]。針對長期以來非模式生物全基因組分析手段匱乏而且費用過高等技術瓶頸,研究團隊先后研發了2b-RAD、MethylRAD、MisoRAD、HD-Marker、2bRAD-M等一系列新型、高效的基因組學前沿技術[35-38],使低成本、高效開展非模式生物特別是水生生物全基因組分析成為可行。

2021年10月,中國海洋大學、青島華大基因研究院等單位共同發起“M10K+ project”,即“萬種軟體動物基因組計劃”。萬種軟體動物(冠輪動物/軟體動物)基因組項目(M10K+),計劃分3個階段,歷時十年,繪制萬種貝類和其他冠輪動物的基因組圖譜,建立基因組數據庫,為動物的系統演化等重要科學問題提供有效和可靠的數據基礎。

3.3.3 海參基因組

棘皮動物在海洋環境中普遍存在,具有重要的研究價值。在刺參之前,已明確的棘皮動物基因組有兩個物種,即紫海膽(Strongylocentrotuspurpuratus)和長棘海星(Acanthasterplanci)。海參具有較高的經濟價值,并在海洋沉積物生物循環等過程中發揮關鍵作用。因此,海參基因組的研究對理解自然界生物進化和生物學過程以及遺傳育種具有重要意義。

Zhang等[39]完成了仿刺參(Apostichopusjaponicus)的全基因組精細參考圖譜的繪制,這一研究成果也揭示了海參的特殊形態進化與再生潛能的分子基礎。Li等[40]和Thimmappa等[41]利用多組學手段揭示了LAS基因介導的海參皂苷合成機制,解答了動物獲得皂苷合成能力的進化起源之謎。

3.3.4 海水魚基因組

我國是海水魚類養殖大國,我國的海水魚類養殖品種達到100多種,對主要養殖品種進行基因組分析,有助于魚類遺傳學、發育生物學等基礎研究的發展以及養殖技術的創新,促進產業更好發展[42]。

自20世紀90年代中期以來,關于魚類全基因組解碼的研究一直在推進。美國于1996年啟動了水產基因組計劃,進行了虹鱒、斑點叉尾鮰、尼羅羅非魚等水產養殖動物的全基因組測序。國內的魚類全基因組測序起步于2009年,先后完成了半滑舌鰨、大黃魚、黃姑魚、石斑魚等主要養殖品種的基因測序。自2002年紅鰭東方豚全基因組測序最先完成,在隨后的近20年內,完成了文昌魚(Branchiostoma)、大西洋鱈魚(Gadusmorhua)等80余種海洋經濟魚類的全基因組測序。近十年總獲得129種海水魚全基因組序列,2016年以來,越來越多的海水魚類物種被測序,且隨著測序技術的不斷升級,還有大量的重測序基因組不斷更新。

2019年9月21日由中國科學院水生生物研究所聯合青島華大基因研究院等單位共同發起了“萬種魚基因組計劃Fish 10K”正式對外發布(圖2)。相信未來的十年,我國的水產養殖會圍繞種業不斷創新,不斷累積的基因組信息將提供更強有力的技術支撐,將獲得更多更好的研究和產業化應用成果。

引自“萬種魚基因組計劃”項目(http:∥fish10k.genomics.cn/)。圖2 萬種魚基因組計劃(Fish 10K)三個階段任務及目標Figure 2 Three stages of the Fish 10 000 Genomes Project (Fish 10K) tasks and objectives

4 展望

伴隨全球變化和人類活動的加劇,中國的近海環境發生了顯著變化,如海洋酸化、海洋升溫、富營養化等,且這些變化將可能成為中國海水養殖面臨的常態。同時海水養殖的價值取向也發生了深刻的變化:在國家戰略的背景下,海水養殖已從單一的生物質價值,逐步發展出了碳匯價值和生態服務價值,伴隨國際上IMTA養殖理念的進步,對養殖品種生物質價值的計算,也由單一的養殖品種價值計算,發展到了單位時間、空間范圍的多物種多營養級生物質的綜合價值計算。

在以上背景下,育種技術的發展一方面需要適應海水養殖環境的顯著變化,另一方面也需要對應滿足新價值要求的性狀需求。此外,種質資源的生態安全,如野生經濟品種的保護,以及外來種質的生物安全控制也將成為育種技術需要關注的焦點,因此:

(1)建立國家級水產種質資源(物種、組織、遺傳物質等)保藏中心,由國家立項支持開展重要水產養殖品種的基因組測序,并將測序數據共享,建立公共大數據平臺。

(2)針對區域性養殖環境的變化開展適應性育種,培養適應升溫、酸化、局部缺氧等典型環境脅迫條件的新品種(系)。除與生物質價值相關的傳統優良性狀外,特別關注目標品種與碳匯交易價值和生態服務價值相關的性狀。

(3)針對生態型和裝備型海洋牧場建設需求,分別定向培育有關品種(系)。

(4)強化外來引種的生態風險性評估,建立可落地的評估技術,建立并完善相應的法律法規。

(5)對野生種質建立有效的原位保護和遷地保護途徑。對重要的經濟性狀基因通過建立基因銀行等方式形成有效的室內保護途徑。

(6)建立轉基因品種的生態安全屏障,如通過阻斷其有性繁殖的方式控制基因流動。

(7)進一步完善我國各種海洋生態混養體系(國際上稱為IMTA)下各經濟物種的綜合價值計算依據和標準,以此為基礎甄別出關聯新價值體系的關鍵性狀,從而為育種工作提供更加精準的方向。

致謝:感謝陳松林院士、王師教授百忙之中提供素材、指導寫作!感謝李富花研究員、劉福利教授審閱本文并提出寶貴意見!感謝李成華教授、王全超博士對本文完成作出的貢獻!