鱼类基因组操作与定向育种.

中国科学: 生命科学2014年第44卷第12期: 1253 ~ 1261 SCIENTIA SINICA Vitae

引用格式: 叶鼎, 朱作言, 孙永华. 鱼类基因组操作与定向育种. 中国科学: 生命科学, 2014, 44: 1253–1261

英文版见: Ye D, Zhu Z Y, Sun Y H. Fish genome manipulation and directional breeding. Sci China Life Sci, 2015, 58, in press 《中国科学》杂志社SCIENCE CHINA PRESS

鱼类生物学和生物技术专辑

评述

鱼类基因组操作与定向育种

叶鼎, 朱作言, 孙永华*

中国科学院水生生物研究所, 淡水生态与生物技术国家重点实验室, 武汉 430072

* 联系人, E-mail: yhsun@

收稿日期: 2014-09-15; 接受日期: 2014-10-29

国家重点基础研究发展计划(批准号: 2010CB126306, 2012CB944504)、国家自然科学基金(批准号: 31222052)、中国科学院知识创新工程重要方向项目(批准号: KSCX2-EW-N-004-4)和淡水生态与生物技术国家重点实验室自主研究项目(批准号: 2011FBZ23)资助

摘要水产养殖已成为全球范围内发展最快的农业产业之一, 可持续发展水产养殖的关键在于培育具有优良性状的养殖品种. 基因组操作技术为快速、定向的鱼类遗传育种提供了一条重要的可行性途径. 本文回顾了基于经典基因组操作技术的鱼类育种方法学历史, 如多倍体育种及细胞核移植等. 然后重点介绍并展望了基于转基因技术及新近发展的基因组编辑技术的鱼类定向育种方法. 后两种技术的发展和应用将会为未来的鱼类种业带来更加高效和更具预见性的育种新方法. 关键词

鱼类定向育种多倍体育种细胞核移植转基因鱼

基因组编辑

鱼类蛋白是人类最为重要的蛋白质来源之一. 由于过度捕捞导致渔业资源衰竭, 水产养殖已成为全球范围内最受关注和发展最快的农业产业之一[1]. 可持续发展水产养殖的关键在于培育具有优良性状的养殖品种. 现阶段, 鱼类养殖面临着近亲繁殖所带来的种质退化、鱼病频发、产量和品质下降等问题[2]. 因此, 筛选和培育高产、抗病、优质的养殖品种是可持续发展渔业的重中之重.

在过去几十年间, 种内杂交[3]和种间杂交[4]等传统育种方法给人们提供了大量的优质鱼类产品. 然而, 杂交育种通常需要多代的循环选育才能造就具有某一优良性状且不表现出负面效应的新品种. 另外，利用这些方法, 也无法窥见这些优良性状背后的遗传机制, 使得选育品种的目标性状往往具有不可预见性. 因此, 亟需开发高效并可预测的育种方法来培育高产优质的鱼类新品种. 本文首先回顾基于经典基因组操作技术的鱼类育种方法学历史, 如多倍体育种[5]及细胞核移植[6]等. 然后, 重点介绍基于转基因技术及新近发展的基因组编辑技术的鱼类定向育种方法. 后两种技术的发展将会给未来的鱼类种业带来更加高效和更具预见性的育种新方法, 而基于经典和新兴基因组操作技术相结合的综合育种技术将极有可能成为未来鱼类育种的主导技术.

1 多倍体育种

多倍体育种通常通过倍性操作来实现. 倍性操作是一种通过人工干预致使染色体加倍的方法, 它可以说是基因组操作中最为经典的方法[5]. 在一些鱼类物种中, 雌、雄性或不育个体往往表现出不同的生长速率, 因此如何高效获得单性群体或不育群体往往是鱼类育种学家追求的目标. 在所有有关鱼类性别控制或育性控制的方法中, 倍性操作是使用最早也是目前为止最为有效的方法之一. 此外, 这一方法

叶鼎等: 鱼类基因组操作与定向育种

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也被广泛用于纯系的快速获得, 加之与其他育种方法相结合, 将会大大缩减育种周期.

鱼类多倍体育种源于对雌核发育的研究. 在鱼类中, 第二次减数分裂在排卵或受精后很短的时间内完成. 研究者发现, 这一过程能够被冷休克所抑制, 从而使卵细胞的染色体加倍[7,8]. 后续的实践表明, 热休克和静水压相结合的方法亦可获得类似的效果, 且更为简洁高效[9,10]. 通常而言, 鱼类人工雌核发育的实现是首先利用灭活的精子与正常成熟的卵子受精, 然后通过冷热激或静水压处理该受精卵发育而来[11,12]. 反之, 人工雄核发育是利用灭活的卵子与正常成熟的精子受精, 然后通过冷热激或静水压处理该受精卵发育而来. 雌核发育和雄核发育已在各种经济鱼类中得到广泛运用, 并获得双单倍体(double haploid)[10].

双单倍体的获得能够被用来维持单一性别群体. 在XX-XY 性别决定机制的物种中, 雌核发育将会获得全雌后代; 而在雄核发育的后代中, 将会得到XX 和YY 2种基因型. 在ZW-ZZ 性别决定机制的物种中, 情况则相反. 由于辐射、温度、压力等处理对胚胎造成损伤从而导致胚胎具有较高的死亡率, 因此直接利用雌核发育或者雄核发育技术仅能生产少量的单性后代, 并不适宜于大规模的应用[10]. 然而, 值得强调的是, 多倍体育种常常会和一些经典的育种方法—如性逆转法相结合从而实现控制性别的目的. 全雄黄颡鱼(Pelteobagrus fulvidraco )研制则充分利用了这一策略[13]. 首先, 通过激素诱导性逆转的方法获得生理雌性的XY 型黄颡鱼, 再通过雌核发育获得YY 型超雄鱼. 当该超雄鱼和普通的XX 型雌鱼交配即可得到全雄后代. 另外, 利用激素诱导YY 型超雄鱼可获得生理雌性的YY 型雌鱼, 利用它们与正常YY 超雄鱼的交配可以维持一个有相当规模的超雄 亲本.

与很多家养动物一样, 不育的鱼类品系往往比可育品系具有更快的生长速度. 因此, 三倍体不育鱼的育种在不同鱼类物种中获得广泛的研究和应用. 早期研究者们利用冷或热刺激正常的受精卵来获得三倍体不育鱼. 然而, 这种方法成功率较低并常常伴随着较高的死亡率. 相比之下, 利用四倍体鱼和二倍体鱼杂交来获得三倍体鱼则是一个更为高效的办 法[14]. 因为大多数的鱼都是二倍体, 所以如何获得具有繁殖能力的四倍体群体是该策略中最为关键的一步.

一个最为成功的案例是利用红鲫(Carassius auratus )和鲤鱼(Cyprinus carpio )杂交直到F 3代, 通过筛选获得两性可育的异源四倍体鲫鲤[15,16]. 同一课题组也报道了利用红鲫和团头鲂(Megalobrama amblycephala )杂交成功获得了两性可育的异源四倍体鲫鲂[17,18]. 虽然多倍体育种在鱼类育种历史上存在已久, 并且利用此方法已经获得了多个优良品种, 但是利用这种方法建立四倍体品系并不具有普遍意义. 这主要是因为只能在为数不多的鱼类物种中才能通过杂交手段获得两性可育的四倍体群体. 此外, 三倍体不育系的最主要优良性状表现为快速生长, 因而这一方法并不适用于培育具有其他目标性状的品系. 当然, 这一方法也不适用于一些雌、雄性或不育个体在生长上没有显著差别的鱼类品种.

2 细胞核移植

细胞核移植被认为是最为彻底的一种基因组操作. 这一技术将一整套细胞核基因组移植到另一个去核的卵细胞中, 从而构建一个重构卵. 如果移植的细胞核和卵细胞来源于同一物种, 这种细胞核移植被称作“同种核移植”. 同种核移植已被广泛用于研究细胞核的可塑性、细胞核的再程序化以及利用体细胞核获得再程序化的干细胞等相关研究[19]. 虽然自20世纪50年代以来, 细胞核移植(动物克隆)技术已在多个物种中获得了较为广泛的研究, 利用这一技术也成功地获得了干细胞来源的克隆动物[6], 但是直到首例体细胞克隆哺乳动物“多莉”羊的诞生才掀起了另一波研究的热潮[20]. 在鱼类中, 细胞核移植技术最早由童第周等人[21]在金鱼(Carassius auratus )和鳑鲏(Rhodeus sinensis )中建立. 其实, 早在1985年, 陈宏溪等人[22,23]报道了第一例来自于短期培养体细胞的克隆鱼, 但是这一研究因为最初以中文发表而并不为国际学术界所知. 2002年, Lee 等人[24]报道了利用长期培养的斑马鱼(Danio rerio )细胞获得克隆斑马鱼, 从而点亮了利用基因操作后的鱼类培养细胞进行个体重建的希望之光. 有意思的是, 在青鳉鱼(Oryzias latipes )中, “半克隆”的技术也能获得成功—研究者利用单倍体胚胎干细胞进行细胞核移植, 从而获得了单倍体克隆鱼[25]. 然而, 不得不指出, 体细胞克隆的成功率非常低, 而且克隆子代往往出现各种发育缺陷. 因而, 必须解决以上问题, 才能有效