性控养殖增产的基因密码

文/本刊记者 杨平

全雌黄河鲤（图片提供：殷战）

“我们在广东台山的广东海大集团研究院的育种基地开展了2 年全雌黄河鲤与普通黄河鲤的性别混合群体在同塘的生长养殖试验，发现1 年龄全雌黄河鲤群体的体重比野生型性别混养对照群体分别可增产32.66%（2019 年度）和25.64%（2020年度）（广东地区）， 均极为显著地提高了黄河鲤群体的养殖产量和效率。这是世界首例通过利用基因工程技术，不依赖激素活性物质诱导处理，进行鱼类单性别群体创制， 黄河鲤全雌群体的成功构建，是由模式鱼的机制性基础研究，到单性养殖鱼群体构建的应用研究的范例，达到了国际领先水平。 ”7月19 日， 中国科学院水生生物研究所的殷战所长向记者介绍道。

繁育与苗种供应产业的瓶颈

我国是世界上水产养殖第一大国，不仅养殖产量高，养殖对象的种类也多，其中仅大的门类就包括了鳖、鱼、虾、蟹、贝、藻、参，其繁育特性五花八门，各有特色。对繁育过程的了解，是获得养殖对象的群体，开展生产性活动的第一步，也是从事种质资源保护、优良品种培育的基础。

养殖动物的繁育过程包括父母亲本培育、催产、受精、孵化、培苗，因此对养殖动物繁育过程的研究，通常需要掌握成年养殖对象的性别鉴别、性腺成熟的判断、催产时机与方式、精卵采集与受精的操作技术、受精卵孵化条件（水质、光照、温度、溶氧、水流及附着物等）的掌握和控制、营养需求的满足（包括开口饵料的选择与准备、饵料投喂剂量与方式）、特定病原防控与健康养殖方式等。 对这些阶段的技术研发， 往往建立在对各养殖对象在天然环境下的自然繁育过程的充分观察和了解，包括对其产卵、摄食习性、生态环境的长期研究。

cyp17a1 基因编辑操作构建全雌鲤群体及8 月龄和1 年龄全雌鲤和对照组鲤同塘生长对比结果（图片提供：殷战）

在上世纪50 年代，我国首次实现了家鱼的人工繁育，其后已有超过50 余养殖种类成功实现了人工繁育， 已能基本满足多数种类养殖的产业需求， 但依然存在着对一些养殖对象的人工繁殖技术及其大规模苗种培育未能实现完全成功， 例如少数特有的洄游性鱼类（刀鲚、圆口铜鱼）或具有天然性别逆转的养殖鱼（如黄鳝、石斑鱼）的繁殖生物学、人工催熟和开口饵料的准备等，依然面临约束规模化繁育与苗种供应产业的瓶颈。

成熟和体质优良的雌、 雄亲本培育是繁育的重要环节，这首先便需要鉴别养殖动物的性别，尽管许多的成年对象具有一些可供鉴别的外部性状特征，但对一些物种（如虾、鲤等）的外部性别鉴定特征掌握却需要长期的经验与观察， 需要依赖通过雌、雄个体的遗传物质DNA 的不同而得到确定。而且，某些鱼类还会在养殖过程出现性别转换，例如先雌后雄的黄鳝性别转换、 养殖温度升高导致鲫雄性化倾向， 这些因素都会影响对获取大怀卵量亲本的选择和培育条件。

国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项， 重要水产养殖动物性别与发育的遗传基础与调控机制研究” 项目中殷战做为项目负责人带领团队，从以下几个方面进行研究：一是水产养殖动物性别决定的多样性和可塑性强的调控机制、性腺发育与环境互作的机制、 倍性操作影响性别发育和育性发育调控机制、 显著两性异形导致优良生产性状发生的机制开展系统的研究；二是采用对研究对象的基因组的精细分析、 性别标记的研究成果与应用； 三是通过完善和构建的水产养殖动物基因功能研究技术体系， 致力于对候选性别调控关键基因的功能验证工作； 四是通过对多种不同进化地位的水产养殖对象的研究， 也将为开展水产养殖动物性别、 发育机制的演化进程的研究提供独特的系统证据， 从而奠定对发展新型性别控制理论和技术的坚实基础。

攻克水产养殖的关键难题

南方鲇（图片提供：王德寿）

长江所的鲟鱼性别特异性标记鉴定及特征分析工作辅助了农业农村部中华鲟保育和增殖放流中心等多个机构养殖的中华鲟、长江鲟，以及对鲟龙公司的俄罗斯鲟进行了性别鉴定，对其合理分配养殖资源、繁育、鱼子酱生产和增殖放流提供了技术支撑，图为中华鲟。（图片提供：阮瑞）

据了解这是我国首次针对水产养殖动物的性别分化和繁育过程开展研究的基础性项目。 该项目由在国内从事水产养殖对象性别发育和繁育研究优势的22 个单位的26 个团队共同组成。经过2年多的研究，已取得许多进展。①在大量的针对养殖动物的基因组分析与验证基础上，目前已发掘获得了包括中华鳖、罗氏沼虾、拟穴青蟹、施氏鲟、纹东方鲀等18 个物种共74 个性别特异分子标记和2 个性别特异片段，建立了对这些养殖对象的快捷及有效的性别特异分子标记鉴定技术； ②初步阐明了四指马鲅、假雌罗氏沼虾、三倍体牡蛎、海湾扇贝、暗纹东方鲀、线纹海马等一些新型养殖对象或育种材料的繁殖特性、性别和性腺发育调控关键分子鉴别，以帮助相关新型养殖对象在产业推广应用中的繁殖和苗种培育；③完成了全雌鲤和草鱼、伪雌鳖、全雄南方鲇、XX 全雌和XY 全雄群体罗非鱼等性别控制育种技术、单性个体培育和生长对比等实验， 并证明这些技术的应用， 可以显著提升草、鲤、南方鲇、罗非鱼等养殖产量和效率。在各门类水产养殖动物的性别发育和调控机制的原有研究基础方面，都已取得了长足的进步，尤其是针对性别确定的分子标记的确定方面，为相关鱼、虾、蟹、贝、参产业应用提供了有效的支撑，而在基础研究的技术方面，也在虾的基因编辑技术研发方面，取得了显著进展，将为未来虾类动物的基因功能研究提供强有力的研究手段， 从而大幅提升人类对虾类动物各种功能和调控机制， 包括性别发育调控理论与性别控制技术的突破奠定基础。

谈及项目的实际应用，项目负责人殷战说道：“多数的鲤科鱼类均表现出雌鱼的生长快于雄鱼的‘两性生长异形’的特征，因此，实现全雌鲤的养殖，便会较传统雌、雄混合群体的养殖提高产量。但此中理念的应用，因为大规模的雌、雄形态或遗传筛选区分雌、雄鱼苗而实现对雄鱼苗的剔除，仅对剩余的雌鱼苗进行全雌养殖来实现的， 那样的操作无疑伴随着大量的人力物力的投入。 ”

据介绍， 该团队开发出不依赖于外源激素活性物质处理的手段，获得稳定的“不含雄性性别决定遗传因子的雄鱼”的方法，具有独特的优势。 利用基因编辑手段， 发现对CYP17A1 单基因在黄河鲤中完全精准敲除后， 可以使所有的黄河鲤的性腺均稳定发育为精巢， 并可产生大量的高质量精子。 通过前期发掘的鲤雄性遗传决定分子标记进行筛选，从中选取了在遗传性别决定中，原本不含雄性遗传决定因子的黄河鲤， 这些鱼原本应该发育为产卵的雌鱼，但由于CYP17A1 基因的突变，使该群体也发育为产生精子的鱼，其精巢发育良好，并能稳定产生大量的高质量不含雄性性别决定遗传因子的精子， 利用这类精子与普通黄河鲤的卵子进行人工受精，2 年来已获得了近20 万尾黄河鲤鱼苗，由于其精子、卵子中均不含有雄性遗传决定因子，这些鱼苗长成以后的群体100%成为预期一样的雌性个体（cyp17a1+/-XX）。

科研与培训造福渔民

项目参加单位西南大学的王德寿教授告诉记者， 全基因组序列信息和性别连锁分子标记的研究， 为养殖南方鲇提供了有效的性别鉴定分子标记方法， 同时团队构建的的南方鲇的全基因组精细图谱及其功能分析成果也为针对南方鲇后续的功能研究提供了重要的信息、 注释信息和表达信息基础。 这些工作将为后续鲇鱼分子育种及新品种选育等应用研究工作的开展提供了完整的数据支持； 从而为南方鲇的遗传育种和性别决定机制研究提供了坚实的基础， 兼具基础研究和水产应用双重价值，成果达到了国际先进水平。

中国水产科学研究院黑龙江水产研究所在河北等主养区域推广人工合成同源三倍体虹鳟苗种120 万粒（尾）；支撑都江堰新联水产养殖有限公司虹鳟年产量可达2800 吨；在河南等地对140 余位水产基础技术人员和养殖户开展了多倍体养殖技术培训； 与北京市水生野生动植物救护中心签订了鲑鳟鱼类三倍体育种技术服务协议。 长江所的鲟鱼性别特异性标记鉴定及特征分析工作辅助了农业农村部中华鲟保育和增殖放流中心等多个机构养殖的中华鲟、长江鲟，以及对鲟龙公司的俄罗斯鲟进行了性别鉴定，对其合理分配养殖资源、繁育、鱼子酱生产和增殖放流提供了技术支撑。湖南农大团队于2019 年在湖南地区的中华鳖养殖示范面积达4440 亩， 通过中华鳖特有分子标记、关键候选基因筛选优质亲本等技术， 结合池塘生态养鳖模式的推广应用，创产值2139.20 万元，创利润824.24 万元。项目团队在项目执行期间，共培训养殖和技术人员6513 人；示范推广面积4880 亩；成果转让收入14.00 万元， 创产值2139.20 万元，创利润824.24 万元；带动当地经济增收500 万元。通过对接服务县域、企业，提供了技术扶持，促进了当地经济发展水平。对水生动物增殖放流、育种技术、 自然资源的保护和新种质开发等具有指导意义。

项目负责人殷战表示目前项目整体进展顺利，完成了预期研究内容，并通过科普与培训等活动，促进了产业获得众多水产养殖业的应用品系，具有很高的潜在社会经济价值。 将带领项目团队争取通过对更多的水产养殖动物基因组数据综合分析，发掘出1-2 种养殖动物的性别决定基因，并揭示其对性别调控的分子机制； 探讨水产养殖动物各门类间的性别分化调控， 获得动物性别发育调控的一般性演化规律。