鱼类性别决定机制及其控制技术

苏玉凤 韩卓然

(天津农学院水产学院，天津 300384)

引言

鱼类性别控制是水产动物遗传学研究领域的重要分支，在鱼类养殖管理、优良品种选育、提高养殖效益过程中发挥重要作用。在鱼类雌雄混养期间，如出现成熟期早、繁殖能力增强等现象，会使鱼类将大部分能量用于繁殖，从而降低种群总体生长率。部分经济鱼种雌雄个体间生长速率差异显著，呈现性别的二态性[1]。此外，某些鱼类的雌性配子或性腺具有重要的经济价值，如欧洲鳇鱼(Huso huso)的卵可制成售价不菲的顶级鱼子酱。因此，利用性别控制技术选育生长速度快、经济价值高的单性养殖品种是提高养殖效率及经济效益的重要手段。

1 鱼类的性别决定机制

鱼类的性别分化在进化上表现为多样性及易变性。特别是在硬骨鱼类中，其性别表型具有高度可塑性，易受养殖温度、密度、pH、外源性激素等外部环境因素的影响，并可与个体激素水平、遗传和表观遗传相关调控途径相互作用，不同程度参与调节鱼类性别分化的方向。鱼类性别决定机制是性别控制的基础，开展性别决定相关研究有助于育种方案和性别分化方向的选择及性别控制技术的实施。

1.1 遗传性别决定机制

鱼类决定性别的基因主要位于性染色体上，常见的性染色体一般包括XX-XY和ZW-ZZ 2种类型。携带XX-XY型染色体的雄鱼可以产生相同数量的X和Y染色体配子，而雌性只能产生X染色体的配子；大多数鱼类如鲤、鲫、鲢、鳙、草鱼、虹鳟等都属于这种类型。相反，携带ZW-ZZ型染色体的雄性鱼类却只产生1种配子，而雌鱼所携带染色体则为不同型，会产生2种染色体配子，如日本鳗鲡(Anguilla japonica)。然而，大量研究结果表明，仅有少部分鱼类性染色体存在异型现象，这可能是由于鱼类性别分化程度较低，或传统的细胞遗传学技术无法识别小规模的差异。如，早期细胞遗传学研究结果表明，三棘刺鱼(Gastrosteus acureatus)无异型性染色体对，但利用现代遗传学实验手段研究发现，其Y染色体存在翻转及缺失现象[2]；相似的，河豚(Takifugu rubripes)的X和Y染色体均存在单一SNP(单核苷酸多态性)变异[3]。

此外，鱼类性别不仅由性染色体决定，还由分布在常染色体上的次要性别决定基因决定。研究发现，鱼类性别分化趋势呈性别基因含量依赖型，即雌性决定基因含量若高于雄性，个体则发育为雌性，反之亦然，如斑马鱼(Danio rerio)等[4]。

1.2 环境性别决定机制

环境性别决定是指在鱼类发育早期阶段的特定时期，其性别分化方向由温度、光照或营养状况等外界环境条件来决定的，其中，温度是影响鱼类性别比例的主要环境因素。最早报道的温度依赖型性别决定(TSD)个体间差异与环境因子改变引起的波动有关，即在早期发育的敏感或不稳定时期，环境温度的变化可影响性别表型和性别比例。在大西洋银汉鱼(Menidia menidia)中研究发现，该物种在野外和人工饲养条件下中都可表现出TSD特征[5]。同时，TSD也被认为存在于哈奇氏牙汉鱼(Odontesthes hatcheri)中，该物种可以用提高养殖环境温度来培育单一雄性种群[6]。

除温度外，盐度、pH、溶解氧等其他环境变量也会影响鱼类的性别决定和分化。如，盐度会影响欧洲鲈鱼的性别决定，在性别不稳定时期，将欧洲鲈鱼从低盐度转移至高盐度养殖水体中会使其雄性性别比向雌性偏斜[7]。pH对性别决定的影响也已在鲷科鱼类和箭尾鱼中得到证实[8，9]，如与高pH值相比，低pH养殖环境可选育出更多的雄性西非短鲷(Pelvicachromis pulcher)个体[8]。低溶解氧浓度(缺氧)也可能使种群的性别比向雄性倾斜，如斑马鱼[10]。

在脊椎动物中，遗传性别决定(GSD)和环境性别决定(ESD)具有不同的时间模式，即GSD发生在受精期间，而ESD发生在性腺发育之前和开始的敏感期。理论上讲，与ESD物种相比，GSD物种不易受环境变化影响。然而，越来越多的研究表明环境也会影响GSD物种性别决定[11]。因此，温度升高会导致一些遗传性雌性分化出雄性表型，即发生性别逆转现象。

1.3 性逆转

鱼类对环境因素的敏感性使性逆转成为可能，这是一种表型性别在外界刺激后不再与基因型性别相对应的现象。如，养殖环境温度升高后，具有ZW染色体的鱼(基因型为雌性)可分化出精巢以及其他雄性特有的第二性征(表现型为雄性)[12]。部分在发育过程中具有易变期(也是敏感窗口或敏感期)的鱼类，其性腺会出现向雄性或雌性状态分化的现象，但当性腺完成分化，性别趋于稳定后，温度、pH等环境因素的刺激则不会对性别产生影响。然而，自然变性的鱼，其性腺直到成年前都可以对内源性或外源性刺激保持反应，如沿着大脑-垂体-性腺轴传递的刺激被认为可以诱导多种珊瑚鱼成鱼的性别变化[13]。

2 鱼类性别控制育种技术

2.1 种间杂交控制性别

某些鱼类的性别控制和孤雌生殖可以通过种间杂交实现。目前，在罗非鱼属中利用此方法实现性别控制的研究较为广泛，如将奥尼亚罗非鱼(Oreochromis aureus)和尼罗罗非鱼进行杂交后，可获得优势性别为雄性的奥尼罗非鱼；与亲本相比(雄性或雌性)，杂交后代生长速度和抗病力均显著提高。相似的，尼罗罗非鱼和荷那龙罗非鱼(Oreochromis hornorum)、尼罗罗非鱼和巨鳍罗非鱼(Oreochromis macrochir)、莫桑比克罗非鱼(Oreochromis mossambicus)和荷那龙罗非鱼间的杂交后代也可观察到明显的性别优势及生长特性[14]。

2.2 人工诱导雌核发育控制性别

在许多经济养殖鱼类品种中，雌鱼生长速度较雄鱼更快且成鱼体型更大；而雄鱼在长至可销售规格前性腺便已成熟，进而导致生长速率减缓。而混合养殖群体中的雌雄个体存在明显的体型差异，会导致养殖品种整体产量下降。因此，将经济效益高的混合养殖品种变为全雌养殖模式受到水产养殖业推崇。人工诱导雌核发育技术是通过物理或化学方法使精子失活，然后用失活的精子激活卵子，使卵子的染色体加倍，完全在母体遗传信息的控制下发育。对于纯合雌性配子种类而言，雌核发育产生的后代均为雌性(XX)，该技术在全雌性养殖鱼类的选育中具有重要意义，也为研究鱼类性别决定机制奠定了基础。目前，国内外水产工作者正在通过人工诱导鱼类雌核发育成功培育出雌核发育后代，包括金鱼(Carassius auratus)、鲇鱼(Silurus asotus)、鲤鱼(Cyprinus carpio)、小体鲟(Acipenser ruthenus)、鲫鱼等[15]。

2.3 温度控制性别

在鱼类中，不同的温度可诱导多种鱼类的性腺向雄性或雌性分化。大西洋银汉鱼是第一种被证明性别温度下(繁殖季节后期)偏向雄性[16]。而温度对南美银汉鱼(Odontesthes bonariensis)的性别决定影响更加显著，在17℃(雌性促进温度)和29℃(雄性促进温度)的环境温度下，其种群性别表型分别表现为完全雌性或完全雄性；在中等温度下则会产生混合性别种群[17]。岳敏娟[18]利用不同温度对未性分化的鲫鱼仔鱼进行培育，发现培育28d后低温组(16±1℃)、较高温组(30±1℃)和最高温组(34±1℃)雌鱼占比分别为40.8%、86%和68.2%，表明通过温度调节可人工诱导鲫鱼性别逆转。

此外，在温度决定期间，尽管许多鱼类中都存在性染色体，但环境温度的改变也可使性别发生逆转，如在尼罗罗非鱼分化的关键时期，当养殖水体温度高于32℃时，可显著提高种群雄性比率[19]。此外，Shigeho等通过高温处理改变了尼罗罗非鱼性腺中雌性性别分化基因cyp19a1a和雄性性别分化基因dmrt1的表达水平[20]，表明人工诱导性别逆转导致尼罗罗非鱼性别决定由GSD转变为ESD。

2.4 性别分子标记辅助育种

鱼类的性染色体分化程度较低，其性别很难通过性染色体形态学进行区分；同时，鱼类的性别易受到温度等环境因素影响，这往往导致鱼类生理表型和性别基因型无法对应。因此，建立一种可靠、直观的鱼类遗传性别鉴定法具有重要意义。目前，鱼类遗传学科学家利用AFLP(扩增片段长度多态性)、SNP、RAPD(随机扩增多态性DNA)、SSR(简单序列重复)和QTL(数量性状位点)等多种技术已在多种鱼类中成功鉴定到了大量的性别特异性标记，包括虹鳟(Oncorhynchus mykiss)、河豚、鲤鱼、大西洋比目鱼(Hippoglossus stenolepis)等[21]。近年来，通过高通量测序技术比较雌雄个体基因组差异成为寻找鱼类性别分子标记重要途径，为确定鱼类遗传性别和培育单性养殖鱼类新品种奠定了基础。

2.5 其他技术

鱼类基因工程的发展为直接控制参与性别决定或生殖成熟的基因控制鱼类性别提供了可能。其中，鱼类基因转移技术(gene transfer technology)和基因编辑技术(genome editing technology)是基因工程的主要技术手段，可通过靶向基因敲除、基因沉默等方式实现鱼类性别控制，目前已成功应用到大西洋鲑鱼(Salmo salar)、鲤鱼、罗非鱼、斜带石斑鱼(Epinephelus coioides)等经济养殖物种中[22-24]。CRISPR-Cas9基因编辑技术是对靶向基因进行特定DNA修饰的技术，该技术成果已应用于鱼类基因组精确修饰。在罗非鱼中通过CRISPR-Cas9手段敲除位于雄鱼Y染色体上的重要性别决定基因amh(抗缪勒管激素)，导致XY型罗非鱼发生性逆转，全部变为生理雌性个体[22]。同样，在斜带石斑鱼中，过表达amh基因可诱导其发生由雌到雄的性别转变[23]。此外，Zhai等利用靶向基因敲除技术获得cyp17a1(17α-羟化酶)基因缺陷鲤鱼，随后选取具有XX基因型的雄性鲤鱼与野生型雌性进行交配，所获得的cyp17a1+/-XX雌性鲤鱼性腺发育正常，且体重较普通鲤鱼具明显优势[24]。因此，利用基因工程技术进行鱼类性别精准控制在水产养殖鱼类育种过程中具有极高潜力。

3 展望

目前，尽管由于遗传信息和基因组资源的缺乏造成对鱼类性别基因和性染色体的认识仍十分有限，但关于鱼类性别决定机制及控制手段的研究仍取得显著进展。这主要是因为高通量DNA测序技术的快速发展、基因组和转录组数据的大量积累以及比较系统发育方法的广泛应用，极大地推动了鱼类性别决定的遗传基础研究步伐；同时，许多性染色体特异性分子标记也已成功应用于水产养殖。此外，基因工程技术手段的开发及应用，使在鱼类中对参与调控性别的相关基因的功能研究更具可行性。相信随着基因工程技术及相关生物技术的不断发展，研究性别差异和性别决定的遗传基础以及性别控制育种的生物技术方法将进入一个新的时代。