服务于“蓝色种业”的海洋生物技术

秦 松, 孙 林, 王亚军, 刘正一, 王寅初, 张 健

(1.中国科学院烟台海岸带研究所, 烟台 264003; 2.宁波大学海洋学院, 宁波 315832;3.吉林农业大学生命科学学院, 长春 130118)

1 我国“蓝色农业”的发展情况

曾呈奎院士曾指出,“在我们三百万平方千米的蓝色国土里发展我国的蓝色农业是历史的必然”[1]。“蓝色农业”,即海水养殖业,是我国大农业的重要组成部分,在国民经济中占有重要地位[2]。“蓝色种业”是指在“蓝色农业”中应用的水产品种或品系,它的发展是“蓝色农业”持续发展的不竭动力。据联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)统计[3],过去30年间,渔业和淡水水产养殖总产量增势迅猛。根据FAO发布的《2022世界渔业和水产养殖状况》[4],全球水产养殖产量在2020年保持增长势头。水产养殖总产量中,水生动物产量为8 750万吨,主要供人类食用;藻类产量为3 510万吨,包括食物和非食物用途。

2 我国蓝色种业技术的发展历程

经过多年的发展,我国在鱼、虾、蟹、贝、藻、参等品种研发方面的蓝色种业技术已有巨大的进步和突破。我国水产新品种(系)的产生方式主要包括引进、本土选育、自交+选育、杂交+选育、引进种质研发和自有品系研发等6种方式(表1)。依托这6种主要方式,我国的蓝色种业技术已走在世界前列,为我国“蓝色农业”的快速发展打下坚实基础。

表1 我国水产新品种(系)产生方式(代表种/系)Table 1 The way to generate new aquatic aquaculture varieties in China (representative varieties)

2.1 我国水产新品种的产生方式

30年以来,我国已发展了多种主要的水产种质培育技术,并实现了规模化的应用,为鱼、虾蟹、贝、藻、参等水产物种养殖的提质和增产提供了技术保障。1996年,我国审批通过第一批水产新品种,至2022年12月,已审批通过了266个水产新品种(系),丰富了我国水产养殖体系。

蓝色农业发展历程主要表现在:

20世纪60年代,伴随海带人工栽培等技术的进步,以海带、紫菜养殖为代表的海水养殖的第一次浪潮在我国兴起。

20世纪80年代,伴随着工厂化育苗和池养技术的长足发展,中国对虾的养殖产量迅速增长,从而兴起了以对虾养殖为代表的海洋虾类养殖浪潮,也就是海水养殖的第二次浪潮。

20世纪90年代,我国在贝类引种育苗和吊养技术方面取得了突破性进展,使中国的海湾扇贝养殖产量迅速增加,达到了世界之最,兴起了以扇贝养殖为代表的第三次海水养殖浪潮。

20世纪末,雷霁霖院士首先从英国引进冷温性鱼类良种大菱鲆,突破了工厂化育苗关键技术,构建起“温室大棚+深井海水”工厂化养殖模式,开创了大菱鲆工厂化养殖大产业,最终形成了以大黄鱼、真鲷、鲈鱼等多种海水鱼类产量的突破和区域性推广为特点的第四次海水养殖浪潮。

21世纪初,针对海参、鲍鱼等海珍品过度捕捞导致的海珍品资源急剧衰竭的现象,我国在刺参、鲍鱼育种育苗和养殖技术上取得了重要突破。如刺参增殖放流高产技术、刺参控温工厂化养殖技术、利用地热水培育大规格刺参苗种技术、刺参池塘和围堰养殖技术等。以此兴起了以海参、鲍为代表的海珍品养殖的第五次海水养殖浪潮[5]。

图1 我国蓝色种业技术发展过程中鱼、虾、贝、藻部分标志性选育工作Figure 1 Some of the landmark work regarding the technological evolution of variety breeding of fish, shrimp, shellfish and seaweed in China

2.2 我国蓝色种业技术发展过程

从1950年开始,我国就开始了鱼类选择育种技术的开发和应用。1960年婺源县荷包红鲤研究所采用群体选育和家系选育相结合的方法,得到了纯系荷包红鲤,性状稳定,这是我国第一个通过选择育种获得的新品种[6]。随后陆续开展了水产品种的杂交育种技术、多倍体育种技术、雌/雄核发育育种技术、核移植育种技术、转基因育种技术、基因组育种技术等的开发和应用,目前已实现鱼、虾、贝、藻、参等多物种选育的全面技术创新与应用。

3 蓝色种业的主要育种技术及应用

3.1 传统育种技术

3.1.1 形态学标记选育

19世纪中期,孟德尔率先将形态学性状作为遗传标记。形态学标记是指直接利用生物的表型性状进行研究遗传多样性的方法[7]。从1952年开始,中国科学院海洋研究所对定向培育耐高温品种的海带进行了探索性工作。1962年,方宗熙等[8]利用定向选择技术,将海带连续自交,得到了海带新品种“海青一号”,这一品种的出现也标志着我国海洋生物遗传育种工作的开始。

3.1.2 杂交

杂交育种是一种利用具有不同遗传性状的亲本组合,结合亲本的优良基因,选择符合人类生产要求的表型性状的育种技术。自20世纪50年代以来,我国对鱼类属间及种间杂交育种进行了广泛研究,获得了一系列杂交鱼类,如杂交鲤、杂交鲫等(表2),取得了较好的经济效益[9]。1979年,蒋本禹等[10]对现有的高碘高产品种进行杂交,将两个品种的优势结合在一起,得到新品种“海杂一号”,产量高且育苗期间幼苗健壮病害少。

表2 杂交鱼的技术发展Table 2 Technological development of hybrid fish

3.2 生物工程育种技术

3.2.1 细胞工程育种

1979年,Uchimiya[11]发表了论文“Somatic cell engineering and breeding in higher plants”,首次使用了细胞工程一词。细胞工程是一种在细胞水平上进行遗传操作和处理的技术,以有针对性的方式修改或创造新的物种,或创造具有新遗传特征的细胞[12],包括细胞融合、细胞折合、单克隆抗体等[13-14]。

我国从70年代中期开始进行鱼类细胞工程育种的研究。蒋一珪等[15]将兴国红鲤与方正银鲫进行属间杂交,实验发现,异源精子会刺激银鲫卵子的雌核发育,同时影响雌核发育子代的一些性状,通过这种方式杂交得到的异育银鲫具有明显的生长优势。2019年,中国水产科学院黄海水产研究所利用远缘杂交育种技术培育得到了云龙石斑鱼,是我国利用细胞工程育种技术获得的鱼类新品系。海带育种方面,1973年起方宗熙等[16]开始了海带单倍体的研究探索,并首次获得了海带雌性孢子体,培育出若干雌雄配子体的无性生殖系。

3.2.2 转基因育种

1985年,朱作言等[17]获得转基因鲫鱼,开辟了鱼类转基因育种的新领域,同时建立了转基因鱼的理论模型。随着研究的深入和拓展,先后获得了转基因团头鲂、泥鳅、鲤和鲮等鱼类。将转基因技术应用于冠鲤的培育,开创了快速生长转基因鱼培育的序幕;通过导入免疫相关基因或干扰和抑制病原体特异基因, 获得抗病抗逆和品质改善的转基因鱼[18]。但截至目前,转基因鱼的生物安全,包括食品安全和生态安全问题,仍是亟须解决的关键问题[19]。

3.2.3 分子标记辅助育种

2006年Sakamoto等[20]应用分子标记辅助育种进行牙鲆抗病毒育种研究。分子标记辅助育种(molecular marker-assisted breeding, MAS)是一种利用与性状密切相关的分子标记直接选择具有显性等位基因或基因型个体的技术,它将分子生物学和基因组学研究的结果应用于水产种质的选育[21]。分子标记辅助育种在弥补传统育种过程中形态学标记数量少、环境影响大、选择精度低等缺点的同时,可以实现早期选择,进而提高育种效率[22]。

3.3 基因组育种技术

Meuwissen 等[23]提出了基因组选择的概念。该方法的原理是利用全基因组标记图谱信息结合表型信息来估计每个分子标记或染色体段的效应大小,并将所有效应大小相加,得到基因组育种值(genomic estimated breeding value, GEBV)。因此,基因组选择技术适合用于涉及复杂性状,如抗病性、抗逆性和品质等的选育[24-25]。截至2022年6月,已发表了66个甲壳类动物的基因组,涵盖了5类甲壳动物。在水产养殖中,基因组选择技术潜力很大,例如选择精度在生长性状方面提高了20%～30%,在抗病性状方面提高了10%～100%。美国在1997年9月正式启动了较为全面的水产养殖动物的基因组计划;挪威、法国和丹麦等国家与加拿大合作,早在1997年就发表了连锁图谱;英国和法国也走在了水产品基因组研究的前列,早在20世纪90年代初就开展了河鲀(Fugurubripes)的基因组研究;我国基因组育种技术起步相对较晚,但发展较快,成功完成了包括半滑舌鳎、牡蛎、鲤鱼、石斑鱼、大黄鱼等重要水产物种的全基因组序列测定和图谱绘制,并培育了一批水产新品种。

3.3.1 对虾基因组

对虾基因组是公认的高复杂基因组,以中国科学院海洋研究所相建海和李富花研究组为主导,在国际合作支持下,发表了第一张高质量凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)基因组参考图谱[26]。此外,基于分子标记和功能基因的分子选择技术也得到了发展,为基因组选择和改善对虾的经济性状提供了重要的技术支撑。斑节对虾(Penaeusmonodon)[27]、中国对虾(Fenneropenaeuschinensis)[28]和印度对虾(Penaeusindicus)[29]基因组也先后被破译。

3.3.2 贝类基因组

中国科学院海洋研究所张国范研究员和美国罗格斯大学郭希明教授于2008年共同启动了国际牡蛎基因组计划(OGP),并在2012年9月发表了牡蛎全基因组序列精细图谱[30]。中国海洋大学包振民教授团队完成了虾夷扇贝、栉孔扇贝、泥蚶等多种贝类基因组精细图谱绘制,深入解析了控制扇贝肌肉生长、足丝分泌、贝毒代谢、发育和性别决定等组学调控基础,并在探究动物发育与演化等方面取得多项新发现和新认识[31-34]。针对长期以来非模式生物全基因组分析手段匮乏而且费用过高等技术瓶颈,研究团队先后研发了2b-RAD、MethylRAD、MisoRAD、HD-Marker、2bRAD-M等一系列新型、高效的基因组学前沿技术[35-38],使低成本、高效开展非模式生物特别是水生生物全基因组分析成为可行。

2021年10月,中国海洋大学、青岛华大基因研究院等单位共同发起“M10K+ project”,即“万种软体动物基因组计划”。万种软体动物(冠轮动物/软体动物)基因组项目(M10K+),计划分3个阶段,历时十年,绘制万种贝类和其他冠轮动物的基因组图谱,建立基因组数据库,为动物的系统演化等重要科学问题提供有效和可靠的数据基础。

3.3.3 海参基因组

棘皮动物在海洋环境中普遍存在,具有重要的研究价值。在刺参之前,已明确的棘皮动物基因组有两个物种,即紫海胆(Strongylocentrotuspurpuratus)和长棘海星(Acanthasterplanci)。海参具有较高的经济价值,并在海洋沉积物生物循环等过程中发挥关键作用。因此,海参基因组的研究对理解自然界生物进化和生物学过程以及遗传育种具有重要意义。

Zhang等[39]完成了仿刺参(Apostichopusjaponicus)的全基因组精细参考图谱的绘制,这一研究成果也揭示了海参的特殊形态进化与再生潜能的分子基础。Li等[40]和Thimmappa等[41]利用多组学手段揭示了LAS基因介导的海参皂苷合成机制,解答了动物获得皂苷合成能力的进化起源之谜。

3.3.4 海水鱼基因组

我国是海水鱼类养殖大国,我国的海水鱼类养殖品种达到100多种,对主要养殖品种进行基因组分析,有助于鱼类遗传学、发育生物学等基础研究的发展以及养殖技术的创新,促进产业更好发展[42]。

自20世纪90年代中期以来,关于鱼类全基因组解码的研究一直在推进。美国于1996年启动了水产基因组计划,进行了虹鳟、斑点叉尾鮰、尼罗罗非鱼等水产养殖动物的全基因组测序。国内的鱼类全基因组测序起步于2009年,先后完成了半滑舌鳎、大黄鱼、黄姑鱼、石斑鱼等主要养殖品种的基因测序。自2002年红鳍东方豚全基因组测序最先完成,在随后的近20年内,完成了文昌鱼(Branchiostoma)、大西洋鳕鱼(Gadusmorhua)等80余种海洋经济鱼类的全基因组测序。近十年总获得129种海水鱼全基因组序列,2016年以来,越来越多的海水鱼类物种被测序,且随着测序技术的不断升级,还有大量的重测序基因组不断更新。

2019年9月21日由中国科学院水生生物研究所联合青岛华大基因研究院等单位共同发起了“万种鱼基因组计划Fish 10K”正式对外发布(图2)。相信未来的十年,我国的水产养殖会围绕种业不断创新,不断累积的基因组信息将提供更强有力的技术支撑,将获得更多更好的研究和产业化应用成果。

引自“万种鱼基因组计划”项目(http:∥fish10k.genomics.cn/)。图2 万种鱼基因组计划(Fish 10K)三个阶段任务及目标Figure 2 Three stages of the Fish 10 000 Genomes Project (Fish 10K) tasks and objectives

4 展望

伴随全球变化和人类活动的加剧,中国的近海环境发生了显著变化,如海洋酸化、海洋升温、富营养化等,且这些变化将可能成为中国海水养殖面临的常态。同时海水养殖的价值取向也发生了深刻的变化:在国家战略的背景下,海水养殖已从单一的生物质价值,逐步发展出了碳汇价值和生态服务价值,伴随国际上IMTA养殖理念的进步,对养殖品种生物质价值的计算,也由单一的养殖品种价值计算,发展到了单位时间、空间范围的多物种多营养级生物质的综合价值计算。

在以上背景下,育种技术的发展一方面需要适应海水养殖环境的显著变化,另一方面也需要对应满足新价值要求的性状需求。此外,种质资源的生态安全,如野生经济品种的保护,以及外来种质的生物安全控制也将成为育种技术需要关注的焦点,因此:

(1)建立国家级水产种质资源(物种、组织、遗传物质等)保藏中心,由国家立项支持开展重要水产养殖品种的基因组测序,并将测序数据共享,建立公共大数据平台。

(2)针对区域性养殖环境的变化开展适应性育种,培养适应升温、酸化、局部缺氧等典型环境胁迫条件的新品种(系)。除与生物质价值相关的传统优良性状外,特别关注目标品种与碳汇交易价值和生态服务价值相关的性状。

(3)针对生态型和装备型海洋牧场建设需求,分别定向培育有关品种(系)。

(4)强化外来引种的生态风险性评估,建立可落地的评估技术,建立并完善相应的法律法规。

(5)对野生种质建立有效的原位保护和迁地保护途径。对重要的经济性状基因通过建立基因银行等方式形成有效的室内保护途径。

(6)建立转基因品种的生态安全屏障,如通过阻断其有性繁殖的方式控制基因流动。

(7)进一步完善我国各种海洋生态混养体系(国际上称为IMTA)下各经济物种的综合价值计算依据和标准,以此为基础甄别出关联新价值体系的关键性状,从而为育种工作提供更加精准的方向。

致谢:感谢陈松林院士、王师教授百忙之中提供素材、指导写作!感谢李富花研究员、刘福利教授审阅本文并提出宝贵意见!感谢李成华教授、王全超博士对本文完成作出的贡献!