海洋生物技术在鱼类遗传育种中的应用

1、海洋生物技术在鱼类遗传育种中的应用摘要：海洋生物技术是以现代生命科学知识为基础来开发海洋、利用海洋的一门新兴学科，是直接或间接利用海洋生物或其成分，来达到既定目标的一类技术。近年来，海洋生物技术在水产领域中的发展日益迅速，并体现出极高的应用价值和经济价值。它对解决水产业中的技术难题、开拓新领域、改造传统产业具有十分重要的作用。本文就海洋生物技术在鱼类遗传育种中的应用作一简要综述。关键词：海洋生物技术; 水产养殖; 鱼类; 遗传育种随着海洋在沿海国家可持续发展中的战略地位的日益突出,以及多层面的开发利用海洋生物资源的社会需求日益增长,近20年来,海洋生物技术受到了高度的重视,这不仅表现在美国、日

2、本、挪威、澳大利亚、英国、德国等发达国家先后制定了国家发展计划,把海洋生物技术确定为21世纪优先发展领域,而且发展中国家,如中国、韩国、墨西哥、印度及东南亚各国等,也不失时机地把海洋生物技术的研究提到国家发展的日程上来。中国在1996年把海洋生物技术研究正式纳入国家高新技术研究发展计划 (863计划)1。随着大部分陆地资源和海洋生物资源的充分甚至过度利用, 各国决策者已经或正在认识到,水产养殖业的健康发展既是确保全球粮食安全和促进经济可持续发展的一个不可或缺的环节, 也是全球海洋开发浪潮中的一个重要活动领域2。海洋生物技术的全面发展给水产养殖学科的产生和发展提供了更为成熟的理论基础，不仅解释了

3、水产养殖中一些理论基础，而且解决了很多水产养殖中困扰已久的难题。越来越多的自然科学技术被应用到水产动物遗传育种、水产动物营养与饲料、疾病诊断、免疫防控、水质调控以及水产品质量安全检测等方面3。渔业发展的基本问题是“种苗”。目前，我国开展的水产养殖动植物种类已有近百种，但是除了少数种类如海带与紫菜外，基本上都没有进行过比较系统的品种选育与改良工作，养殖品种的良种化已成为亟待解决的问题。海洋生物技术在品种培育上的应用主要有DNA分子标记技术、人工雌核发育技术、人工多倍体诱导技术、转基因技术及细胞融合技术等 3-4。1 DNA分子标记技术DNA分子标记(DNA molecular marker)是以

4、生物大分子物质DNA的多态性为基础的遗传标记，它能够稳定遗传，且遗传方式简单，可以反映生物的个体和群体特征。与形态学标记、细胞学标记、生理生化标记相比，由于它具有标记位点多、特异性强、标记稳定可靠、遗传信息量大、实验重复性强、不受生物的年龄、发育阶段、性别和养殖环境条件的影响等特性，因此，自问世以来DNA分子标记倍受遗传学家和育种学家的青睐,特别是随着PCR技术的兴起和电泳技术的不断完善，DNA分子标记技术在遗传育种中的重要性日益明显。目前,它已被广泛地应用在基因定位、品种鉴定、资源评价、物种亲缘关系和系统演化分析、分子标记辅助选择等许多方面5。应用于海洋生物遗传育种领域的DNA分子标记技术有

5、限制性酶切片段长度多态性技术(Restriction Fragment Length Polymorphism, RFLP)、DNA指纹图谱技术(DNA Fingerprint)、扩增片段长度多态性技术(amplified fragment length polymorphism, AFLP)、随机扩增多态性DNA技术 (Random amplified polymorphic DNA, RAPD)、序列特异性扩增区技术(Sequence Characterized Amplified Region, SCAR)、DNA测序以、SSLP (simple sequence repeat leng

6、th polymorphism)技术、线粒体DNA标记技术及聚合酶链式反应-单链构象多态技术(PCR-SSCP)等5-6。目前，一些常用的分子标记如RAPD、AFLP和微卫星等，已被广泛地应用到鱼类遗传育种的研究中。孟宪红7采用RAPD技术对真鲷野生群体及人工繁殖群体进行了DNA多态性检测，认为真鲷野生群体及人工繁殖群体的遗传多样性较为丰富，但人工繁殖群体的遗传多样性低于野生群体。王志勇等8利用AFLP技术研究了我国沿海真鲷群体的遗传变异，结果显示：北部湾群体的变异量最低，它与威海群体的遗传差异显著，两者明显属于相互独立的不同亚种群。刘云国9应用10对微卫星引物对普通群体、感病群体、抗病群体3

7、个牙鲆群体进行了群体遗传多样性分析,结果表明：感病群体和抗病群体2个选择性养殖群体的遗传多样性降低，为筛选和鉴定抗病牙鲆品系提供了依据。2 人工诱导雌核发育技术人工诱导雌核发育(artificially induced gynogenesis)是指采用物理或化学方法使精子遗传失活，再以这种精子激活卵子，但精子不参与合子核的形成，卵子仅靠雌核而发育成胚胎的技术10。目前，已成功培育出红鲤(Cyprinus carpio)、斑马鱼(Brachydanio rerio)、尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)、莫桑比克罗非鱼(Oreochromis mossambicus)、稀有鮈

8、鲫(Gobiocypris rarus)等多个人工雌核发育品系，为研究鱼类性别决定机制、单性养殖及养殖新品种的开发研究和生产实践提供了极为宝贵的素材3。人工诱导雌核发育在快速建立纯系、性别控制、性别遗传机制分析及选育新品种中发挥着重要作用。2.1 建立纯系吴清江等首先提出了以人工雌核发育与人工性别调控相结合的方法快速建立纯系的新途径，并以其创立的技术途径仅用2代就培育出红鲤8305纯系11。Treisinger等和Yamamoto12也用相似的方法先后建立了斑马鱼和比目鱼(Paalichthys olivaceus)的纯系。王忠卫等13更是在结合人工雌核发育和人工性别控制的基础上,通过分子遗传

9、标记筛选方法,仅仅经过1个世代就建立了鲢(Hypophthalmichthys molirix)、鳙(Aristichthys nobilis)的纯系。这无疑为建立生活周期较长的种类的纯系节省了大量的时间和物质。2.2 性别控制在鱼类养殖中，性别控制具有提高群体生长率、控制繁殖速度、延长有效生长期、提高商品鱼的品质等重要意义。如罗非鱼，因其雄鱼比雌鱼长得快，并且性成熟早，易繁殖，进行单性养殖，不仅可以提高单位面积产量，而且可以控制其繁殖速度，进而控制养殖密度。另外，单性养殖减少了生殖能量的消耗，从而提高上市商品鱼的规格和肉质。雌核发育鱼比普通鱼具有明显的生长优势，这一点已经得到证实，因而人工诱

10、导雌核发育技术为控制鱼类性别提供了一条具有潜在应用价值的新途径10。吴清江等通过人工性逆转将雌性散鳞镜鲤(Cyprinu carpiovar)培育成为功能性的雄鱼，使之与人工雌核发育纯系红鲤8305杂交产生全雌鲤，其生成速度较普通杂交鲤快45%。这为利用人工雌核发育技术培育全雌鱼提供了切实可行的方法。目前我国科学家已应用雌核发育技术培育出了全雌牙鲆,并显示出了良好的生长优势和市场前景。2.3 性别遗传机制分析鱼类属于低等脊椎动物，其性染色体异形的分化及性染色体机制尚处于低等阶段，因而鱼类遗传性别的染色体决定机制就比较复杂。采用传统的方法，对鱼类，特别是对染色体细小，且数目众多的鱼类进行性别遗传

11、机制的鉴定，存在一定的困难。人工雌核发育技术为确定鱼类的性别遗传机制提供了一条便捷的途径。采用这一技术，只须确定人工诱导雌核发育所获得的子代的性别就可以了。如果全是雌性，则表明该种群的雌性为配子同型；假如为全雄(假定WW超雌个体不能成活)，或是雌、雄个体数目大致相同，则可断定该种的雌性为配子异型10。Galbusera等14就用这一方法确定非洲鲶鱼(Clarias gariepinus)的性别决定机制是雌性同配。另外，Campos-Ramos等15应用人工雌核发育技术并结合性转换和荧光原位杂交技术来研究莫桑比克罗非鱼的性别决定机制，发现常染色体对其性别决定有影响作用。2.4 选育新品种虽然减数

12、雌核发育的子代是杂合体，但Arai16认为通过连续2代、3代甚至更多代的减数雌核发育能培育出等基因的品系，这种雌核发育鱼，因其体内基因的高度相似性而不易发生同种移植的排斥反应。Kobayashi16通过连续进行减数雌核发育培育出了等基因虹鳟，并使其保持了快速生长的性能。鱼体中难免含有一些有害的隐性基因或致死基因，这些不利基因均以杂合型存在而不表现在外。通过人工诱导雌核发育，可使其有害的隐性基因和致死基因显现出来，从而加以淘汰，选育出抗病能力强的新品系。另外，异源精子生物学效应的存在使得利用人工雌核发育技术通过种内或种间的基因交换来培育新的优良品种成为可能。3人工多倍体诱导技术鱼类多倍体育种属于

13、“染色体组工程”的范畴。由于三倍体在生长优势、群体产量及抗病力等各方面都有二倍体所无法比拟的优势，因此多倍体育种研究对水产养殖具有重大的意义。同时，由于三倍体鱼具有不育的特性，三倍体的培育对控制养殖鱼类的过度繁殖和保护天然种质资源也具有极其重要的意义17。早在 20 世纪 70 年代中期，我国就开展了鱼类多倍体育种研究，至今，已在鳙、鲫、草鱼、鲢、大黄鱼、真鲷、斑马鱼、团头鲂等鱼中获得了四倍体鱼和三倍体鱼18。4转基因技术转基因技术是指将外源基因或体外重组的基因结构转移到动物受精卵内成一个新的融合基因，使其在动物体内整合和表达，产生具有新的遗传特征或性状的动物，并能将新的遗传信息稳定遗传给后代

14、，获得转基因系或转基因群体；或者将外源基因在特定调控元件作用下在某些宿主组织中进行独立的复制，并在一定时间内表达外源蛋白。前一种是一种永久性地表达，又称为整合表达，这种表达可以遗传，对改变动物的性状意义重大；后一种是一种暂时性表达，不能遗传给后代，只在当代表达19。世界上第一批转基因鱼问世以来, 以提供优质食品蛋白来源为目的, 迄今已成功研制了 30 多种转基因鱼, 这些转基因鱼包括了世界水产养殖的许多重要品种, 如鲤鱼(Cyprinus carpio Linnaeus)、罗非鱼(Tilapia mossambica Peters)、鲇类(Silurus asotus Linnaeus)及鲑鳟

15、鱼类(Salmo salar Linnaeus)等。 经遗传改良后的转基因鱼具有生长速度快、饵料转化效率高、抗冻耐寒、抗病能力强等优良性状20。5 杂交育种技术杂交是育种广泛采用的一种手段，杂交不仅能够丰富遗传结构，使不同类型的亲本优良性状得以结合，提高杂交后代的生活力，还能产生亲本从未出现过的优良性状，获得杂种优势，杂交育种周期短，效果明显，一般在子代即可表现出杂种优势21。在水产领域，杂交育种在品种改良、新品种培育等生产实践中发挥着非常重要的作用。Steffens 等22使用鳇(Husohuso)×小体鲟(Acipenser ruthenus)进行杂交、回交，获得的杂交鳇鲟鱼完全

16、可育，可在咸淡水生活，易于养殖，可提前性成熟且不需要溯河产卵； 美国的 Dunham 等23用长鳍鮰(Ictalurus frucatus)×斑点叉尾鮰(I.punctatus)杂交，获得的杂种具有明显的杂交优势，其生长速度要比双亲快 30% 以上; 我国在 20 世纪 50 年代以来，进行了大量的鱼类属间及种间杂交育种的研究工作，获得了“丰鲤”、“荷元鲤”、“三杂交鲤”等杂交种，具有明显的杂交优势，并育成“建鲤”和“松浦鲤”等新品种，取得了较为显著的经济效益24杂交育种在海水鱼类的研究中起步较晚，但随着繁育技术的不断完善，海水鱼类的杂交工作也取得了较大的进展。例如，美国利用白鲈(M

17、orone chrysops) × 条纹鲈(M.saxatilis) 进行正反交培育出的杂交种均具有明显的杂交优势，生长较亲本快，在抗逆和抗病能力上均高于亲本，此杂交种已在美国开展了大规模的人工养殖25。单保党26用真鲷(Pagrosomus major) × 黑鲷(Sparus macrocephalus) 进行正反交，其杂交仔鱼的发育速率均比对照组(真鲷×真鲷、黑鲷×黑鲷) 快。6 展望海洋生物技术研究的快速发展得益于基础生命科学技术的创新和进步，全基因组测序与结构基因的分析及生物技术应用、DNA提取纯化和分子分析的自动化等无疑大大提高和扩展了海洋生

18、物技术的研究水平和应用范围1。在我国海洋生物技术还是一门年轻的学科，需要加强研究力度。另外，目前我国的水产养殖业基本上还处于传统型，养殖品种的良种化仍是亟待解决的问题。将海洋生物技术应用于水产动物遗传育种的研究，不仅有利于防止种质退化、选育优良品种和对养殖品种的遗传改良，而且还有利于野生种质资源的恢复、保护，从而使水产动物健康养殖走上可持续发展的道路。参考文献1 唐启升, 陈松林. 海洋生物技术前沿领域研究进展J. 海洋科学进展, 2004, 22(2): 123-129.2 王光辉, 余云军, 于会国. 水产养殖发展与生物多样性保护J. 海洋开发与管理, 2007, 24(5): 110-1

19、14.3 谢朝阳. 生物技术在水产养殖中的应用J. 水产科技, 2010, 1: 1-6.4 周进, 黄捷, 宋晓玲. 海洋生物技术在水产养殖中的应用J. 北京水产, 2003, 5: 11-15.5 尹绍武, 黄海, 雷从改, 等. DNA 分子标记技术在海水鱼类遗传育种中的应用与展望J. 海南大学学报 (自然科学版), 2007, 2: 022.6 栾会妮, 姚维志, 孙志明. 分子标记技术在水产育种与种质鉴定中的应用J. 水利渔业, 2004, 24(4): 4-7.7 孟宪红, 孔杰, 庄志猛, 等. 真鲷自然群体和人工繁殖群体的遗传多样性J. 生物多样性, 2000, 8(3): 2

20、48-252.8 王志勇, 邱淑贞. 利用 AFLP 指纹技术研究中国沿海真鲷群体的遗传变异和趋异J. 水产学报, 2001, 25(4): 289-293.9 刘云国, 陈松林, 李八方, 等. 牙鲆选择性养殖群体遗传结构的微卫星分析J. 高技术通讯, 2006, 16(1): 94-99.10 李卢. 人工雌核发育在鱼类遗传育种中的应用J. 水产科技情报, 2006, 33(2): 56-59.11 吴清江, 叶玉珍, 陈荣德, 等. 雌核发育系红鲤 8305 的产生及其生物学特性J. 海洋与湖沼, 1991, 4.12 Yamamoto E. Studies on sex-manipul

21、ation and production of cloned populations in hirame, Paralichthys olivaceus (Temminck et Schlegel)J. Aquaculture, 1999, 173(1): 235-246.13 王忠卫, 叶玉珍, 周建峰, 等. 快速建立鲢, 鳙纯系的初步研究J. 自然科学进展, 2003, 13(10): 104-107.14 Galbusera P, Volckaert F A M, Ollevier F. Gynogenesis in the African catfish Clarias gariep

22、inus (Burchell, 1822): III. Induction of endomitosis and the presence of residual genetic variationJ. Aquaculture, 2000, 185(1): 25-42.15 Campos-Ramos R, Harvey S C, McAndrew B J, et al. An investigation of sex determination in the Mozambique tilapia, Oreochromis mossambicus, using synaptonemal comp

23、lex analysis, FISH, sex reversal and gynogenesisJ. Aquaculture, 2003, 221(1): 125-140.16 Arai K. Genetic improvement of aquaculture finfish species by chromosome manipulation techniques in Japan J. Aquaculture, 2001, 197(1): 205-228.17 吴萍. 我国鱼类多倍体育种的研究进展J. 上海水产大学学报, 2005, 14(1): 72-78.18 孙远东, 谭立军, 唐新科, 等. 鱼类人工多倍体育种的研究进展J. 现代生物医学进展, 2008, 8(9): 1778-1779.19 范艳君, 朱