1、水产动物遗传育种研究进展摘要水产养殖是我国农村经济重要支柱产业之一。由于长期大规模的人工养殖,已出现了严重的种质退化现象,制约了水产养殖业健康发展。就目前水产动物优良品种培育所采取的新方法进行概述。 关键词水产动物;育种;转基因;性别控制;杂交育种;细胞工程 随着我国水产养殖面积的增加、养殖种类的增多以及生态环境的改变,对水产动物的种质资源的保护、优良苗种的需求尤显重要。如何获得生长快速、经济性状好、抗病能力强、抗逆性好的优良品种,将成为实现增产、增效的关键。 1 转基因技术 传统的育种方法是建立在利用种内遗传变异的基础上,而基因转移技术的应用打破了生物种间界限,使育种工作可以充分利用所有可利
2、用的遗传变异,利用人工方法超越自然界亿万年生物进化历程,创造出自然界原来没有的新品种或品系。转基因动物研究是基因工程技术在动物育种领域中的一次革命。1985 年朱作言等1-2将冠以小鼠重金属螯合蛋白基因启动和调控顺序的人 GH 基因,导入鲫鱼的受精卵,培育出世界上第一批转基因鱼。到目前为止,国内外已获得几十种转基因鱼,在促进生长、提高鱼类抗逆性、抗病性等方面取得了显著成绩。 转基因水生生物的应用前景:一是快速育种。传统的育种需经过多代反复选种交配才能育成优良品种。而转基因技术则可超越自然界的生物进化历程,在短时间内创造出自然界中原来没有的新品种或品系,这是常规育种难以比拟的。二是改良养殖性状。
3、转基因鱼的许多优良性状已被实验所证实:如生长速度得到很大提高,即所谓“超级鱼”;有的转基因鱼可提高饵料利用率;有的则表现出较好的抗病性和抗逆性。三是生产生物医药制品。通过转基因水生生物来生产生物活性物质以满足医药需要,如研制携带人类胰岛素的转基因鱼以提供胰岛素的研究。 2 性别控制 动物的性别控制是既古老而又神秘的课题,多少年来人们一直在不停地探索着。分子遗传学和分子生物技术的飞速发展,使得人们在基因水平上研究动物的性别控制的基因有了可能。针对动物的性别控制,已形成了一个比较完善的理论和技术体系,尤其是在基因水平上对哺乳动物进行有效地性别控制。在农业动物生产上性别控制技术的广泛推广应用,将带来
4、了巨大的经济效益。鱼、虾、贝类、藻类等已成为人类不可缺少的营养食品。由于过度捕获、污染、生态条件破坏等因素,水产生物资源已面临严重的威胁。因此,大力发展水产动植物的养殖业是生物资源的合理开发利用与可持续性发展的根本措施和策略。渔业科学工作者利用哺乳动物基因的保守序列,在水生或海水养殖动物中开展了相关研究,取得了一些初步研究进展。许多养殖动物因性别的不同,其生长速度和肉用品质存在着较大差别。如罗非鱼的雄鱼却比雌鱼长得快,中国对虾在体长 10 cm 雌虾生长速度明显快于雄虾。另外,大多数鱼类达到性成熟后,会把大部分能量消耗在性腺发育上。生殖期雌鱼的腹腔充满卵巢,充分成熟的鲤鱼卵巢最高可占体重的 2
5、6%30%,这样可食部分就相对减少,因此培育出一种性腺不发育的中性鱼在生产上就显得有意义3。 3 杂交育种 杂交育种技术作为一种不可代替的传统的遗传育种方法,在较长的时期内,将仍然是水生动物类育种工作的首选方法。传统的杂交育种方法具有周期长、投资大、费时费力等缺点,而现代分子生物学技术,特别是分子辅助育种已成为有效的育种工具。它是根据与某一性状或基因紧密连锁的标记的出现来推断该基因或性状从而进行选育的方法,可以增加选择的准确性,从而大大缩短杂交育种的周期。分子辅助育种在农作物中已经有较为成功的例子,但在水产类育种中,由于起步较晚,与经济性状相连的,可以用于选择的 DNA 标记报道较少,另外遗传
6、图谱、与目标基因紧密相连的经济有效的分子标记以及高效、准确、低成本而实用的自动化技术尚未建立,从而使得分子辅助育种的发展相对较缓。但随着分子生物技术的进一步发展以及各种图谱的建立和日趋饱和,分子辅助育种一定会发挥巨大作用。传统的育种方法与分子标记辅助育种相结合将是水产养殖育种的必然趋势。 4 细胞工程 4.1 染色体组工程 鱼类染色体的特点之一是可塑性较大,人们能够按照预先的设计,添加或消除同种或异种染色体组,从而产生新的物种。这种对染色体组进行人工遗传操作与加工的技术,称为染色体组工程,主要方式有多倍体诱导、人工雌核发育和雄核发育等,在增养殖上潜力较大的技术是雌核发育和三倍体育种。鱼类雌核发
7、育可分为天然雌核发育和人工雌核发育,对鱼类中天然雌核发育研究的比较清楚的是我国黑龙江水系的银鲫,它的生物学原理:一是卵子成熟分裂的特殊方式,其卵细胞在 DNA 复制后只进行 1 次成熟分裂,只排出第 1 极体,所以卵子的染色体不减少,仍保持与细胞相同的染色体数。二是卵子受精后的非两性融合,在受精过程中,不论是同种精子或异源精子,入卵后都呈凝质的固缩状态,不能核化成雄核原核,也不能与雌核原核融合。根据天然雌核发育的细胞学原理,人工诱导雌核发育包括 2 个重要方面:一方面是要使精子启动卵子发育的精核遗传物质失活,另一方面是使卵核染色体加倍。使精子遗传物质失活一般采用 r 射线或紫外线照射,因为成熟
8、卵子具有全部发育信息的潜能,与经过处理的精子受精可打开其发育的大门,但是单倍体胚胎容易出现单倍体综合症而不能成活,必须经过人工诱导二倍体的发生,胚胎方能正常发育,诱导二倍体发生可通过抑制受精后极体的外排,或是抑制第 1 次卵裂。鱼类雌核发育对当前鱼类育种工作具有很重要的应用价值,利用这种技术,可以快速建立纯系、稳定杂种优势及提高选择效率。 人工诱导多倍体的方法,概括起来有物理学方法,主要是冷、热休克和静水压处理等;化学方法,即药物诱变,如秋水仙碱、细胞松弛素 B、聚乙烯乙二醇及某些麻醉剂等;生物学方法,主要是远缘杂交。在精子入卵而第二极体尚未排出之时,对受精卵进行高温(热休克)、低温(冷休克)
9、、高压或化学药品等处理,阻止第二极体排出卵外,则可诱导出具有 3 组染色体的三倍体个体。如果抑制第 1 次有丝分裂,则可获得四倍体个体,四倍体鱼再和二倍体鱼杂交,也可获得三倍体鱼。三倍体鱼往往是不育的,这一特点对经济鱼类的养殖意义重大,它避免了性腺发育阶段和产卵季节鱼肉质量下降并延长了上市时间,避免了性腺发育时期的生长停滞和死亡率上升,减少了养殖成本,同时利用三倍体的不育性可以控制养殖鱼类的过速繁殖和防止对天然资源的干扰。我国吴清江等4以雄性红鲫与雌性兴国红鲤杂交,产生鲤鲫杂种,选择仅具 1 次成熟分裂的杂种卵子与散鳞镜鲤精子杂交,杂交后代中选择具有 3 套完整染色体的个体,成功地培育出人工复
10、合三倍体鲤新品种。刘筠5采用诱导产生四倍体与正常二倍体鱼杂交产生三倍体的方法获得了湘云鲤(工程鲤)和湘云鲫(工程鲫)。三倍体鱼表现出生长快、肉质好、抗病力强等特点,具有广阔的养殖前途。 4.2 细胞核质杂交技术 细胞核移植是应用显微操作,将一种动物的细胞核移入同种或异种动物的去核成熟卵内的方法。将一种动物细胞核移植到另一种动物卵细胞,由此发育成的杂种称核质杂种。细胞核移植的操作主要有供体和受体的准备、去卵膜、挑去卵核、分离囊胚细胞和移核等程序。我国在用细胞核移植技术培育鱼类新品种方面是有特色的,处于国际领先地位。1961 年童第周6率先在金鱼和鱼旁鱼皮中进行同种鱼的细胞核移植,证明细胞核移植也
11、可以在鱼类中进行。之后,童第周等在鱼亚科之间的细胞核移植,获得多种核质杂种鱼。在淡水鱼养殖上,已利用鱼类囊胚细胞核移植到不同属、不同亚科甚至不同目的去核卵内,得到 5 种核质杂种鱼,分别为鲤鲫、团草、罗非鱼鲤鱼移核鱼。细胞核移植技术,特别结合细胞培养技术,为水产养殖提供了新的养殖对象,它将为解决动物远源杂交不育、培育具有稳定性状的优良品种开创新的途径。 4.3 细胞融合技术 鱼类细胞融合技术指采用化学或物理的方法将 2 个或多个紧连的细胞融合成 1 个细胞。它改变了以往的传统鱼类育种方式,可按照人们的主观意愿,把来自不同组织类型的细胞融合在一起。鱼类细胞融合法在遗传育种、培育新品种等方面具有广
12、阔的应用前景,正日益成为生物技术和细胞工程中的热点。通过能产生免疫抗体的淋巴细胞和不断分裂的肿瘤细胞的融合,由此构建的杂交瘤细胞产生专一性很强的单克隆抗体,在快速、准确诊断鱼类的疾病方面很有意义。人工诱导鱼类细胞融合法大体经历了病毒融合法、化学融合法(其中的 PEG 法是应用较广的一种)、电融合法和激光微束融合法。现在一般采用将化学法、物理法结合起来进行。20 世纪 70 年代,国内曾报道过金鱼囊胚细胞之间以及金鱼囊胚细胞与哺乳动物腹水肿瘤细胞间的融合。阎康等7测定了聚乙二醇诱导草鱼体细胞之间、鲫鱼与草鱼体细胞之间的融合。余来宁等8采用电融合结合继代移核法,将对草鱼出血病病毒(FRV)有抗性的
13、草鱼肝细胞株(GLA)的细胞核移植到草鱼未受精卵内,获得了一批不同发育期的胚胎和存活的仔鱼。可见,用细胞工程育种的方法培育抗病鱼也大有前途。 5 参考文献 1 ZHU Z Y,HE L L,CHEN S. Novel gene transfer into the fertilized eggs of goldfish J. Z Angew Ichthyol,1985(1):31-34. 2 朱作言,许克圣,谢岳峰,等.转基因鱼模型的建立J.中国科学(B 辑),1989,B(2):147-155. 3 刘学,孙砚胜.虹鳟鱼雌性化及其鱼与酱加工的初步研究J.动物学杂志,2000,35(2):31-35. 4 吴清江,桂建芳.鱼类遗传育种工程M.上海:上海科技出版社,1999. 5 刘筠.中国养殖鱼类繁殖生理学M.北京:农业出版社,1993. 6 童第周.细胞核移植J.动物学报,1963,15(1):51-61. 7 阎康,陈敏客,陈宏缓.鱼类细胞融合的初步研究J.遗传,1984,6(6):19-21. 8 余来宁,左文功.用电融合结合继代移核方法构建草鱼抗病体细胞工程鱼J.水产学报,1996,20(4):314-318.
