鱼类育种技术研究进展

鱼类育种技术研究进展 摘 要：我国海淡水鱼类近5000种，其中海水鱼约占三分之二，淡水鱼约占三分之一，鱼类养殖种类数由60年代的十多种增加到目前的百种左右，养殖产量也得到相应提高。建立先进的鱼类育种技术体系和育种研究创新平台、提高鱼类遗传育种的效果和种苗质量对促进水产养殖业的健康发展具有重要意义。本文阐述了鱼类遗传育种的技术及其当前的发展动态，分析了现代生物技术在鱼类育种中的应用概况，探讨了鱼类遗传育种的发展趋势，旨在为鱼类新品种选育提供理论依据与参考。关键词：鱼类；育种；技术；研究进展Progress in Fish Breeding Technology Abstract：Freshwater fishes of the sea of nearly 5,000 species, of which about two-thirds of marine fish, freshwater fish account for about one-third of the number of types of fish farming dozen 1960s to the current hundred or so, aquaculture production also increased accordingly. Establishment of advanced technology systems and breeding fish breeding research and innovation platform to improve the effectiveness and quality of fish breeding seedlings to promote the healthy development of the aquaculture industry is important. This paper describes the technology and its current developments fish breeding, and analyzes the application of modern biotechnology in fish breeding overview discusses trends in fish breeding, fish breeding new varieties designed to provide theoretical basis and reference.Key words: Fish; Breeding; Technology; Progress近年来，我国的渔业产量和养殖规模一直居世界首位，但从总体上来看，依然需要高效、优质、抗病力强的养殖品种。纵观世界水产行业都因良种的突破性成果而得到了提高和发展，而水产养殖发达国家，良种繁育和品种改良也都被列为重要的研究课题，所以通过传统育种和现代生物技术对鱼类进行品种选育和遗传改良，获得具有优良性状的优质苗种，对促进水产养殖业向高产、优质、持续、健康方向发展具有重要意义1。早在公元前9000年左右人类就开始驯化野生动物，但直到公元1750年之后才开始进行现代意义上的动物选种2。动植物育种的科学理论在20世纪初期建立起来3。所谓育种，就是应用各种遗传学方法，改造生物的遗传结构，以培育出高产优质的品种。到20世纪60年代，随着遗传学和其它自然科学的不断发展，大大扩大了生物遗传改良的范围，除了目前应用最广泛的传统的选择育种和杂交育种方法外4,5，还发展了辐射诱变育种、化学诱变育种、单倍体育种、多倍体育种、体细胞杂交、细胞核移植、抗性育种、染色体工程以及基因工程等方法6。近年来，各种遗传育种技术和方法被广泛应用于鱼类的遗传改良并取得了一定的成效，培育出部分鱼类新品种。本文就鱼类遗传育种的方法及其发展动态进行了系统的综述，分析了现代生物技术在鱼类育种中的应用概况，探讨了鱼类遗传育种的发展趋势，旨在为鱼类新品种培育提供理论依据与参考。1 选择育种选择育种又称系统育种，是一种经典的新品种培育方法，它是对一个原始材料或品种群体实行有目的、有计划的反复选择淘汰，从中分离出一些经济性状表现显著优良而又稳定的新品种7。任何一种育种方法最终都要经过挑选亲本进行繁殖这一步骤，可以说选择育种是育种工作中最根本的方法。鱼类选择育种的常用方法有: 家系选择、亲本选择、混合选择和综合选择等。鱼类选育中最成功、成效显著的为虹鳟(Oncorhynchus mykiss) 的选育。美国、日本等国从20世纪初就开始对虹鳟进行选择育种，其中最成功的是美国华盛顿大学的道纳尔逊经23 年研究育成的 “超级虹鳟”。目前经过选育的虹鳟形成了多个品系。挪威国家水产研究所利用分子标记技术与传统的选择育种相结合对大西洋鲑进行选择育种，提高了幼鱼的成活率、生长率和饲料转化率，获得了巨大的经济效益7。我国在选择育种方面的成就主要集中在淡水鱼种。目前已成功选育出了荷包红鲤(Cyprinus carpiowuyuanensis)、兴国红鲤(Cyprinus carpiovarsinguonensis)、荷包红鲤抗寒品系、彭泽鲫(Carassius auratusvarPengzesis)、德 国镜鲤(Cyprinus Carpio L)选育系 F4、团头鲂(CarnisMegalobramae)、“浦江1号”、甘肃金鳟、“夏奥1号”、奥利亚罗非鱼(Oreochromisnilotic)、新吉富罗非鱼(GIFT，Oreochromis niloticus)、松浦镜鲤(Cyprinus carpio Songpu carp)等近10个新品种和新品系6。2 杂交育种杂交是指通过不同基因型的个体之间的交配而获得双亲基因重新组合的个体的过程，是育种广泛采用的一种手段，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，获得具有杂种优势的新品种8。虽然杂交育种的研究在水产品种有广阔的前景，但应注意选择合适的杂交对象，尽可能避免杂交育种的盲目性，又要高度重视杂交生物可能对自然种群造成的生物污染9。2009-2010年，辽宁省凤城市鱼种场根据鱼类杂交一代优势育种途径，选择德国框鲤做父本，散鳞镜鲤(Cyprinus carpio)做母本进行杂交育种试验，成功培育出了抗病力强、生长快、成活率高的杂交一代鲤鱼苗种，提高养殖抗病力和养殖产量10。浙江海洋学院通过燕尾红剑与鸳鸯剑杂交以及连续回交获得体色为红底黑纹的长鳍剑尾鱼，暂名长鳍鸳鸯剑(燕尾红剑鸳鸯剑)。选取杂交子代群体中出现的红底黑条纹且观赏性好的长鳍鸳鸯剑与鸳鸯剑进行连续4次的回交，如此连续选育5个世代，子代中红黑体色的个体的比例从45.1%增加到90.1%11。珠江水产研究所采用种内杂交的方法，集中不同群体优点作为基础群，以斑鳢(Channa argus)雄鱼为父本，乌鳢(Channa maculata)雌鱼为母本，通过生态调控和激素催熟等方法强化培育亲本，解决两种亲本之间的性腺发育不同步的问题，获得生长速度大幅提高的超级杂交鳢-乌斑鳢(乌鳢斑鳢)12。2009年广东省、海南省分别培育斜带石斑鱼(Epinephelus coioides)赤点石斑鱼(Eakaara) 、赤点石斑鱼斜带石斑鱼、斜带石斑鱼鞍带石斑鱼(Elanceolatus)、棕点石斑鱼(Efuscoguttatus)鞍带石斑鱼4种杂交石斑鱼苗，其中，棕点石斑鱼鞍带石斑鱼的杂交种产量最高，饲养2个月，体长约是母本的1.4倍，体重约2.1倍； 斜带石斑鱼鞍带石斑鱼的杂交种饲养3个月，体长约是母本的1. 6倍，体重约4倍； 并且该两种杂交种都具有较强的抗病性13。杨少森14利用斜带石斑鱼鞍带石斑鱼进行杂交，结果表明所选亲本组合相容性较好，杂交后配子能正常受精孵化，孵化后杂交子代生长发育正常，且杂交 F1仔、稚、幼鱼阶段在生长速度上表现出杂种优势。通过杂交获得的杂种可以采用遗传标记的方法来鉴定杂种具有的优势。常用的细胞遗传学标记方法主要有染色体核型分析和荧光原位杂交技术。染色体核型又称染色体组型，是依据处于细胞分裂中期浓缩的染色体的形态建立的，是区别物种的基本遗传学依据。2002 年，叶星等15采用活体肾细胞直接制片的方法制备了广东鲂团头鲂杂交F1的染色体制片，结果均表明染色体核型可用于杂种的鉴定。荧光原位杂交是20世纪80年代末期发展起来的一种非放射性原位杂交技术，该方法具有易操作、安全、快速、探针稳定、检测信号、强杂交特异性高、同时显示多色多个不同探针的杂交信号等优点，因而在分子细胞遗传学领域受到广泛关注。2007年，王世锋16运用传统的核型分析、染色体显带技术及FISH技术构建了六种石斑鱼的系统进化树，同时揭示了石斑鱼属染色体的进化规律。3 转基因技术育种中国是世界上第一个培养出转基因鱼的国家。1985年，朱作言等人将人的生长激素注射到泥鳅和金鱼的受精卵中，成功地获得了转基因鱼并建立了第一个完整的转基因鱼模型17,18。随后，世界各国为了提高鱼类代谢、适应环境及抗病能力，先后对鲤鱼、虹鳟、斑马鱼、罗非鱼、大西洋鲑等二十多种鱼类进行了转基因的研究19,20。目前主要使用的转基因方法有显微注射、精子携带和基因枪等。转基因育种相对传统的鱼类选育种而言，具有育种周期短、优良性状遗传稳定的优点，然而，目前获得的转基因鱼并不是一个遗传上的稳定品系，转移基因的定点整合和转基因鱼纯系的建立是解决这一问题的关键，同时，转基因鱼的生态安全性及食用安全性仍有待于研究。尽管如此，就国际上动物基因转移研究的整体水平和进展而言，转基因鱼极有可能成为第一个进入商品化的转基因动物21。4 多倍体育种鱼类多倍体育种是目前鱼类育种的重要方法之一。人工诱导多倍体的方法归纳起来不外乎生物学方法(远源杂交、核移植、细胞融合等)、物理学方法(热休克、冷休克、电休克、静水压处理等)、化学方法(秋水仙素、聚乙二醇等) 。在多倍体技术中，最常用的为三倍体技术，主要是利用其不育的特点。三倍体鱼通常具有成活率高、生长快、抗病力强等特点，具有广阔的应用前景22。迄今为止，已获得了大西洋鲑、斑点叉尾鮰、硬头鳟、银大麻哈鱼、虹鳟和美国红点鲑等20余种鱼和杂交种的三倍体，以及鲟、斑点叉尾鮰、硬头鳟等的四倍体23。人工诱导多倍体的方法较多，但诱导率、孵化率和鱼苗成活率低，难以掌握其准确刺激时间和刺激强度，缺少准确有效的倍数鉴定方法，同时存在有性生殖、单性生殖，使鱼类多倍体的生化特性和基因表达变化多样24。5 单性化育种鱼类的雌雄生长存在差异，有的鱼类是雌鱼生长快于雄鱼(如鲤、鲫、草鱼等)，也有的鱼类是雄鱼生长快于雌鱼(如莫桑比克罗非鱼等)。因此，通过人工控制性别的途径获得生长快速的单性鱼并应用于生产已成为育种重要手段。单性化育种主要由雌核发育和雄核发育组成。雌核发育又分天然雌核发育和人工诱导雌核发育。人工诱导两性繁殖鱼类的雌核发育包括两个方面： 精子染色体的遗传失活以及卵子染色体的二倍体化25。诱导雌核发育可用来研究鱼类性别决定机制的判别和基因定位、数量性状遗传分析、基因型与环境之间的相互影响、单一位点效应研究以及突变体的分离等。但目前还存在雌核发育个体的成活率低及其鉴定复杂、困难等难题，并且还需要寻求简便、准确鉴定雌核发育鱼的依据才能将雌核发育技术更广泛地应用到生产实践中26。从新加坡引进皮球珍珠金鱼雌鱼，让其自然产卵后用灭活的鲤鱼精子激活，人工诱导雌核发育，得出二倍体皮球珍珠金鱼的诱导率为(13.541.98) %，品种特征纯正的子一代鱼的比例为(68.793.57) %27。2006年，吴风瑞等28对南方鲇(Silurus meridoualis) 进行雌核发育研究，认为紫外线照射精子15min，热休克起始时间为受精后5min，持续时间为1min，休克温度为41 ，对人工诱导南方鲇雌核发育最有利。2008年，程果等29利用冷休克法诱导黄河鲇(Silurus asotus) 二倍体雌核发育，受精后5min开始、持续处理40min的条件下冷休克诱导得到二倍体黄河鲇最高8.5%的成活率。2009年，邹元超等30利用施氏鲟(Polyodon spathula)精子诱导匙吻鲟雌核发育取得成功，幼鱼成活率最高为15.6%。在异育银鲫人工繁育群体中发现的复合四倍体银鲫具有雌核生殖和两性融合生殖两种不同的生殖模式，其生长速度明显快于一般的雌核发育子代，具有较高的生长优势和养殖潜力31。刘海金等32,33用真鲷精子激活牙鲆(Paralichthys olivaceus) 卵子，优选了冷休克的起始时间、持续时间和冷休克温度等技术参数，使染色体加倍，成功地诱导了牙鲆雌核发育。与普通牙鲆肌肉相比，其营养组成无明显差别，同样具有营养丰富、组成均衡等优点，表明雌核发育对鱼类营养成分并无不良影响。陈松林34,35用冷冻的花鲈(Lateolabrax japonicus)精子作为异源精子，采用紫外线(UV)对精子进行照射，然后与卵子进行授精，并采用冷休克处理授精卵抑制第二极体的排出，成功获得了犬齿牙鲆雌核发育二倍体鱼苗，且雌核发育后代在 Pade12微卫星标记上完全纯合，证明雌核发育技术在建立纯系上是非常有效的技术方法。人工诱导雄核发育与雌核发育相反，它首先是卵子的遗传失活而不是精子的遗传失活，受精后通过抑制第一次卵裂的发生诱导核内有丝分裂，由此使单倍体(haploid) 胚胎的染色体加倍发育成为纯合二倍体(hiploid)个体36。利用雄核发育技术可加速建立纯系，判别性别决定机制，应用于单性种群和保护濒危鱼类。人工诱导雄核发育主要包括雌核染色体灭活和雄核二倍化诱导技术。利用人工诱导雄核发育技术获得YY超雄尼罗罗非鱼(Tilapia niloticus)的遗传后代，其平均雄性率大于98%。随着对三个世代的严格选择和筛选，其雄性率在十分狭窄的范围内波动。Beardmore等37人认为YY/GMT技术明显的优越于其它形式的单雄生产，ZY超雄奥尼鱼的单雄产生技术则是把尼罗罗非鱼含雄性性别决定基因的性染色体Y，与奥利亚罗非鱼含雄性性别决定基因的性染色体z组合在一起(在同一体细胞内)，从而形成新的ZY异配型超雄奥尼罗非鱼，而且ZY/MT这一技术比YY/GMT技术具有杂种优势和简化操作程序的特色。6 细胞工程育种细胞工程技术主要包括细胞培养、细胞核移植技术、核酸诱导技术、细胞融合等，该技术可以冲破生物的种间生殖隔离，改变传统的育种方式，在遗传育种、培育新品种等方面具有广阔的应用前景。虽然我国在此技术的鱼类育种研究居于世界的前列，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，38但在海水鱼类的应用直到2007年还未见报道。湖北省水产科学研究所采用辐射育种及温度休克诱导等多种细胞工程综合配套技术，研究培育出了两种鱼类养殖新对象全雌丁桂鱼及三倍体丁桂鱼，全雌丁桂鱼的生长速度比普通二性丁桂鱼快21.8%、亩平均纯增收56.7%；三倍体丁桂鱼的平均增重比普通二性丁桂鱼快26.3%、亩平均纯增收34.8%，经济效益显著39。严绍颐等40将荷包红鲤的细胞核和鲫鱼的细胞质组合在一起，并经自交繁殖而创造出来的新鱼类群体，具有生长速度快，易于繁殖和饲养，味道鲜美，肌肉蛋白含量高，脂肪含量低的新特征。草鱼、团头鲂囊胚细胞与本种卵细胞以及青鱼体细胞和鲢卵等组合的电融合鱼也有研究，但均未获得真正意义上的多倍体，仅得到心跳期胚胎或嵌合体仔鱼。迄今为止，我国利用鱼类囊胚细胞作供体进行的核移植，得到过5种属间、亚科间和目间核质杂种鱼，其中鲤鲫核质杂种鱼具有明显的生长优势，营养价值高，是一个很有应用价值和推广前景的优良核质杂种鱼41。水产动物细胞工程遗传育种技术是我国颇具特色的一个领域，于1970年代就开始应用于鱼类育种研究，但要把包含的各种技术投入到水产动物育种的生产实践，还存在一定的距离，今后研究的重点是采用细胞工程与有性杂交或基因工程相结合，互相促进和补充，争取在较短的时间内改良水产种类的遗传性状，不断优化升级种质资源。7 分子标记辅助育种分子标记辅助育种是利用分子遗传标记，借助于目标基因紧密连锁的遗传标记的基因型分析，鉴定含有目标基因的个体，从而提高了选择效率减少了盲目性，加速了育种进程。随着PCR技术的发展，目前已形成扩增片段长度多态性 (amplified fragment length polymorphism, AFLP)、限制性片段长度多态性 (Restriction fragment length polymorphism, RFLP)、可变数目串联重复多态性 (Variable number of tandem repeats, VNTR)、随机扩增多态性DNA(Random amplified polymorphism DNA, RAPD)、简单重复序列(Simple sequence repeat, SSR)、表达系列标签(Expressed sequence tags, EST)、单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism, SNP)以及拷贝数变异(copy number various, CNV)等分子标记技术。郑先虎等以镜鲤全同胞家系为材料，用940对微卫星(SSR)标记进行基因组扫描，共检测到可以应用于分子标记辅助育种8个QTL区间42。王宣朋等利用SNP、SSR、EST-SSR等分子标记构建鲤鱼遗传连锁图谱，并对重要经济性状进行QTL定位。结果显示，在对饲料转化率性状的多QTL区间定位中，共检测到15个QTLs区间43。随着基因组计划的深入研究，分子标记辅助育种将有更广阔的应用。鱼类的抗病育种一直是热点课题，而分子标记辅助育种在这方面的研究不断深入。刘云国等利用AFLP技术通过比较牙鲆感染鳗弧菌群体和抗病群体之间的差异，获得了2条在抗病群体中出现的高显性基因频率的标记和6条带在感病群体中出现的高显性基因频率的标记，并推测这些标记很可能是与抗病性相关的候选标记。这些抗病性候选标记的获得为实现牙鲆分子标记辅助育种和抗病基因克隆奠定了一定的基础44。黄海水产研究所研究了病原菌感染后真鲷不同组织中MHCII基因表达的变化，并比较了牙鲆抗病个体和不抗病个体MHCII基因型的分子多态性，从而为海水养殖鱼类基因标记辅助育种研究奠定了基础45。8 展望利用不同的技术手段，将不同的品种或品系的优良性状进行转移、整合或固定，是培育良种的有效途径。在未来的动物育种中，不同学科技术间的交叉和联系将更加紧密，动物育种将是遗传学理论、生物理论、计算机技术和育种学家实践经验的集合。近年来，随着科学技术的发展，现代生物技术被广泛地应用于动物的遗传改良，如转基因技术的应用、各种遗传标记的开发、遗传连锁图谱的构建、数量性状位点(QTL)技术和分子辅助育种技术(MAS)等已在育种中取得了很大成效，目前，这些技术也已被应用于鱼类的遗传改良。现代生物技术的发展对于扩大育种目标的范围、增加选择精度、提高育种效率具有重要意义。但与发展较为成熟的常规育种技术体系相比较，现代生物技术独立应用于育种实践尚不完善，在目前还不可能完全代替已经建立起来的较完备的常规育种技术和体系46。因此，在未来的发展中，我国鱼类的育种工作，应采用选择育种与现代生物技术特别是分子遗传标记技术相结合的方法对其进行遗传改良，分子育种技术与数量遗传技术的结合应用可使遗传改良速度最大化，这也是当前国际上鱼类遗传育种的研究趋势。近年来，国外在鱼类育种上最为成功的是鲑鳟鱼类的选育，挪威国家水产研究所利用现代生物技术，特别是分子标记技术与传统的选择育种技术有机结合，开展了大规模家系遗传改进技术并培育出优质的大西洋鲑(Salmon salar) 品系47。鲑鳟鱼类的成功选育，为中国鱼类育种提供了成功借鉴。参考文献：1 林祥日. 我国养殖鱼类育种技术概况J. 淡水渔业, 2005, 35(4): 61.2 李宁. 动物遗传育种学科发展历史与研究前沿J. 中国家禽, 2012, 342): 1-3.3 GJEDREM T. 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