作者:张晴丹 来源:中国科学报 发布时间:2021/3/15 20:03:36
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“神奇”黄鳝繁育走上升级路

 

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李忠(右)在黄鳝苗种工厂化繁育车间考察。

黄鳝是我国重要的淡水养殖经济鱼类,因味道鲜美,且具有极高的营养价值,备受市场青睐。黄鳝作为一种“神奇”的生物也吸引着科研人员的目光,具有非常高的科学价值。

继在黄鳝全人工规模化繁育方面取得成功后,中国水产科学研究院长江水产研究所(以下简称长江所)研究员李忠团队再获突破,团队开展黄鳝基因组染色体图谱研究,获得了首个高质量基因组参考图谱。

近日,研究结果发表于《G3:基因—基因组—遗传学》杂志。这项成果为黄鳝新品种加速选育奠定了重要基础。

市场供不应求,繁育进展缓慢

黄鳝作为经济鱼类,基础产值每年超过200亿元,是全面落实乡村振兴战略的重要抓手和助力。

但是,黄鳝养殖业一直依靠捕捞野生资源,人工繁殖技术瓶颈限制了产业的发展。随着野生资源减少,产量逐年下降,2019年全国产量31.9万吨。

“2020年,长江流域普发洪灾加之低温影响,减产严重,商品价格一路暴涨,目前收购价格维持在100多元每公斤。”论文通讯作者李忠在接受《中国科学报》采访时表示。

我国黄鳝研究起源于上世纪40年代。但黄鳝为穴居动物,其交配行为至今未为人知,而受精卵由亲鳝吐泡沫孵化的特殊方式,前人也一直没能找到合适的替代方法,繁育研究进展缓慢,直到2019年6月才形成产业现场验收。

在李忠看来,人工繁育技术是开展其他学科研究的基础,没有繁育技术的突破提供足量同规格种苗,品种选育、营养、品质等研究也都无法获得精准数据,进而不能有效开展相关工作。

同鳗鲡一样,黄鳝规模化人工繁育是公认的技术难题。从2013年开始,李忠用了7年完成全人工繁育技术体系构建、完善和产业验收,正式开启了产业应用之路。人工繁育技术体系的突破,使产业的主要矛盾转换成是否有高品质苗种推进产业持续健康发展。

2016年,他开始了品种选育材料的积累,根据产业需求调研,选定了“背部三条纹,腹部金黄色”的地方种大黄斑作为奠基群。“大黄斑种具有长势快、抗病性强、商品卖相好等特点。”李忠说。

根据黄鳝自身怀卵量小的特性,人工繁育基本上都是采用传统家系选育技术开展工作,目前李忠已经选育到第三代,体色一致率达到了80%以上。不过,传统选育又称“眼球育种”,是一种以感官经验为主的选育策略,数据量化性差和育种周期长等缺点迫使科研人员寻求新的繁育技术。

图谱提供指导,寻找基因靶点

我国非常重视种业安全,要提升种业水平、解决“卡脖子”问题,就必须实现优良基因库的构建、原创理论的突破和技术体系的完善。常规繁育技术体系研发和品种选育策略,在特定历史时期促进了产业发展,而现代生物学发展则到了精准育种阶段。

分子标记辅助育种和基因编辑育种是典型代表技术,育种目标更精准,育种周期更短,可以把经验指标量化为数据指标,迅速复制。不过,李忠意识到,进行分子标记辅助育种和基因编辑育种,都需要高质量的基因组图谱提供指导。为此,李忠带领团队开展黄鳝基因组研究。

“我们采用了三代测序技术,获得了完整连续的高质量黄鳝全基因组参考图谱。基因组大小为799 Mb,组装得到12条染色体序列,覆盖预测基因组大小的99.26%。”论文第一作者、长江所博士田海峰告诉《中国科学报》。

获得基因组后,下一步就是挖掘分子标记。他们在图谱基础上鉴定出364802个微卫星(SSR)位点,得到28万多个候选SSR标记,并利用鉴定出的SSR标记构建了高密度物理图谱。“我们已经对部分分子标记进行了验证,分子标记的开发和利用将极大促进辅助育种过程。”田海峰说。

除此之外,研究团队还有一项重要的发现。“在我们的认知里,黄鳝是雌性先熟的性逆转鱼类,产卵后会变为雄性。但在产业中,我们发现了极少部分‘异端分子’,即‘超级母’和‘超级公’。”李忠透露。

“超级母”指的是一小部分个体,连续产卵多次也不会变成雄性;而“超级公”是整个生命周期均为雄性,不存在性逆转。这些个体是否具有遗传性,是否存在关闭性转的基因?

“如果是可遗传的,我们就可以创造出不转雄的‘超级母’群体,既提高了亲本利用效率,又增加了怀卵量。而性腺发育消耗较大能量,雌性性腺发育更甚,如果我们创造出‘超级公’群体,黄鳝的生长速度和产量又会出现一个质的提升。”李忠表示。

表观遗传学是后基因组时代兴起的研究前沿和热点,通过甲基化等表观遗传学手段研究比对精细基因组,研究团队可以找到控制性逆转的基因靶点,运用现代生物学技术手段自由调控性别的转换。

“目前保存的这些‘异端分子’,在不久的将来同样会支撑起新的产业大厦。”李忠说。

加速选育进程,产业健康发展

李忠2016年开始做产业示范推广,从实验室技术走向复杂的产业应用,耗时3年。根据产业特点,他设计了实用的框架式和升降式两套专利孵化设施,极大提升了繁育效率,同时建立起严格的流程管理规范。

目前,已经在湖北省仙桃市和四川省宜宾市开展了产业示范应用,两省的产业示范证明了技术体系的可复制性和地域适应性,为大规模产业应用铺平道路。在示范应用中,3个技术工人流程操作,每天可获得80万~100万卵,孵化40万~60万苗。而框架式繁育设施,每平方米可培养2万苗/7天,升降式繁殖设施效率则达到每平方米10万苗/7天。

黄鳝繁育周期长达4个月,这些繁育技术体系配合繁育设施以及科学的管理流程,使得人工繁育真正实现了规模化、产业化。

“种业安全、种业竞争,说到底就是优良基因库的竞争。没有优良基因库支撑,任何先进技术只能‘干瞪眼’。下一步,我们会加强优良种质资源收集、评价、保存和创制等基础性工作。”李忠表示。

“此外,我们还将利用家系选育技术配合分子标记辅助选择,加速新品种选育进程。”田海峰说。

近年来,研究团队联合华中农业大学教授李大鹏团队共同构建了基于MO的基因敲降和CRISPR-CAS9黄鳝基因编辑技术体系,这些体系的构建,将促进育种工作由传统以经验选育为主转向现代精准育种。    

“黄鳝整个产业的发展,不是某一个团队、某一个学科人员可以单独推进的。高校有理论原创优势,我们有产业技术优势,经过这些年产学研的融洽配合,我认为产业列车已经驶入健康发展的‘快车道’。”李忠说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/g3journal/jkaa032

 
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