桂建芳：你吃的鯽魚可能根本沒(méi)有爸爸，或說(shuō)它的爸爸不一定是鯽魚

以下內(nèi)容為中國(guó)科學(xué)院院士桂建芳演講實(shí)錄：

我從個(gè)人的研究經(jīng)歷，從《鯽的育種故事》，來(lái)談一談水產(chǎn)養(yǎng)殖和保障全球食品安全的中國(guó)智慧。

我來(lái)自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所。大家知道，魚類等水產(chǎn)品是世界公認(rèn)的較為優(yōu)質(zhì)的蛋白來(lái)源。而用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部前部長(zhǎng)的一句話說(shuō)就是：今天的世界上每養(yǎng)三條魚，就有兩條來(lái)自中國(guó)。

中國(guó)的魚類養(yǎng)殖有著悠久的歷史。在4年前（2019年），一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)在距今8000年前的河南省賈湖遺址中發(fā)現(xiàn)了一些魚骨頭。經(jīng)過(guò)比對(duì)研究，他們發(fā)現(xiàn)這些魚骨頭屬于養(yǎng)殖的魚類。這讓中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖歷史一下就回溯到了8000年前。

范蠡寫下的《養(yǎng)魚經(jīng)》是世界公認(rèn)的第一本水產(chǎn)養(yǎng)殖專著，以文字記錄了從苗種繁育到成魚養(yǎng)殖的全過(guò)程。而范蠡與西施的故事發(fā)生在2500年前，這也證明水產(chǎn)養(yǎng)殖是中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的傳統(tǒng)智慧之一。

▲左：王家楫(1898-1976)。右下：團(tuán)頭魴（武昌魚）

新中國(guó)成立后，當(dāng)時(shí)國(guó)家的條件不是很好，尤其缺少優(yōu)質(zhì)動(dòng)物蛋白的來(lái)源。所以1956年毛澤東主席在武漢調(diào)研時(shí)，曾專門邀請(qǐng)時(shí)任中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所所長(zhǎng)的王家楫院士問(wèn)計(jì)如何“解決吃魚難”的問(wèn)題，并寫下了“才飲長(zhǎng)沙水，又食武昌魚”的著名詩(shī)篇。

到1958年，毛主席又作出了“三山六水一分田，漁業(yè)大有可為”的詩(shī)句。從那時(shí)候開始，包括中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所的前輩們?cè)趦?nèi)的老一輩科學(xué)家開始了水產(chǎn)養(yǎng)殖的研究，拉開了新中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖的序幕。

事實(shí)上，新中國(guó)“以養(yǎng)為主”方針的確立經(jīng)過(guò)了3個(gè)階段的討論。首先，國(guó)家在上個(gè)世紀(jì)50年代首次提出“養(yǎng)捕并舉”：既要養(yǎng)、又要捕。接著，《人民日?qǐng)?bào)》在1978年專門發(fā)表社論《千方百計(jì)解決吃魚難的問(wèn)題》；到了1986年，《漁業(yè)法》正式確立了以養(yǎng)為主的方針。

▲左：余先覺（1909-1994）。右：蔣一珪（1932-1994）

1977年，伴著科學(xué)春天的到來(lái)和改革開放，我非常榮幸地考進(jìn)武漢大學(xué)。在武漢大學(xué)讀了4年本科之后，我又讀了研究生，師從著名的遺傳學(xué)家余先覺教授。余先覺教授在我論文答辯的時(shí)候，專門邀請(qǐng)當(dāng)時(shí)在鯽魚遺傳育種研究方面已經(jīng)取得了重要突破 ，并且獲得了國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)的蔣一珪先生作為我答辯委員會(huì)的委員。

在那次答辯會(huì)上，蔣先生看上了我，并且到所里為我要了一個(gè)指標(biāo)，那個(gè)時(shí)候的工作還是分配的。所以從武漢大學(xué)畢業(yè)后，我就進(jìn)入了中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，正式開始了鯽魚的遺傳育種研究。

不需要雄性但又有雄性的奇特繁殖

鯽魚適應(yīng)性強(qiáng)，肉質(zhì)非常鮮美細(xì)嫩，很受消費(fèi)者喜歡。但在20世紀(jì)80年代以前，由于鯽魚的產(chǎn)量比較低，它并不是重要的養(yǎng)殖品種。

到了80年代中期，銀鯽單性雌核生殖方式的發(fā)現(xiàn)和異育銀鯽的培育與推廣，鯽魚的個(gè)頭開始變大，半斤以上的鯽魚當(dāng)時(shí)要賣8到10元一斤。即使在今天，鯽魚仍然還是這樣的價(jià)格。這其中有什么樣的故事呢？下面我就跟大家分享一下。

鯽魚非常特別，具有豐富的遺傳多樣性，有著100條、150多條或者是200多條染色體等不同倍性的多倍體，我們稱之為鯽魚復(fù)合種。而普通魚類大多數(shù)是48條染色體或者50條染色體。事實(shí)上，金魚也是從鯽魚經(jīng)過(guò)突變，由我們的祖先不斷培育和挑選出來(lái)的。

與100條染色體的四倍體鯽（金魚）相比，銀鯽已被我們揭示是經(jīng)過(guò)多次多倍化事件導(dǎo)致的多倍體，有更高的可變性。

我們花了將近10年的時(shí)間，經(jīng)過(guò)比較基因組的解析，發(fā)現(xiàn)銀鯽是一種雙三倍體，也就是amphitriploid。這個(gè)詞是我經(jīng)過(guò)一定的思索，最后原創(chuàng)出來(lái)的概念。

我們經(jīng)過(guò)細(xì)胞遺傳觀察，發(fā)現(xiàn)銀鯽是通過(guò)抑制第一次減數(shù)分裂產(chǎn)生出未減數(shù)的卵子，但也檢測(cè)到零星的一些同源重組的事件，這些發(fā)現(xiàn)就為“多倍體魚類單性生殖為什么能夠在地球上演化成功”提供了一些創(chuàng)新的見解，同時(shí)也為我們后面的精準(zhǔn)育種提供了理論和技術(shù)支撐。

有趣的是，在雙三倍體銀鯽群體中還發(fā)現(xiàn)了一定比例的雄性個(gè)體，在全國(guó)的34個(gè)銀鯽地理種群當(dāng)中，其中10個(gè)是無(wú)雄性個(gè)體的，另外24個(gè)檢查出了1.2%-26.5%的雄性個(gè)體。

銀鯽的雄性個(gè)體相比于雌性個(gè)體多了3-4條雄性特異的超數(shù)微小染色體。

我們經(jīng)過(guò)性反轉(zhuǎn)，將雄性的變?yōu)榇菩裕蜆?gòu)建了兩個(gè)雌核生殖家系，以此發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)性母本中雄性特異的微小染色體數(shù)越多，后代雄性的比例就越高，這表明銀鯽額外的微小染色體具有雄性決定的作用。

▲Li et al., 2017. Science Bulletin

我們?cè)陬~外的微小染色體上還鑒定出一個(gè)在精子發(fā)生過(guò)程中高表達(dá)的基因。

同時(shí)還揭示了溫度性別決定和基因型性別決定這兩種不同的性別決定機(jī)制同時(shí)存在于銀鯽當(dāng)中，并且還可以相互轉(zhuǎn)換。

▲（Ding 2021) PLOS Genetics 17(9): e1009760.

我們先在顯微鏡下把雄性特異的微小染色體切割下來(lái)，再經(jīng)過(guò)基因組解析，發(fā)現(xiàn)了雌核生殖的銀鯽里雄性特異微小染色體的起源和雄性發(fā)生的機(jī)制。

培育出系列銀鯽新品種

最近20年來(lái)，我們利用銀鯽多重生殖方式精準(zhǔn)創(chuàng)制了核質(zhì)雜種新種質(zhì)。

并且培育出了異育銀鯽中科3號(hào)。

我們還通過(guò)異精雌核生殖加上冷休克操作，在整入了團(tuán)頭魴（武昌魚）的亞基因組遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)10多代的選育，培育出異育銀鯽的“中科5號(hào)”。這兩個(gè)品種都成為近10多年來(lái)的主養(yǎng)品種。

“中科3號(hào)”與過(guò)去推廣的高倍鯽相比，生長(zhǎng)速度平均提高了20%以上，出肉率高6%以上。對(duì)寄生于肝臟的碘泡蟲還有較強(qiáng)的抗性，在主要魚產(chǎn)區(qū)的占有率達(dá)到了70%以上。

▲左：從團(tuán)頭魴（武昌魚）取出精子。中：從銀鯽擠出卵子。右：異育銀鯽“中科5號(hào)”魚苗

與“中科3號(hào)”相比，在投喂較低的蛋白魚粉含量的飼料的時(shí)候，“中科5號(hào)”1齡魚的生長(zhǎng)速度平均又提高了18.2%。感染鯽皰疹病毒的成活率平均提高了12.59%，對(duì)養(yǎng)殖過(guò)程中體表的黏孢子蟲病也有一定的抗性，成活率平均提高21%左右。

這一系列的品種的推廣，形成了異育銀鯽水產(chǎn)種業(yè)的創(chuàng)新鏈和價(jià)值鏈。

同時(shí)也推動(dòng)了鯽魚的養(yǎng)殖產(chǎn)量的增長(zhǎng)和可持續(xù)發(fā)展。鯽魚的養(yǎng)殖產(chǎn)量從1983年的不到5萬(wàn)噸，近年來(lái)增長(zhǎng)到了280多萬(wàn)噸。

從研40多年來(lái)，我聚焦于銀鯽及異育銀鯽新品種的培育及其種業(yè)發(fā)展，架起了從基礎(chǔ)到應(yīng)用的橋梁，這個(gè)橋梁對(duì)老百姓特別是漁民的增收起到一定的作用。

我們寫了3本水產(chǎn)養(yǎng)殖的專著，這些專著匯集了半個(gè)多世紀(jì)育種專家的智慧。

讓鯽魚不再有小刺

我最近也對(duì)過(guò)去的工作做了比較深入的思考，發(fā)表文章《在基因組資源快速增長(zhǎng)和糧食安全日益強(qiáng)化的調(diào)整時(shí)代，魚類生物學(xué)和生物技術(shù)的再思考》，分析了水產(chǎn)遺傳育種整個(gè)技術(shù)的發(fā)展藍(lán)圖，進(jìn)一步瞄準(zhǔn)了有重大潛力的魚類精準(zhǔn)育種技術(shù)的路徑。

下面我就跟大家分享我們實(shí)驗(yàn)室在最近5年當(dāng)中，在精準(zhǔn)育種方面所期待的5個(gè)突破。

第一個(gè)突破就是創(chuàng)建了多個(gè)部分同源基因和等位基因同時(shí)高效編輯的精準(zhǔn)技術(shù)，創(chuàng)制出無(wú)肌間刺的銀鯽突變體。大家知道，鯽魚雖然非常美味，但是它的小刺非常麻煩，小孩、老人吃魚時(shí)非常擔(dān)心被刺卡住。所以我們跟華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院的高澤霞教授進(jìn)行合作，她花了差不多10年的時(shí)間、3個(gè)研究生的接力，最后鑒定出調(diào)控魚類肌間刺發(fā)育的主效基因。

▲左：野生型（～80根肌間刺）。右：Cgrunx2b-A-/-/-;Cgrunx2b-B-/-/-（無(wú)肌間刺）Gan et al, 2023. Aquaculture, 739300

在文章還沒(méi)有發(fā)表之前，她就告訴了我。于是我就來(lái)做無(wú)肌間刺的銀鯽，她來(lái)做團(tuán)頭魴和草魚。通過(guò)將近3年的努力，我們?cè)诋愑y鯽上成功了，她在團(tuán)頭魴和草魚當(dāng)中也成功了。我相信在未來(lái)的3-4年內(nèi)，全國(guó)的老百姓有可能吃上無(wú)肌間刺的這些鯽魚、草魚、團(tuán)頭魴。

▲Lu et al, 2022. Mol. Biol. Evol.

第二個(gè)突破是揭示倍性改變可以驅(qū)動(dòng)銀鯽生殖方式的轉(zhuǎn)換和遺傳多樣性的形成。基于這些發(fā)現(xiàn)，我們創(chuàng)制除了基因組重構(gòu)的合成多倍體新技術(shù)。、

Lu et al., 2023, Science China Life Science

比如銀鯽整入了雙二倍體鯽的一套基因組之后，形成了雙四倍體。雙四倍體它轉(zhuǎn)變成有性的生殖方式，能夠產(chǎn)生正常的精子。我們用這個(gè)精子跟雙二倍體的白鯽進(jìn)行交配，因?yàn)榘做a對(duì)皰疹病毒有一定的抗性。最后我們產(chǎn)生了新的雙三倍體，它又能夠進(jìn)行單性雌核生殖。

這樣我們就選出了對(duì)皰疹病毒有抗性，而且又生長(zhǎng)得比較好的一個(gè)新的品系，極有可能成為異育銀鯽“中科6號(hào)”。

我們還發(fā)現(xiàn)并定義了一種獨(dú)特的無(wú)減數(shù)融合的生殖方式。什么叫無(wú)減數(shù)融合的生殖方式？它就像銀鯽一樣，可以產(chǎn)生沒(méi)有減數(shù)的卵子，而且又跟有性魚類一樣，它的精核和卵核可以相互融合，這樣就能夠創(chuàng)制出倍性更高的多倍體。

我們由此取得了第三個(gè)精準(zhǔn)育種的突破，創(chuàng)建了一條合成不育異源多倍體的更為高效的路徑。

我們還結(jié)合基因編輯提出并創(chuàng)建了一條育性可控的、合成不育異源多倍體的路徑，這就是我們第四個(gè)精準(zhǔn)育種的突破。

比如在銀鯽的維持系當(dāng)中，它能夠不斷地產(chǎn)生銀鯽的多倍體。如果我們把它的肌間刺通過(guò)基因編輯去掉了，把團(tuán)頭魴的肌間刺也通過(guò)基因編輯去掉了，再讓團(tuán)頭魴跟銀鯽交配后，生產(chǎn)出的是沒(méi)有肌間刺的、不育的七倍體的銀鯽，這樣就可以避免在養(yǎng)殖過(guò)程中逃逸出去帶來(lái)的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為物種多樣性保護(hù)提供了一個(gè)有效的策略，還可以有效地保護(hù)水產(chǎn)種業(yè)從業(yè)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

讓金魚更加美麗

第五個(gè)突破，我跟大家講一講金魚。

中國(guó)選育金魚有將近2000年的歷史，特別是到了宋朝以后，人工選擇做了很多的工作，現(xiàn)在金魚有300多個(gè)品種，這300多個(gè)品種都是基因突變、經(jīng)過(guò)人工選擇所構(gòu)建的一些品系，那么它的觀賞性、因果基因可否鑒定？它的性狀是否可以再進(jìn)行創(chuàng)造？

7年前（2016年），我在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)做講座的時(shí)候，有位碩士余鵬說(shuō)希望讀我的研究生。我問(wèn)他喜歡做什么工作，他說(shuō)喜歡做金魚的研究。他來(lái)了之后，建立起了基于高效繁育加上基因編輯、人工雌核生殖、溫控性反轉(zhuǎn)的金魚精準(zhǔn)育種的技術(shù)路線，甚至能夠把一條母魚在連續(xù)的215天內(nèi)繁殖42次，因此創(chuàng)造了世界紀(jì)錄 ，作為導(dǎo)師，我也很榮幸拿到了這個(gè)福布斯世界紀(jì)錄的證書。

他首先盯上了金魚的龍睛——像龍一樣的眼睛，還有白化這兩個(gè)性狀的因果基因。通過(guò)3年的工作，他把這兩個(gè)性狀的因果基因鑒定出來(lái)了，最后通過(guò)基因編輯技術(shù)來(lái)編輯這兩個(gè)性狀的因果基因，創(chuàng)造出10多個(gè)金魚的新品系。

這張圖上面標(biāo)出來(lái)的有11個(gè)品系，都是我們通過(guò)基因編輯創(chuàng)制出來(lái)的。大家如果是金魚愛好者，會(huì)非常喜歡這些漂亮的金魚。所以潛在的商機(jī)也很大，我們的金魚品系在未來(lái)還是有很大研發(fā)空間的。

《中國(guó)科學(xué)·生命科學(xué)》（英文版）在發(fā)表我們這篇文章的時(shí)候設(shè)計(jì)了一個(gè)封面：嫦娥看到凡間那么多的金魚的“金兔”“玉兔”很開心，而玉兔很郁悶，因?yàn)殒隙鸩粫?huì)只寵它一個(gè)了。

比如“金兔”，在我們的論文出來(lái)之后得到了社會(huì)高度認(rèn)可。因?yàn)殡m然叫金魚，但真正金色的魚我們過(guò)去很少看到。而“金兔”差不多是24K的金色了，還是人見人愛的。

推廣水產(chǎn)養(yǎng)殖的中國(guó)智慧

從我研究生畢業(yè)40多年以來(lái)，圍繞鯽魚的研究體系，帶著單性脊椎動(dòng)物演化機(jī)制這樣的一些科學(xué)問(wèn)題，有了一系列的理論發(fā)現(xiàn)，也開拓出一些育種的技術(shù)和路線，創(chuàng)造了一些新品種、新品系。

比如通過(guò)多重生殖方式與雄核生殖的發(fā)現(xiàn)，開拓出雌核生殖創(chuàng)制核質(zhì)雜種的路徑，培育出異育銀鯽“中科3號(hào)”；我們還通過(guò)亞基因組整入的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行冷休克處理與分子模塊的篩選，培育出異育銀鯽“中科5號(hào)”；基于倍性改變驅(qū)動(dòng)生殖方式的轉(zhuǎn)換和遺傳多樣性的形成的理論發(fā)現(xiàn)，開拓出基因組重構(gòu)合成多倍體的技術(shù)，這就是我們正在中試的“中科6號(hào)”。

我們最近幾年還通過(guò)獨(dú)特的無(wú)減數(shù)融合生殖方式的發(fā)現(xiàn)，和銀鯽雙三倍體基因組的解析，以及多倍體重組多基因演化的命運(yùn)，并開拓不育異源多倍體的高效合成和多基因編輯的技術(shù)，正在創(chuàng)制不育的無(wú)肌間刺的異育銀鯽。這些發(fā)現(xiàn)給我們的品種培育帶來(lái)了很多的機(jī)遇。

優(yōu)良的品種與綠色生態(tài)的養(yǎng)殖模式是可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展方向，是滿足人類增長(zhǎng)需求、保障全球食物安全的中國(guó)智慧。

回望改革開放40多年來(lái)的農(nóng)業(yè)發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖是我們中國(guó)食品生產(chǎn)當(dāng)中發(fā)展最快的民生產(chǎn)業(yè)。無(wú)論是總產(chǎn)量還是人均占有量，都是大農(nóng)業(yè)當(dāng)中增長(zhǎng)最多的。這40多年來(lái)，我國(guó)水產(chǎn)總產(chǎn)量增長(zhǎng)了近14倍，養(yǎng)殖產(chǎn)量增長(zhǎng)超過(guò)了40倍。

從世界的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，從上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)，世界水產(chǎn)品的增長(zhǎng)完全源于養(yǎng)殖的增長(zhǎng)，而養(yǎng)殖的產(chǎn)量有近2/3來(lái)自中國(guó)。

所以中國(guó)貢獻(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖保障全球安全的智慧，同時(shí)也塑造了水產(chǎn)養(yǎng)殖的動(dòng)能和藍(lán)色轉(zhuǎn)型的未來(lái)。比如我2018年出版的《中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖：成功的故事和現(xiàn)代趨勢(shì)》得到了國(guó)際科學(xué)家的高度“點(diǎn)贊”，認(rèn)為是一個(gè)現(xiàn)代的中國(guó)養(yǎng)魚經(jīng)，為更廣闊的世界洞開了中國(guó)這個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖超級(jí)大國(guó)主要生產(chǎn)活動(dòng)的內(nèi)在景色。

水產(chǎn)品在保障全球食品安全中的作用已引發(fā)了世界的高度的關(guān)注。

水產(chǎn)品作為藍(lán)色食品，提升國(guó)民營(yíng)養(yǎng)及其低碳排放的環(huán)境友好性能已經(jīng)成為國(guó)際的前沿和熱點(diǎn)。

比如2022年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織新發(fā)布的《世界漁業(yè)現(xiàn)狀》的主題也是邁向藍(lán)色轉(zhuǎn)型。由此可見，水產(chǎn)養(yǎng)殖保障全球食品安全的中國(guó)智慧已經(jīng)得到國(guó)際社會(huì)的高度認(rèn)可，而且都需要引進(jìn)中國(guó)經(jīng)驗(yàn)才能夠做得更好。

來(lái)源：格致論道講壇
作者：桂建芳