一、遗传与环境 （一）水产育种中基因型与环境互作 基因与环境的相互作用决定了物种最终表现的性状，这使得环境这一因素对水产育种十分重要。不同养殖场，甚至同一个养殖场内不同区域，在水质量、水体二氧化碳分压、温度等其他参数上都存在巨大差异。基因与环境的互作会使基因的优先排序级别发生变化。如在某一环境下，某基因型的个体表现最好，但在另一环境下其可能就表现稍差，这限制了育种的遗传进展。不过，我们可以测量不同环境下性状间的遗传相关性，从而量化基因与环境的互作效应。多个研究表明，不同环境下生长性状和存活性状的遗传相关为中等正相关，说明水产在育种过程中需要考虑基因与环境之间的互作效应。 虽然对地方品种进行驯化和遗传改良能使其更好适应本地环境，减少基因与环境互作对性状的影响。然而，完善的育种管理体系成本太高，当前养殖趋势是利用高繁殖力与高科技使单个优良家系快速传播到全球进行养殖生产。因此，育种方案需要考虑基因与环境的互作，从而使遗传进展最大化。将大量遗传背景接近的个体在不同地方饲养，利用表型测定技术收集数据，并反馈不同环境下个体的性能，以此提高不同品系在特定环境的生产能力和性状稳健性，使单个品系在多种环境下更具表型可塑性。最好例证就是罗非鱼遗传改良项目（GIFT）。上世纪90年代末，罗非鱼养殖量不足严重阻碍亚洲水产养殖发展，为了培育能在多个环境下均保持性能稳健的罗非鱼品系，研究者们建立了一个包括野生群体和来自亚洲和非洲8个国家的基础群体。该项目主要改良罗非鱼的生长速度，涵盖了不同国家的养殖户对基因与环境互作效应的评估。目前，通过该项目培育出的罗非鱼品系已在亚洲、非洲和拉丁美洲等16个国家进行饲养，其生长速度比基础群体快了85%。
Photo: Fish farmer Pradosh Kumar Acharye with a GIFT strain tilapia in Odisha, India. Since the 1980s, the improved strain of fish has contributed to livelihoods and food and nutrition security for millions of people worldwide. Photo by A. Mahapatra/WorldFish 通过将参考群体（包括候选个体的近亲）放到多种环境下进行测试，就能基于基因组选择技术繁育出具有稳健性的水产养殖品种。任何性状的基因型在不同环境下的表现，将用于计算该基因型的反应曲线或反应标准。该反应标准可作为基因组选择的目标性状，从而降低性状对环境变化的敏感性，其效果明显优于同胞测验。中低等收入国家水产养殖环境的差异通常很大，这使得育种计划更加复杂。因此，应用低成本的基因组选择方法，提高群体在相同或不同环境下的抗性，可最大限度提高商品群的遗传进展。 （二）表观重排提高性能和环境适应性 表观遗传机制或标记（如胞嘧啶甲基化、组蛋白修饰、染色质状态）是在不改变基因组DNA的情况下，通过环境影响表型变异。驯化可通过DNA甲基化使动物早期的表观组发生巨大改变，这证明表观遗传的重编码具有改善动物性状的巨大潜力。在生物体发育的关键时期（如幼鱼或亲鱼期），利用表观遗传修饰，通过有目的的环境调控来提高其生命后期或后代的生产性状。目前已有多个利用表观遗传机制进行选育的研究，比如，在幼鱼阶段对虹鳟进行植物类饲喂能提高其对植物饲养的接受程度；大西洋鲑鱼在幼鱼阶段经历的生存压力可影响其成年后的生存压力和免疫能力。研究发现，多代表观遗传效应可影响菲律宾蛤仔（Ruditapes philippinarum）的适合度，如果性成熟期被暴露在低pH环境中，成年菲律宾蛤仔所产生的后代的生长速度比对照组要快，亲本经历过低pH条件的悉尼岩牡蛎（Saccostrea glomerata）所产的幼体，在低PH环境下生长速度也更快，并且其到成年后具有更高的适应度。全基因组胞嘧啶修饰、染色质结构和多个养殖物种评估方法的发展，有利于阐明这些表观遗传机制。此外，遗传背景一致的辐鳍鱼品系的资源，有助于区分遗传和表观遗传效应。 对于可遗传的表观遗传标记，它们的影响可能会被传统同胞测试和基因组选择直接捕获和利用，这两者都是基于亲属间的表型相似性。并且，区分表型变异的加性遗传组分和表观遗传组分，可能有利于遗传参数估计（genetic parameter estimation）和育种选择反应（response to selection）的预测。此外，表观遗传编码和通过选择育种进行的遗传改良之间的交叉，可能与优化亲鱼稳健性相关。利用基因组学改良稳健品系育种，可以通过定制表观遗传编程来增强，从而提高品系在特定养殖环境中的性能。此外，可利用大量全同胞家系进行基因组预测，将每个家系分成不同的组，并在特定环境中进行测试，以此来评估遗传变异对特定环境的反应。因此，选择对表观遗传重编码有更好反应的基因可能是实现遗传改良以适应不同生产环境的途径。 （三）将微生物组作为性能预测的指标 微生物组是动物与环境相互作用的重要组成部分，对养殖动物的健康和性能有巨大影响。细菌群体的克隆和开发对免疫功能至关重要，并受宿主生理和免疫反应的影响。海洋生物中，宿主微生物的组成在一定程度上是可遗传的，在大西洋鲑和南美白对虾（Litopenaeus vannamei）中，养殖群体和野生群体体内微生物存在差异。
南美白对虾（Litopenaeus vannamei） 图片来自网络 目前对水产养殖物种的微生物组研究主要集中在了解物种的组成上。DNA测序技术的发展为微生物组分析提供了极大便利，特别是对样本内所有微生物的基因组进行测序的宏基因组学。通过将微生物组测序与宿主基因分型相结合，可预测生产性状，一个潜在的例子就是大马哈鱼的食谱中能够承受越来越多的素食。在畜禽中，研究者用微生物组相似性矩阵代替宿主的基因组关系矩阵（genomic relationship matrix），提高荷斯坦奶牛饲料转化率的预测能力，在这种情况下，微生物组成可作为宿主基因与环境互作结果的“中间表型”，在宿主后期性能的预测中具有潜在价值。 （四）养殖群体与野生群体间的相互作用 水产养殖物种经历的驯化时间比较短，这意味着养殖物种与其野生种共同生存，它们之间可能存在频繁的基因交流。随着物种从驯化向封闭选择繁殖群体方向发展，养殖群体与野生群体之间的遗传距离开始变大。在物种驯化过程中，对多个养殖和野生群体进行高密度基因分型或全基因组测序，在全基因组范围内对比他们的遗传多样性，有利于识别共同的受选择信号并且评估其表型效应。 野生群体与养殖群体的分化导致它们在生长、形态、生活史、行为和生理学上均有显著差异。驯化对动物生理的影响已在基因表达和基因组甲基化研究上得到证实。例如，在经历了几代繁育后， 鲑鱼的生理发生明显改变。不利等位基因渗入到野生群体会导致生活史特征的不利变化，降低群体的生产力和抗逆性。许多海洋鱼类和无脊椎动物具有连通性高、基因交流频繁（gene flow）和有效群体大（effective population size）的特点，这使得养殖群体的基因渗入效应很快得到稀释。这种基因渗入可能会对某些物种有益，它促进自然繁殖并增加野生种群的遗传变异。相比之下，对于有效群体数量较小的淡水和溯河产卵物种，基因渗入导致其基因流发生极大改变，还可能造成野生种群的基因库发生大量而快速的变化。因此，阻止养殖动物逃逸以及其与野生群体杂交，对水产养殖的可持续性，以及野生群体与养殖群体长期共存具有重要意义。单靠工程和管理方法并不能完全阻止养殖个体逃逸，可通过生成三倍体物种防止基因渗入，目前这一遗传技术已在鲑类和牡蛎等物种中使用，此外也可通过基因编辑使亲鱼不育。 除了保护野生群体外，在养殖品种驯化过程中保持其遗传资源也很重要。生物信息库已被用于保护包括野生群体和养殖品系等在内的水生动物种质（germplasm）资源，以避免物种遗传多样性下降。目前已经有建成的鱼贝类基因库，保存配子、组织和细胞系等的技术也在迅速发展。然而，与农作物和畜牧种质资源保护相比，水生动物种质资源的保护还处于起步阶段。虽然冷冻保存精子是一些鱼贝类的常规做法，但是冷冻保存卵母细胞则很有挑战性，卵巢组织冷冻保存是一个很好的选择，但需要对这些组织的体外培育进行深入研究。一种方法是通过将原始生殖细胞移植到亲鱼体内进行代孕。随着这些方法的发展，水生遗传资源的保护将越来越好。 二、生物技术在水产养殖育种中的应用 （一）基因组编辑技术加快遗传进展 基因组编辑作为一种能对特定目标基因进行精确改变修饰的技术，在了解水产养殖物种重要经济性状的遗传基础和加速遗传改良上具有重要价值。自CRISPR–Cas9在大西洋鲑中运用成功后，这一技术已被成功应用于多种养殖鱼贝类的基因敲除和功能验证。早期胚胎微注射是最常用的编辑方式，但是效率较低，其他可选的方法，如精子电穿孔，可能有一定前景。通过评估基因敲除后性状的表现，基因编辑可作为鉴定潜在因果基因和变异的重要方法。基因组尺度的GRISPR 敲除（genome-scale GRISPR knockout，GeCKO）技术可作为在水产养殖物种中探索某些病原体抗性遗传基础的强有力工具，慢病毒传递系统在鲑鱼细胞系上的成功编辑，表明这种方法在技术上是可行的。然而，许多水产养殖物种的细胞系资源有限，需要有针对地开发适合重要水产养殖物种的细胞系。作为另一选择，原位GeCKO可在那些具有体外受精、胚胎丰富、便于早期筛选特征的物种中进行实验。这一方法可能需要提高Cas9亲鱼的稳定性，并开发一种将大量gRNA文库导入到早期胚胎的方法。将这种全基因组筛选方法与遗传作图结合，并筛选出QTL区域的因果突变，再评估其对性状的效应，这为针对性地验证候选等位基因创造机会。 基因组编辑的应用可加快物种的遗传改良速度。首先，根据大量GWAS研究、家系QTL定位和基因功能注释获得许多与性状关联的SNP位点，利用基因编辑技术可使这些有益位点快速在繁殖群体中固定下来；其次，基因组编辑可将其他种群、品系或物种（可能包括野生种群）中有利的等位基因编辑到育种群体中；最后，根据有关性状的生物学知识或使用基因组编辑，可能会创造新的等位基因。例如，将猪（Sus scrofa）基因组上CD163基因的一个外显子去除后，猪对生殖和呼吸综合症病毒产生了完全免疫。 虽然抗病性状可能是基因组编辑在水产养殖种的关注焦点，但其他性状也同样重要，例如对植物饲料的适应性或防止基因渗入的不育和早熟性状。敲除大西洋鲑鱼中与生殖相关的dnd1基因，以及罗非鱼nanos2基因或nanos3基因都会导致它们不育。实际应用中，需要将基因组编辑与良好的育种管理体系相结合，以维持群体的遗传多样性。基因组编辑在生产群体上的大规模应用不太可行，因此对亲鱼群体进行基因组编辑是最有效的办法。个体不育的性状，由于其不可遗传，所以需要特别注意，可能需要转基因技术进行诱导。然而不育也可能是一个有用的性状，它能阻止那些经过基因编辑的个体与野生群体间的基因交流，降低被编辑基因转移到野生群体的风险。 基因组编辑方法在不断完善，使用改良的CRISPR–Cas系统可以诱导靶基因差异表达，而不是将其完全敲除。这样的工具对于阐明生产性状的功能遗传基础、对基因组功能的本质了解以及将来在水产养殖育种计划中的应用非常有价值。但是，在基因编辑中，要认真对待如下问题：如何发现和避免脱靶编辑个体、如何严格监控编辑后的个体使其有害效应降到最低。水产养殖中，可遵循牲畜中使用的基因编辑流程来实现这些目标。此外，水产养殖的任何实际应用都取决于接受的监管和公众认可。生产、动物福利或环境效益的目标性状应该成为水产物种基因编辑的重点，而公众和政策制定者对技术的收益和风险评估也至关重要。 （二）亲鱼代替技术减少世代间隔 根据遗传进展公式可知遗传进展受到选择强度、选择准确性、遗传方差和世代间隔的影响。降低世代间隔能快速提高遗传进展，这对遗传育种具有十分重大的意义，尤其是对世代间隔较长的水产养殖物种，如鲟科的世代间隔长达20年。“借腹生子”技术就是在这一背景下提出的，“借腹生子”就是在生命提的早期阶段分离选定亲本动物的原始生殖细胞，然后将这些细胞移植到代孕亲本中，而这些代孕亲本所属的物种具有较短的世代间隔（图7），如此就能在不降低选择准确性的同时大大缩短世代间隔。代孕技术已在一个属内的物种间，甚至跨属中得到成功证实。例如，将虹鳟的精原细胞注入刚孵化的不育樱鳟（Oncorhynchus masou）体内，就产生了虹鳟的后代。
樱鳟（Oncorhynchus masou） 图片来自FishBase 大西洋蓝鳍金枪鱼（Thunnus thynnus）的繁殖问题一直是个挑战，可将其生殖细胞注入到日本鲭（Scomber japonicus）中获得金枪鱼的后代。代孕技术还可与原始生殖细胞的基因编辑技术相结合来创建育种系，这已在鸡的不同品种上得到成功验证。虽然将“借腹生子”技术、基因组编辑和基因组选择技术的结合是一项长期且高风险的研究，但这种结合可能会通过缩短世代间隔大幅提高育种中的遗传增益速率。
图4 亲鱼代孕技术加快遗传进展 三、总结 与家畜和农作物相比，水产生物驯化和遗传改良时间较短，遗传改良空间巨大。良好的饲养管理体系和育种计划有利于遗传改良和种质传播，并使生产性状的累积成为可能，有利于养殖对象适应新的挑战，如气候变化或传染病暴发。 基因组应该用于水产养殖品种驯化和育种规划的整个过程，这对基础群选择、群体遗传多样性维持、深入解析性别决定和分化机制具有重大作用。基因组选择已经给畜禽育种带来革命性变化，在养殖技术较好的品种如鲑鱼上也得到了成功应用，但利用低密度标记使基因组选择在更多水产养殖品种上得到应用，将会对水产养殖行业带来更大价值。为了解决基因与环境互作和提高性状的稳健性，应结合基因组选择技术将亲缘关系较近的个体放在不同生产环境下进行测试。 此外，微生物组作为一种重要的“中间表型”，可为预测宿主性能提供更多参考，表观遗传则为提高物种适应性提供了重要渠道，基因编辑技术在水生生物抗病性状的遗传改良中具有重要作用，“借腹生子”技术则将有效缩短世代间隔、加快遗传进展。 总之，水产养殖的可持续增长是应对当前全球粮食安全挑战最有希望的解决方案之一，而利用基因组学快速提高养殖水生物种的驯化和遗传改良进程，将是实现这一目标的一个重大机遇。 （本文转自微信公众号【AGCT与鱼】。如有版权问题，敬请联系wanghailiang@ouc.edu.cn。） |
