2015 年
专栏 评 述
第 60 卷
第 22 期： 2051 ~ 2057
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS

第 529 次学术讨论会 • 淡水生物学前沿科学问题
水生生物学科学前沿及热点问题
桂建芳
中国科学院水生生物研究所 , 淡水生态与生物技术国家重点实验室 , 武汉 430072 E-mail: jfgui@ 2015-06-02 收稿, 2015-06-12 接受, 2015-07-01 网络版发表
示出其独特的全基因组复制事件和地方品系众多的 遗传多样性机制 [34]; 大黄鱼全基因组测序解析了其 先天免疫系统基因组特征 , 揭示了神经 -内分泌 -免疫 /代谢新的调控网络在应答低氧胁迫中的关键作用和 皮肤黏液蛋白在应对空气暴露胁迫中的多重保护功 能 [35,36]; 草鱼基因组及其功能基因信号通路分析诠 释了其草食性适应的分子机制 [37]. 由此可见 , 全基 因组分析已使鱼类生物学现象的机理解析和诠释跃 上了新台阶 .
[1]
引用格式 : 桂建芳 . 水生生物学科学前沿及热点问题 . 科学通报 , 2015, 60: 2051–2057 Gui J F. Scientific frontiers and hot issues in hydrobiology. Chin Sci Bull, 2015, 60: 2051–2057, doi: 10.1360/N972015-00605
[32]
; 半滑舌鳎全基因组分析为 ZW
性染色体结构进化和其变形分化适应海床底栖生活 方式的分子机理提供了见解 [33]; 鲤全基因组序列揭
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评 述
种途径 , 主要进展是在完成了长牡蛎、虾夷扇贝和栉 孔扇贝的全基因组框架图的基础上 , 成套研发了低 成本、高通量遗传标记分型技术 , 建立了贝类全基因 组选择育种分析评估系统
[43]
评述 [24], 关于鱼类和贝类抗病育种可否实现 , Trygve Gjedrem[49]刚刚发表了他的正面观点 . 事实上 , 自 20 世纪以来 , 水产养殖已发现的严重疾病超过 40 种 , 中国水产养殖鱼类因病年损失率超过 10%, 年损失 超 150 亿元 , 加上新的疾病不断出现 , 因而鱼类及水 产动物病害已成为水产养殖发展的制约因素 . 抗病 育种可行吗 ? 带 着 这 个 疑 问 , 我 用 “anti-disease breeding or disease resistance breeding in fish”为关键词去寻找大 数据的提示 . Google学术搜索告诉我们 , 从 20 世纪 90 年代初开始 , 虽有不少关于鱼类抗病育种的文章 发表 , 但其成功率不高 , 真正有成效的研究事例很 少 . 日本东京海洋大学 Nobuaki Okamoto教授团队的 关于牙鲆抗淋巴囊肿病分子标记辅助育种研究 , 可 谓是一个成功范例 , 他们培育出的抗淋巴囊肿病牙 鲆已在日本市场上达到 35%的占有率 [50,51].
摘要 鱼类遗传和鱼类免疫是水生生物学 2 个重要的中心议题. 一些鱼类, 如斑马鱼和青鳉等 可作为研究遗传、 发育和免疫等与生命相关科学问题的模型, 斑马鱼等模型鱼类已成为生命科 学、 特别是脊椎动物进化发育生物学等重大发现的主角. 随着重要养殖鱼类和水产动物全基因 组研究的发展, 一些与水产养殖相关的特殊生物学现象已从其进化适应的分子机制上得到了 深入解析, 并由此促进了 2 个现代的水产遗传育种生物技术, 即基于分子模块设计育种体系和 基于全基因组分型的选择育种途径的发展和应用. 此外, 鱼类及水产动物免疫机理与病害防 育种和病害防控提 供了新的技术途径. 总之, 由于水产养殖已被认为是人类未来食物的重要来源, 水生生物学的 研究及其进步将是水产养殖可持续发展的源泉.
2015 年 8 月
第 60 卷
第 22 期
组学研究的模型 [9,10]; 中国科学院水生生物研究所驯 化的稀有鮈鲫作为模型鱼类已在病毒感染、 环境内分 泌 紊 乱 和 毒 理 分 析 等 研 究 中 发 挥 了 重 要 作 用 [11,12]; 拥有 100, 156, 162 和 212 条染色体数的鲫、金鱼、银 鲫将有可能为多倍化后二倍化、二倍化后再多倍化、 多倍化后再二倍化以及银鲫单性和有性双重生殖方 式 提 供 更 独 特 的 模 型 和 更 有 价 值 的 遗 传 信 息 [13~18]. 总之 , 斑马鱼等模型鱼类已成为生命科学 , 特别是脊 椎动物进化发育生物学等重大发现的主角 .
１
前沿与热点之一: 模型鱼类与生命科学
谈到模型鱼类 , 首选的是斑马鱼 , 而将斑马鱼推
上模型鱼类的开创者则是美国 Oregon 大学已故著名 遗 传 学 家 George Streisinger. 1981 年 , 当 George Streisinger 关于斑马鱼人工雌核生殖的研究在 Nature 发表后 , 斑马鱼作为脊椎动物遗传理想研究对象已 开始吸引不少后来者 . 1994 年 , Nature和 Science发表
专题评论 , 认为斑马鱼撞上了大运 , 肯定其为发育和 遗传等生命科学研究的理想模型动物 [2]. 本文仅提及 2014 年 10 月中国科学院水生生物研究所发布的斑马 鱼 1 号染色体全基因敲除研究 , 利用这一斑马鱼资源 平台 , 可以研究生命科学的基础问题 , 揭示胚胎和组 织器官发育的分子机理 ; 可以构建人类的各种疾病 和肿瘤模型 , 建立药物筛选和治疗的研究平台 ; 可以 建立毒理学和水产育种学模型 , 研究和解决环境科 学和农业科学的重大问题 . 与斑马鱼特性类似 , 一种来源于日本水稻沟渠 的青鳉 (Oryzias latipes) 也已成为在生命科学研究中 仅次于斑马鱼的重要的模型鱼类 [3]. 事实上 , 随着全 基因组时代的到来 , 在鱼类中已开始呈现出包含有 20 多种鱼类进行脊椎动物进化发育研究的一支新的 模型军团 [4]. 例如 , 三棘刺鱼 (Gasterosteus aculeatus) 已成为进化适应和环境内分泌紊乱的研究模型 [5,6] ; 非洲鲡鱼已成为适应性进化和爆发性物种形成的一 种有趣模型 [7,8]; 河鲀已在鱼类特异的基因组重复中 获得了惊人发现 , 成为脊椎动物基因组和比较基因
, 并
在编者按中指出 , 近 50 年来水产养殖快速增长的主 要因素之一是鱼类生物学和生物技术发展和进步的 结果 [31]. 实质上 , 全基因组测序也为鱼类及水生动物生 物学的机理研究提供了大数据支撑 . 例如 , 牡蛎基因 组揭示了其通过防御相关基因大量扩张而逆境求生 抗逆适应的分子机理和通过大量的外套膜分泌蛋白 以及血淋巴细胞和外来体蛋白共同形成天然外壳物 理屏障的分子机制
关键词
水生生物学 模型鱼类 鱼类遗传 鱼类遗传育种 鱼类免疫 鱼类病害防控
水生生物学经过近百年的发展 , 已形成一门涉 及生物、生态、水产、环境和能源等多领域多学科交 叉的综合性科学 . 作为第 529 次香山会议的主题评述 报告 , 本文将围绕会议规定的鱼类遗传与发育、鱼类 分子免疫学、淡水藻类生物学、湖泊生态风险 4 个中 心议题的前 2 个 , 结合个人的研究特长和长期的研究 积累 , 遴选出模型鱼类与生命科学、鱼类生物学及生 物技术与基因组时代、 基因组解析与鱼类及水产生物 遗传育种、 鱼类及水产动物免疫学与病害防控策略和 可持续水产养殖与人类未来食物 5 个前沿和热点问 题进行评述 , 力争引起相关学者的兴趣与讨论 .
[45]
已被引用 80 多次 ,
成为 Chinese Science Bulletin 2012 年和 2010~2014 年 引用率最高的 10 篇论文之一 , 表明鱼类遗传育种这 一领域在学科发展上确实有相当的活力 . 带着这一兴趣 , 我以 “fish genetic breeding”为关 键词从 Google 学术搜索 中去寻找大数据的提示 . 3 篇 高引用率的论著源于国际两位大师级的鱼类遗传育 种家 . 一位是被 1991 年在武汉召开的第 4 次国际水 产遗传学研讨会授予的第一位荣誉会员、 已故的前苏 联鱼类遗传育种学家 KirpichnikovV S, 他的《鱼类选 择育种的遗传基础》 [46] 曾是我们这一代水产遗传育 种人的经典 ; 第二位是 2014 年被世界水产学会授予 终 生 荣 誉 会 员 的 挪 威 鱼 类 遗 传 育 种 学 家 Trygve Gjedrem 教授 , 他在世界上被尊称为 “ 水产养殖产业 之父 ”, 至今还在发表评述性文章 [47,48]. 查阅他个人 的 Google 学术网页 , 他的论著都与鱼类遗传育种相 关 , 被引用 4550 次 , H指数为 37, 即有 37 篇论著被引 用超过 37 次以上 , 是一位专业性很强的鱼类育种学 家 . 他在 2012 年发表的关于 “选择育种对于满足将来 动物蛋白需求的重要性 ”的评述中 , 基于每年 5.4%的 遗传获得率 , 绘出了遗传改良对象不同改良率下的 水产养殖产量的变化情况 . 如果养殖的全为遗传改 良品种 , 2020 年的水产养殖产量将可在 2007 年的 5000 万吨的基础上加倍 , 达 1 亿吨 . 因此 , 遗传育种 有很深远的科学意义 . 关于鱼类和水产动物的性别控制育种最近已有
２ 前沿与热点之二 : 鱼类生物学及生物技 术与基因组时代
作为研究鱼类发生、发育、生长、繁殖及其生活 习性的规律和机制并由此开发可用于遗传育种和病 害防控生物技术的一门综合性学科 , 鱼类生物学和 生物技术为水产养殖产业的形成和快速发展提供了 系列的知识和技术源泉 [19]. 例如 , 20 世纪 60 年代 早期包括青、草、鲢、鳙 “四大家鱼 ”人工繁殖技术的 突破为鱼类和水产动物的种苗生产提供了关键的科 技支撑 ; 20 世纪 80 年代以来生物技术的创新和发展 为遗传育种和病害控制以及水产种业的形成提供了 持续动力 ; 许多在产业中发挥重大作用的水产养殖 品种主要源于对其原种生物学特性的深入研究, 如鲤、 鲫类新品种多数是在对其遗传背景充分了解的 基础上培育而成 , 在水产种业创新推动水产可持续 发展中意义重大 [19]; 全雄黄颡鱼也是在揭示其性别 决定机制、开发出 X和 Y染色体连锁标记的基础上培 育产生 [20~23]. 2014 年 , 受《中国科学 : 生命科学》之 邀 , 本人作为责任编委组织了 “ 鱼类生物学和生物技 术 ”中英文专辑 , 共发表了 7 篇评述性文章