我国是水产养殖大国。鱼类养殖在水产养殖中具有重要的地位和作用,2023年我国渔业年鉴统计数据显示,鱼类养殖产量占我国水产养殖总产量的一半以上。

由于很多鱼类雌雄之间都存在个体大小、生长速率等方面的显著差异,且在养殖条件下,这些差异表现得更加明显。因此通过性别控制来培育优势性别的单性群体,成为提升鱼类养殖经济效益的有效途径。日前,中国科协发布了2023年十大产业技术问题,“如何实现生殖干细胞精准移植技术在养殖鱼类单性种质创制中的广泛应用”被列入其中。

作为前沿育种技术,生殖干细胞移植技术是什么?在养殖鱼类单性种质创制应用中,该技术面临的难点又是什么?对此,记者采访了有关专家。

实现跨亚科物种间的“借腹”生殖

细胞是生物体最基本的结构和功能单位。生殖干细胞是指具有自我更新能力,又能分化成子代细胞的生殖细胞。胚胎期的生殖干细胞叫作“原始生殖细胞”。当生物个体进入青春期,原始生殖细胞既可分化为雄性体内的生殖干细胞,即精原干细胞,又可分化为雌性体内的生殖干细胞,即卵原干细胞。随着个体成熟,精、卵原干细胞最终会分别分化为功能性配子,即精子和卵子。精子和卵子结合后又可以形成一个新胚胎。

生殖干细胞移植技术是指将供体的生殖干细胞移植到另一个同种或异种个体(即受体)的体内,供体的生殖干细胞将在受体的性腺中增殖、分化,并最终发育为功能性配子。因此生殖干细胞移植技术也被形象地称为“借腹怀胎”技术。

中国水产科学研究院黄海水产研究所基因组室主任、研究员邵长伟说,作为前沿育种技术,生殖干细胞移植技术应用在性成熟时间长、育种周期长的水产养殖生物中,可大幅缩短育种周期、显著提升育种效率,从而提供一种更快速、更有效的育种方法。这项技术还可与基因编辑或表观基因编辑等技术相结合,将经过编辑改造的生殖干细胞移植到生物体内,使其在体内发育成为具有特定遗传特征的个体,从而为优异性状定向改良提供了一种更精准可靠的育种方法,大大加速育种进程。

“有些鱼类的性成熟周期为几年甚至十几年,育种周期很长。因此通过‘借腹’生殖技术将这些鱼类的生殖干细胞移植到繁殖周期短的鱼类体内,可缩短育种周期,提升育种效率。”中国科学院院士、中国科学院水生生物研究所研究员桂建芳说,生殖干细胞移植技术提升育种速率,目前甚至已实现跨亚科物种间的“借腹”生殖。

新技术将突破移植的难点堵点

经过多年发展,鱼类生殖干细胞移植技术已趋于成熟,但仍有问题亟待解决。中国水产科学研究院黄海水产研究所王倩博士说,供体生殖干细胞系难于长期培养、受体内源性生殖干细胞不易全部清除、传统移植方式存在非定向性迁移等因素,限制了该技术在养殖鱼类单性种质创制中的广泛应用。因此,需要从生殖干细胞移植三要素,即供体、受体、移植三方面出发,不断对该技术进行难点突破与优化升级。

在生殖干细胞移植的供体方面,由于原始生殖细胞数量比较少,存在时期短,获得数量极为有限,限制了其应用范围。王倩说,通过技术创新有望实现生殖干细胞的体外稳定培养,解决上述问题。目前,研究人员已成功建立了虹鳟、中华乌塘鳢、马口鱼、红鳍东方鲀等鱼类的长期稳定培养的精原干细胞系,为生殖干细胞移植提供稳定的供体材料。

在生殖干细胞移植的受体方面,由于受体自身的配子发生会优于供体来源的配子发生,导致供体生殖干细胞产生的配子远少于受体产生的配子。因此,需要对受体进行不育处理,使其为供体生殖干细胞提供一个可以发育成熟并产生功能性配子的微环境。王倩说,目前制备鱼类不育受体的方法主要有三倍体诱导、杂交、高温—化学药物处理法、生殖细胞发育关键基因编辑等方法,但上述技术和方法均存在不同的问题。因此,研发一种操作简便、适用性强,还能保证内源性生殖干细胞高效清除的高通量受体不育技术,对生殖干细胞移植至关重要。目前,王倩所在的中国水产科学研究院黄海水产研究所已研发了一种不依赖于显微注射技术的基因编辑不育受体制备技术,为提高不育受体制备效率奠定技术基础。

在移植方面,王倩介绍,生殖干细胞移植实验通常在鱼类的幼鱼期、成鱼期通过腹腔注射或通过“外科手术”注射到性腺内等方式进行。幼鱼期注射定植率高,但对受体伤害大;而成鱼期注射受体成活率高,但定植率降低。同时提高受体成活率和定植率,成为促进生殖干细胞移植技术完善升级的关键。

借助细胞靶向技术,中国水产科学研究院黄海水产研究所近日开发了海水鱼类中首个特定组织(精巢)靶向性多肽,让生殖干细胞能以“自动识别”方式高效传递到幼鱼精巢内。“将该技术运用到生殖干细胞移植中,有望实现鱼类生殖干细胞快速、高效、精准移植。”王倩说。

可应用于珍稀濒危鱼类保护等多个领域

在过去几十年间,我国利用种间杂交、人工诱导雌核发育、生殖内分泌调控及其与性别特异分子标记结合等技术培育了一批广受市场欢迎的单性鱼类新品种,比如杂交鳢“雄鳢1号”、黄颡鱼“全雄1号”、牙鲆“北鲆1号”、翘嘴鲌“全雌1号”和虹鳟“全雌1号”等。

邵长伟说,通过生殖干细胞移植进行性别控制,是未来单性育种的重要发展方向。其中,构建体外生殖干细胞稳定传代体系、进行受体不育系高效制备、开展生殖干细胞靶向性修饰,有助于建立高效精准的育种技术体系,实现单性新种质的精准化、规模化创制,加速育种进程,大幅降低制种风险和成本,并为海水养殖鱼类单性种质规模化创制提供新思路。

中山大学海洋科学学院教授易梅生等在发表的《鱼类干细胞育种技术回顾与展望》一文中指出,生殖干细胞移植在鱼类育种中表现出育种时间短、效率高的显著优势,但该技术操作难度大、技术体系尚未完全成熟,在不同鱼类中应用还存在一些共性问题,因此尚需进一步完善。

除了养殖鱼类单性种质创制外,该技术还可应用在保存鱼类种质资源、维持物种多样性、保护珍稀濒危鱼类等领域。比如中国水产科学研究院长江水产研究所研发了中华鲟生殖细胞移植技术,用于保护国家一级保护动物中华鲟。“生殖干细胞移植技术,不仅是单性种质创制的前沿育种技术,更是水产遗传育种领域未来的攻关重点。”邵长伟说。

编辑:卜叶
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