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探索远缘杂交规律创制优良鱼类——记我校2018年度国家科学技术进步奖二等奖获奖项目“淡水鱼类远缘杂交关键技术及应用”

发布人:日期:2019-04-23 13:12浏览数:

本报记者 蔡颂 汤陈宸 鱼类富含蛋白质和不饱和脂肪酸,是人们日常生活中不可缺少的重要蛋白质来源。良种是渔业发展的龙头,在该领域占有很重要地位。远缘杂交可以使得杂交后代在遗传结构和表型方面发生显著变化,通过远缘杂交形成可育品系或者优良品种,具有重要意义。

鱼类有32000多种,是世界上种类最多的脊椎动物,为远缘杂交育种提供了非常丰富的亲本资源。然而,传统的孟德尔遗传规律只适用于近缘杂交育种,在鱼类远缘杂交育种中,长期以来缺乏系统的遗传规律和育种技术,导致盲目杂交、低效率杂交等不良现象。另外,由于种间生殖隔离等因素,一般认为动物远缘杂交难以形成可育品系。探索鱼类远缘杂交的遗传和繁殖规律,具有重要意义。

针对上述问题,我校省部共建淡水鱼类发育生物学国家重点实验室主任刘少军教授带领的研究团队在相关研究领域工作贡献突出,刘少军主持的科研项目“淡水鱼类远缘杂交关键技术及应用”获得了2018年度国家科学技术进步奖二等奖。我校为第一完成单位,这是该团队继2011年后再次获得该类大奖。

数十载如一日,揭示鱼类远缘杂交规律

在学校的江边学生公寓旁,有一个占地11亩,大大小小34个鱼池,近120个大鱼缸的湖南省鱼类遗传育种中心实验基地。每年的3到6月是鱼类产卵的季节,也是这个实验基地最为忙碌的时期,大规模的杂交实验就是在这里开展。“鱼不好养啊,和培育农作物一样,要抢季节”。在这期间,刘少军带领科研团队几乎不外出,每天都是“泡在”实验基地,观察亲鱼产卵、鱼苗孵化、鱼苗生长等情况。“鱼类产卵从凌晨四五点就开始了,要观察鱼类产卵情况,我们的作息时间就得跟着鱼类走”刘少军对此习以为常。“自然界中,除非极端环境下,一般两个不同物种的鱼类不会自然杂交。因此只能创造特殊环境,让它们交配。”在如此低概率的情况下,一年能做一两个鱼类远缘杂交组合就不容易了。就这样十几年如一日,刘少军带领团队一直坚持着自己的研究方向。他们以染色体数目为100和48的鱼类(包括鲤、鲫、鳊、草、鲢、鳙等重要经济鱼类)为主要研究对象,完成了一系列个远缘杂交组合的系统研究,获得了一批具有存活后代的杂交组合,通过长期的系统研究,最终揭示了淡水鱼类远缘杂交的遗传和繁殖规律,为鱼类远缘杂交育种关键技术的建立提供了重要的理论支撑。

具体来说,在遗传规律上,当母本染色体数大于父本染色体数时,突破杂交F1生殖难关,可形成同源四倍体鱼品系和同源二倍体鱼品系;当母本染色体数等于父本染色体数时,突破杂交F1生殖难关,可形成异源四倍体鱼品系和异源二倍体鱼品系;当母本染色体数目小于父本染色体数目时,难以形成存活后代。同时,首次在四倍体鱼品系和二倍体鱼品系中发现了嵌合基因。“嵌合基因是杂交鱼品系共有的遗传特性,可以降低不同物种的遗传物质之间不协调性,为杂交鱼品系传代奠定了重要的遗传基础。”刘少军说。而在繁殖规律上,四倍体鱼和二倍体鱼杂交品系为雌、雄两性可育,异源四倍体鱼(4n=148)产生的同源二倍体配子和同源三倍体配子是形成同源四倍体鱼(4n=200)品系的重要原因;这些特殊配子的形成与早期生殖细胞的融合及核内复制等机制有关;二倍体杂交鱼产生单倍体配子及其受精是形成二倍体鱼品系的重要原因。

“这些规律的得出完全依靠一个一个实验数据的积累和归纳分析而获得,教科书中找不到可借鉴和模仿的例子。”刘少军说。

授人以鱼,亦授人以“渔”

湖南素有“鱼米之乡”的美誉,省部共建淡水鱼类发育生物学国家重点实验室就坐落在此,这也是我国目前唯一一个以“淡水鱼类”命名的国家重点实验室。作为该实验室的主任,刘少军一直坚守着“让老百姓吃好鱼、吃放心鱼”的梦想。然而,由于远缘杂交研究充满了不确定性,逐梦之路并不平坦。走在该实验室的走廊上可以醒目的看到实验室的室训:脚踏实地、探索创新、持之以恒、水到渠成。这是刘少军教授亲身总结出来的科研哲理,也一直激励着实验室师生坚守自己的梦想。

由于鱼类远缘杂交后代中可育的雌性和雄性个体数目非常少,有时,从数以万计的受精卵中获得几条存活的实验鱼就很幸运了。即使是可育的后代,也要攻克前面几代杂交鱼产生足够的精液和卵子来形成后续品系的难关。所以,每逢鱼类产卵的时节,刘少军和他的团队都要起早贪黑,一次次从成百上千条杂交鱼里收集珍贵的精液、卵子,小心翼翼放进培养皿里,守候奇迹出现。即使杂交成功产生了后代,每代也至少需1年才能性成熟,有的甚至需要等到2-4年性成熟后才能继续繁衍后代。如果要建立一个遗传稳定的鱼类新品系,有的需要4-6年,有的需要长达10多年的连续实验和跟踪检测分析。正是因为这份坚守,刘少军带领团队在揭示了淡水鱼类远缘杂交的遗传和繁殖规律基础上,建立了适合于鱼类远缘杂交和近缘杂交的一步法和多步法共性育种关键技术,利用该技术研制了可代代相传的一批四倍体鱼品系和二倍体鱼品系,丰富了鱼类种质资源;创制了一批在生产上有重大应用价值的优良三倍体和二倍体鱼类,其中合方鲫、杂交翘嘴鲂和鳊鲴杂交鱼已获得国家级水产新品种证书,丰富了老百姓的菜篮子;产生了显著的经济和社会效益。

该团队建立的一步法和多步法育种技术作为一种重要的共性育种技术,对鱼类杂交育种具有重要的指导作用。所谓一步法育种技术,就是在双亲染色体数目相同前提下,选育具有杂交优势F1群体的育种技术。该类杂交组合的F1在外形、生长速度等方面保持一致,可作为具有杂交优势的候选群体。团队通过对该类杂交组合的双亲染色体数目、表型特征及其F1的生物学特性进行系统研究,选育出一批具有明显杂交优势的F1。团队突破远缘杂交F1生殖难关,建立了10个可育的四倍体和二倍体鱼品系;利用这些新型品系研制了多种优良三倍体和二倍体鱼类。用同源四倍体鱼品系与鲤鱼交配制备了新型异源三倍体鲤。

该团队还利用多步法技术首次证明了鲤—鲫—金鱼的杂交形成途径;不但创制了新型鲫、锦鲫、金鱼资源,而且为研究新物种的形成建立了理想的品系模型。多步法育种技术也适合于鱼类近缘杂交育种中。

近30年来,刘少军一心追寻鱼类远缘杂交的秘密,也渐渐培育了许多优良的新品种,而逐梦之途没有尽头,对他来说,创新的脚步永远不会停止,他经常说“鱼类良种创制,没有最好,只有更好”。

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