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全球首例!青岛学者揭示鱼类性别决定的奥秘

生物的性状是由基因决定的。什么基因决定鱼苗是雌的还是雄的,什么基因决定鱼苗生长的快慢,这个问题是困扰鱼类遗传工作者多年的科学问题,也是制约鱼类性别控制技术发展的难题。
  能不能准确解析基因的功能,揭示鱼类性别决定的奥秘?中国水产科学研究院黄海水产研究所(以下简称“黄海水产研究所”)的陈松林团队取得突破性进展:首次将基因组编辑技术应用于鲆鲽鱼类,发现半滑舌鳎雄性决定基因,揭示雄鱼“矮小”的奥秘,为半滑舌鳎遗传改良开辟了一条新的途径,这在国内外还是首次。
  全球首例:将基因编辑技术成功应用于海水鲆鲽鱼类
  基因编辑是什么?作为近年来生命领域最重要的技术突破之一,它可以将基因组里任意一个基因进行定点编辑、敲除,或者把外源基因定点植入,从而改变生物的性状。
  事实上,基因编辑技术近几年已经相继在斑马鱼等模式鱼类,以及罗非鱼等淡水养殖鱼类上成功应用。但海水养殖鱼类具有胚胎显微注射技术难度大、仔鱼数量过少难以培育成活等特点,国内外未见有关海水养殖鱼类基因组编辑的成功报道。 “建立海水养殖鱼类基因组编辑技术成为海洋生物技术和遗传育种领域亟待攻克的重大课题。”陈松林表示。
  鉴于此,陈松林团队自2013年开始,便专注于海水鲆鲽鱼类基因组编辑技术的研究。经过几年的努力,团队成功建立了海水鲆鲽鱼类-半滑舌鳎胚胎显微注射技术及基因组编辑技术,并在性别决定基因功能验证上取得突破性进展。
  半滑舌鳎,俗称“舌头鱼”,是一种典型的鲆鲽鱼类。作为百姓最喜爱的食用鱼类之一,半滑舌鳎成为我国海水鱼类养殖的主导品种之一,产业规模较大。但半滑舌鳎有个特点:雌性比雄性个体要大两到四倍。陈松林介绍,作为食用鱼类,解决这个问题有两项选择:培育全雌鱼苗或改良雄鱼性状。由于半滑舌鳎的遗传特性决定了培育其全雌苗种目前还难以实现,因此陈松林团队探索了后者的可行性。“雌、雄个体差异大为实验结果提供了较好的对比;而将基因组编辑技术在这种鱼类上应用不仅有科学价值,也能在遗传改良和性控育种上有突破性意义和应用前景。”
  陈松林介绍,基因组编辑技术主要是通过对受精卵进行显微注射这一技术手段完成。但半滑舌鳎的受精卵小,且浮性大,在水中漂浮而难以固定。为此,陈松林团队研制了特定的模具,用于固定受精卵,方便受精卵的显微注射操作。而针对半滑舌鳎受精卵膜比较硬的特点,团队改进了显微注射玻璃针的尖度和长度,这样比较容易注射到胚胎的动物极。
  克服了显微注射的技术难点,团队成功对雄性半滑舌鳎进行了基因编辑,敲除了半滑舌鳎的雄性决定基因dmrt1,在获得的dmrt1基因定点突变的雄鱼中,有一些雄鱼的平均体重为普通野生型雄鱼的2.2倍,其生长速度明显高于野生型雄鱼,接近野生型雌鱼的大小。“这表明通过dmrt1基因定点突变有可能提高半滑舌鳎雄鱼的生长速度。”陈松林总结道。
  扬长避短:通过分析基因功能,改良鱼类经济性状
  此次将基因编辑技术成功应用于鲆鲽鱼类,除了最直接的实验结果,陈松林更看重其背后的意义:“基因编辑实验确定了dmrt1基因是半滑舌鳎的雄性决定基因,这表明基因编辑技术确实是分析基因功能的最有效手段,这也是基因编辑技术最重要的用途之一——分析和了解基因的功能。”
  发掘基因资源的目的之一就是在海洋生物产业和海水养殖业以及良种培育中进行利用,而基因功能的验证则是利用基因的前提。“事实上,全球科学家通过基因组测序,已经发现了很多不同鱼类的基因。但这些基因决定哪些性状,发挥什么作用,还无法完全了解。”陈松林说。通过基因编辑技术,对基因进行定点敲除,观察生物出现的表型性状的改变,由此对该基因进行功能鉴定及解析。
  而这项研究将有非常大的产业应用前景。陈松林介绍,对不同鱼类的不同基因进行功能确定后,可以扬长避短,通过基因编辑技术进行物种改良。对此,他举例道:“比如通过基因编辑技术,敲除抑制生长的基因,可以促进鱼类的生长;敲除易与病毒相结合的受体基因,使病毒在生物体上失去受体,可以提高鱼体的抗病性能。”
  同时陈松林表示,将内源性的生长抑制基因或致病基因等“不良”基因敲除,与“植入”外源基因的转基因技术不同,可以消除消费者对外源基因食用安全性的顾虑。因而基因组编辑技术将在鱼类高产抗病优质良种培育上具有重大应用价值,特别是在观赏鱼类遗传改良和种质创制上具有重大的应用价值和广阔的推广前景。
  总体看来,对于基因组编辑技术,陈松林主要看好三个领域的应用前景:在鱼类乃至整个海洋养殖动物的遗传改良方面有重要应用价值;可以对基因功能进行鉴定和解析,从而揭示重要经济性状的遗传基础和调控机制;可以发现海洋生物中蕴藏的药用基因,在养殖和医药领域均有重要应用价值。
  技术基础:首次完成半滑舌鳎全基因组测序
  不是所有基因都会带来性状变化,该如何选定要进行编辑的目标基因?这就要靠基因组测序。基因组测序简单来说就是“基因解秘”,就是查明基因内核苷酸的排列顺序,陈松林形容它为“破译基因密码这本天书”。
  事实上,在基因组编辑的“大风”吹来之前,陈松林团队已经于2011年完成了对半滑舌鳎鱼类的全基因组测序工作。“我们完成了半滑舌鳎全基因组测序,发现了两万一千多个基因。”陈松林说。“这是全球范围内完成全基因组测序的第一种鲆鲽鱼类,同时也是国内完成全基因组测序的第一种鱼类。”这一成果获得了2014年国家技术发明二等奖。正是基于半滑舌鳎全基因组解析的结果,团队在此基础上发现了性别决定基因,并进行了基因组编辑的研究。
  事实上,实验室的成功距离产业化应用还有一段路要走。陈松林介绍,在半滑舌鳎基因编辑鱼苗的培育上,团队目前仍面临着受精卵在显微注射后成活率低至约千分之一、仔鱼发育过程中死亡率高以及基因突变后的半滑舌鳎如何繁殖等等问题。但他同时表示,就目前来看,在半滑舌鳎上成功建立基因组编辑技术,对于其它海水养殖鱼类基因功能分析技术平台的建立和基因组编辑育种技术的开发都具有重要的指导意义和应用价值

 

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