摘要 杂交是广泛应用的重要育种技术, 然而, 在鱼类中, 杂交育种长期以来缺乏系统的理论和技术支撑. 通过长期的系统研究, 本课题组探索出了鱼类远缘杂交相关的遗传和繁殖规律, 形成了适合于远缘杂交和近缘杂交的一步法育种技术和多步法育种技术, 创制了一批二倍体鱼品系和四倍体鱼品系, 研制了一批优良鱼类. 另外, 通过查阅国内外有关鱼类杂交的相关文献, 对鱼类杂交育种途径、技术方法及效果等进行了广泛讨论. 该文对鱼类杂交育种研究及应用具有重要的参考价值.
关键词 鱼类, 远缘杂交, 近缘杂交, 品系, 育种技术
鱼类长期近交易导致品种退化, 出现生长速度下降、抗性降低、繁殖力降低等不良现象. 目前, 为防止上述不良现象的产生常用的鱼类遗传育种技术有杂交[1~19]、雌核发育[20~40]、雄核发育[32,41~49]、选育[50~59]、转基因[60~78]和基因编辑[79~95]等技术. 不少学者用雌核发育技术研制了改良四倍体鱼[4,13,16,27,33]、改良三倍体鱼(中科3号及中科5号) [35,36,48,49,55,96], 还用雄核发育技术研制了改良四倍体鱼[4,13,16,46,47], 近年来基因编辑技术不仅在模式鱼类 ( 如斑马鱼[79,81~83,85,87,88,92]、青鳉[80,84,90])研究中得到应用, 而且该技术已经广泛地应用到经济鱼类的基因工程育种中. 截至目前, 在黄鳝[94]、鲟鱼[95]、罗非鱼[86]、鲶鱼[91]、鲫鱼和鲤鱼[89,93]等重要经济鱼类中都有关于基因编辑技术的研究及应用报道.
截至2017年, 我国通过遗传育种技术研制的83个国家级鱼类新品种获批(表1), 在这些鱼类新品种中, 有40个为杂交种(占48.2%)(表2)、选育种39个(占 47.0%)、其他类型种4个(占4.8%). 上述数据表明杂交是目前我国鱼类育种中使用最广泛的育种技术.
杂交是防止品种退化及创制优良品种的有效办法. 杂交分为远缘杂交和近缘杂交. 远缘杂交是指亲缘关系在种间或种间以上的两个物种之间的杂交, 它可以把不同物种的基因组组合在一起, 使得杂交后代在表型和基因型方面发生显著变化. 近缘杂交是指同种内的不同品系、不同品种的个体间的杂交, 它可以把不同品种或者亚种之间的基因组组合在一起, 使得杂交后代在表型和基因型方面发生一定程度的变化. 显然, 在表型和基因型的变化程度上, 远缘杂交后代产生的变化一般要大于近缘杂交后代所产生的变化. 从亲本的亲缘关系来分析, 近缘杂交可视为远缘杂交中的一种特殊情况. 揭示远缘杂交的遗传和繁殖规律, 对近缘杂交也具有指导和借鉴作用.
一般认为, 由于种间生殖隔离的存在, 远缘杂交难以形成可育品系. 因此在鱼类远缘杂交研究中, 创制两性可育的杂交品系是一项探索性很强的创新研究工作. 以前缺乏可供参考和借鉴的遗传和繁殖规律来指导远缘杂交的定向育种, 难以预判远缘杂交后代可能会出现何种类型的后代. 如果光凭表型优势互补来进行带有盲目性质的育种, 容易导致杂交后代死亡、没有杂交优势、难以形成品系等不良结果. 探索出鱼类远缘杂交的遗传和繁殖规律, 把表型特征互补目标归纳到有序的遗传学基础轨道上来, 对指导鱼类遗传育种具有重要的指导作用.
很多研究证明, 一些生物的进化与杂交相关, 如植物中的四倍体萝卜甘蓝[97]、六倍体小麦(Triticum aestivum L.)[98]、二倍体向日葵(Helianthus annuus L.)[99,100]等都是与远缘杂交有关. 自然界中具有32500 多种鱼类, 是脊椎动物中种类最多的类群[101]. 本课题组推断很多鱼类的形成都与杂交有关. 然而, 长期以来一直缺乏鱼类杂交形成新物种的直接证据.
众多的鱼类种质资源为鱼类远缘杂交研制优良鱼类提供了大量的可供选择的杂交亲本. 一些鱼种中存在种内的不同品系或者品种, 为鱼类近缘杂交也提供了充足亲本. 然而, 鱼类杂交形成优良鱼类的行之有效的途径有哪些? 鱼类杂交的规律如何? 鱼类杂交与鱼类物种进化的关系如何? 这些都是有待回答的科学问题.
1 鱼类远缘杂交的遗传规律
1.1 染色体水平上的遗传规律
染色体是遗传物质的载体, 可以直观表现生物体的细胞遗传特征. 杂交后代的染色体数目、组型、倍性及与亲本之间的关系是杂交育种遗传规律的重要组成部分, 是杂交育种研究的重要基础.
本课题组通过长期而系统的研究, 以染色体数目 100和48的淡水鱼类(包括鲤、鲫、鳊、鲌、鲴、草、鲢、鳙等重要经济鱼类)为主要研究对象, 开展了31个远缘杂交组合的研究, 获得了25个具有存活后代的杂交组合(表3), 为鱼类远缘杂交的遗传规律的探索奠定了坚实的实验基础. 在鱼类杂交亲本的分类上, 我们采取双亲染色体数目相同和不相同来区别, 这也是杂交组合中染色体的最基本属性的分类, 覆盖了整个杂交类型, 远缘杂交和近缘杂交都涵盖在其中, 在这个大前提下来区分双亲的分类关系. 通过表3中已经开展的鱼类杂交试验[3~12,14,16,18,19], 结合本课题组以前开展的相关研究工作(如异源四倍体鲫鲤的研究工作) [1], 在染色体水平探索出了以下鱼类远缘杂交的遗传规律.
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(图1); 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(图2); 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[4,8,13].
1.2 鱼类远缘杂交遗传规律的生物学机制
(1) 染色体水平的机制. 染色体水平的机制是从染色体的数目、组型、组成等方面来阐明杂交后代与其双亲的遗传关系, 避免了单纯用双亲表型特征互补来设计育种的缺陷. 育种工作者往往期盼杂交后代出现兼顾双亲表型优势的杂交优势, 但是缺乏遗传学方面的规律来支撑杂交设计, 导致很多杂交组合是不能形成存活后代或者存活后代数目很少, 难以实现预期的期盼. 因此, 只有把无序的表型结合期盼放到有序的遗传学轨道上(依据染色体的遗传规律), 两者相互结合, 杂交优势的表型才有可能体现. 上述在染色体水平探索出的遗传规律, 对鱼类杂交育种具有很好的指导意义.
(2) 核-核、核-质之间的协调性机制. 在染色体水平揭示的遗传规律, 涉及杂交双亲染色体匹配程度. 杂交双亲染色体数目的匹配关系会影响到杂交F1的核- 核及核-质(细胞质)之间的协调性, 核-核及核-质之间的协调性与杂交F1的存活率是相关的(图3, 表4). 在F1 中, 核-核及核-质之间的协调性包括母核物质-父核物质、母核物质-质、父核物质-质之间的协调性. 在近缘杂交组合中, 母本和父本的染色体数目相同而且亲缘关系较近, 母核物质-父核物质、母核物质-质、父核物质-质之间协调性是很好的, 因此近交杂交组合的杂交F1的存活率一般是较高的.
在远缘杂交中, 当母本和父本的染色体数相等时, 尽管他们是种间杂交, 亲缘关系较远, 但是母核物质- 父核物质、母核物质-质、父核物质-质之间也还是存在较好的协调性, 因此这种杂交F1的存活率还是良好的. 当母本染色体数大于父本染色体数时, 母本遗传物质占主要地位的杂交F1具有一定的发育潜力, 在这种情况下, 母核物质-父核物质、母核物质-质、父核物质-质之间的协调性与上述两种情况相比都会下降, 但整体相容性还是正常, 这种杂交F1有相当比例的存活率. 当母本染色体数小于父本染色体数时, 母本遗传物质不占主要地位的杂交F1的发育能力较差, 在这种情况下, 母核物质-父核物质、母核物质-质、父核物质-质之间协调性下降幅度都很大, 这种杂交F1的存活率一般是很低的.
杂交F1中的母核物质-父核物质、母核物质-质、父核物质-质之间的相容性, 不但影响杂交F1的存活率, 对杂交F1的遗传和繁殖规律等生物学特征都具有影响.
(3) 分子生物学方面的机制. 在杂交鱼的分子生物学水平上, 其母核物质-父核物质、母核物质-质、父核物质-质的关系涉及了DNA遗传结构的变化, 如在源于杂交的四倍体鱼品系和二倍体鱼品系中均发现了嵌合基因的存在, 嵌合基因是杂交鱼品系的重要遗传特性, 它可以降低不同物种的遗传物质之间的不协调性, 为杂交鱼品系的代代相传奠定了重要的遗传基础[15,17].
杂交鱼中母核物质-父核物质、母核物质-质、父核物质-质的关系还涉及RNA水平和蛋白质水平的变化, 如在RNA水平, 基因的非加性表达(包括显性表达、超显性表达) [102]、剂量补偿效应[103]和不同亲本来源的顺反式调控等, 这些来源于多种表观遗传调控的影响, 最终都通过影响部分同源基因表达模式, 来进一步调控杂交物种性状的形成[104,105]. 在蛋白质水平, 不同倍性杂交鱼在与生长、育性等相关的研究中存在显著差异[106~108]. 研究鱼类杂交过程中RNA水平和蛋白质水平的变化, 将为杂交物种的多样化性状研究提供重要的途径和指导.
2 鱼类远缘杂交的繁殖规律
源于远缘杂交的四倍体和二倍体杂交鱼品系为雌、雄两性可育. 其中, 异源二倍体杂交鱼(2n=100)产生的二倍体配子是形成异源四倍体鱼品系(4n=200)的重要原因[1], 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[10], 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[40], 二倍体杂交鱼产生的单倍体配子是形成二倍体鱼品系的重要原因[11]
一般情况下, 鱼类脑垂体中促性腺激素分泌细胞 (gonadotropin hormone, GTH)的形态、结构、数量会随生殖活动发生变化, 即在产卵后大量退化的GTH细胞由于细胞内颗粒大量释放而出现空泡状结构[109]. 在繁殖季节之后, 二倍体红鲫、异源四倍体鲫鲤脑垂体中的GTH细胞中出现了大量的空泡状结构, 说明它们能进行正常的内分泌活动, 从而促进性腺正常发育; 而三倍体湘云鲫的GTH细胞中只能观察到很少量的空泡状结构存在, 大部分的分泌小球和分泌颗粒并未排出, 说明三倍体湘云鲫不能进行正常的内分泌活动且其性腺发育不正常; 无论繁殖季节前后, 在三倍体湘云鲫垂体中Fshβ和Lhβ基因的表达量都要高于二倍体鱼与四倍体鱼, 结合上述脑垂体超微结构观察结果, 三倍体湘云鲫GTH细胞内的分泌小球和分泌颗粒不能像二倍体和四倍体一样正常地排出, 而在分子水平上表现为促性腺激素Fshβ和Lhβ基因在繁殖季节后的表达量要高于二倍体和四倍体鱼. 上述研究结果从繁殖生理学上解释了四倍体鱼的可育性及三倍体鱼的不育性[110~112].
3 源于鱼类远缘杂交的可育品系的建立
依据上述遗传和繁殖规律, 本课题组突破了鱼类远缘杂交F1生殖难关, 建立了10个可代代相传的新型四倍体鱼品系和二倍体鱼品系(包括3个同源四倍体鱼品系和7个二倍体鱼品系), 修正了远缘杂交难以形成可育品系的观点. 这些新型鱼类品系形成了新的鱼类种质资源.
3.1 四倍体鱼品系的建立
设计了一批母本染色体数为100及父本染色体数为48的双亲染色体数目不同的远缘杂交实验(表3), 在红鲫(♀)×团头鲂(♂)、日本白鲫(♀)×团头鲂(♂)和鲤鱼 (♀)×团头鲂(♂)的远缘杂交组合中研制出3个同源四倍体鱼品系[10]. 其中由红鲫(♀)×团头鲂(♂)杂交形成的同源四倍体鱼品系(图4A)已繁衍到F13. 该杂交模式的F1 中都存在两性可育的异源四倍体鱼(4n=148)[6], 它们能产生同源二倍体配子或者同源三倍体配子, 这些特殊的配子导致了同源四倍体鱼的形成[10].
另外, 自20世纪80年代以来, 本课题组进行了红鲫 (2n=100, ♀)×湘江野鲤(2n=100, ♂)属间远缘杂交研究, 在其杂交F1中发现了部分可育的二倍体个体(2n=100), 它们自交获得F2(2n=100), 在F2的雌性、雄性个体中能分别产生不减数的二倍体卵子和二倍体精子, 它们受精后在F3中形成了两性可育的四倍体群体(4n=200), 即异源四倍体鲫鲤. 这些两性可育的四倍体经过连续自交传代, 目前已经形成了一个遗传性状稳定、四倍体性能代代相传的异源四倍体鲫鲤(4n=200)品系 (F3~F27) [1,15,17].
3.2 二倍体鱼品系的建立
设计了一批双亲染色体数目相同(100或者48)的远缘杂交实验(表3), 在该杂交模式中, 研制出了4个可育的异源二倍体鱼品系. 在团头鲂(♀)×翘嘴红鲌(♂)的正反交中建立了异源二倍体鲂鲌品系(图4B)和异源二倍体鲌鲂品系[11]; 在团头鲂(♀)×黄尾密鲴(♂)中建立了异源二倍体鲂鲴品系[7]; 在锦鲤(♀)×红鲫(♂)中建立了异源二倍体鲤鲫品系. 上述4个异源二倍体鱼品系整合了双亲的基因组, 呈现了在外型和基因型上为双亲中间类型的杂交特色.
另外, 在双亲染色体数目不同(100和48)的远缘杂交模式中, 研制出了3个同源二倍体鱼品系. 在日本白鲫(♀)×团头鲂(♂)中研制了体色为灰白色的改良二倍体白鲫品系(湘军白鲫); 在鲤鱼(♀)×团头鲂(♂)中研制了体色为青灰色的同源二倍体类鲫品系(湘军鲫)(图 5A); 上述两个源于远缘杂交的品系中, 其遗传物质主要继承了来自母本的基因组, 但是嵌入了来自父本团头鲂的遗传物质; 在表型上, 这两种鱼也体现了团头鲂的遗传特征, 如它们具有团头鲂体背高的外型特征, 同时其肉质(团头鲂肉质好)也得到了改善[19]. 在锦鲤 (♀)×团头鲂(♂)中研制的二倍体花鲫(红鲫)品系(湘军锦鲫)体色为红白相间(图5B); 该花鲫品系自交后代中衍生出了体色为红白相间的双尾金鱼(湘军金鱼)(图 5C), 创建了具有体背高等优点的新型漂亮观赏鱼种质资源; 湘军锦鲫与湘军金鱼中也嵌入了父本团头鲂的遗传物质, 使其体型等方面得到了改善. 上述后两个杂交组合的研究结果提供了鲤-鲫-金鱼远缘杂交形成新物种的重要途径[19].
鱼类远缘杂交育种技术的建立及应用相关期刊推荐：《生命科学》创刊于1988年，主要刊登：生命科学范围内的评述性或综述性文章和重大项目介绍、研究进展与管理经验，同时报道有关领域的科研信息、科学家介绍、研究机构介绍和书评等内容。读者对象：是从事生命科学与相关科学的研究、教学和管理的工作者，以及有关学科大专院校学生。获奖情况：1996年获上海市优秀科技期刊评比一等奖。有投稿需求的作者，可以直接与在线编辑联系。
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