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    中國工程院院士陳松林:進軍深遠海,良種是基礎

    2023-10-24 08:19:04 中國食品報

      中國是一個有著14億多人口的大國,解決好吃飯問題、保障糧食安全,要樹立大食物觀,既向陸地要食物,也向海洋要食物,耕海牧漁,建設海上牧場、“藍色糧倉”。

      數據顯示,我國居民需要的動物蛋白質來源中,水產養殖業貢獻了1/3,其中魚類作出了重要貢獻。據聯合國糧食及農業組織報告,為滿足居民優質蛋白質需求,到2030年我國魚類養殖產量要達到3400萬噸,較2022年2900萬噸產量將新增500萬噸。新增500萬噸產量從哪里來?

      鑒于目前陸地淡水養殖面積已很難再擴大,近海養殖也近乎“觸頂”,要新增養殖魚類產量,就要更多地向海洋進軍,也就是依靠設施類海水魚養殖進行增產。設施類海水魚養殖,包括陸基工廠化養殖、深遠海網箱和工船等養殖,將在魚類養殖產量提升上發揮重要作用。

      進軍深遠海,良種是基礎。中國工程院院士、中國水產研究院黃海水產研究所研究員陳松林表示,我國科技工作者正加快現代生物技術在海水魚類繁育和良種創制方面的應用,助推我國海水魚養殖業高質量發展,更好保障我國食品安全。

    海水魚育種發展空間大

      《瞭望》:是什么制約了我國海水魚養殖規模與產量?

      陳松林:2022年我國水產品總產量6866萬噸,其中水產養殖產量5565萬噸;魚類養殖產量為2903萬噸,海水魚類養殖產量193萬噸,只占我國全部魚類養殖量的6.6%。數據顯示,水產養殖業貢獻了中國人1/3的優質蛋白來源,但其中海水魚的貢獻還不夠大。

      影響我國海水魚類養殖規模擴大、產量大幅增長的原因,一是我國海水魚養殖歷史短、從業人員少。相比淡水魚養殖歷史已有幾千年,我國海水魚養殖是從20世紀50年代才開始,到80、90年代方初成氣候;二是適合海水養殖的品種少、養殖模式比較單一。近海養殖已基本達到上限,不管是陸基工廠化養殖還是深遠海養殖,都屬于集約化養殖、設施養殖,投資大、成本高,都需要我們篩選培育出生長快、抗逆能力強、營養價值高的海水魚新品種。

      《瞭望》:如何評價當前我國海水魚良種創制水平?

      陳松林:我國海水魚良種培育工作起始于20世紀90年代,盡管起步晚,但近30年來也取得長足進展。2010年全國水產原種和良種審定委員會首次審定了3個人工培育的海水魚新品種,到2022年,累計審定的海水魚新品種達到19個,發展速度非???。

      我國科研人員在海水魚育種技術上實現諸多重大創新,一些新的分子育種技術,比如性別特異分子標記和遺傳性別鑒定技術、抗病基因組選擇技術、抗病育種基因芯片以及基因組編輯技術等在海水魚上都實現了突破,并在育種中進行了成功應用,相關技術水平處于國際先進行列,在個別方向甚至達到國際領先水平。不過這些技術的發展及應用還很不平衡,像基因組編輯技術、抗病基因組選擇技術只在少數幾種海水魚上成功建立和應用。

      客觀來說,魚類育種周期長,培育一個魚類新品種至少需要10年時間。像我們團隊20多年培育3個海水魚類新品種很不容易。

      目前,我國人工養殖的海水魚類有60多種,僅有9種有新品種,其余絕大多數還沒有新品種,海水魚良種創制難以滿足我國海水魚養殖產業高質量發展需求。

      總體來說,最近20多年來,盡管我國海水魚育種工作取得長足進步,但是海水魚養殖業越是發展,對良種的需求就越高,海水魚育種工作有很大發展空間。

    海水魚育種技術取得階段性突破

      《瞭望》:你帶領團隊培育了牙鲆“鲆優2號”、半滑舌鰨“鰨優1號”等多個品種,其中突破了哪些技術難題?

      陳松林:20多年來,我們先后突破了3項技術難題。

      第一,建立了海水魚類種質冷凍保存技術體系。種質資源是水產養殖以及品種選育的基礎,2000—2005年,團隊建立了海水魚精子超低溫冷凍保存技術,突破了海水魚類胚胎玻璃化冷凍保存技術,建立了我國第一個海水魚胚胎干細胞系和多個海水魚類組織細胞系,由此建立了海水魚類種質冷凍保存的技術體系。

      2006年,“魚類種質低溫冷凍保存技術的建立與應用”成果,獲得國家技術發明獎二等獎。這項技術突破,為我國魚類種質資源的保護和創新利用奠定了重要基礎,也支撐了國家海洋漁業生物種質資源庫的建設。

      第二,在分子標記輔助育種技術上取得突破。在海水魚養殖中,許多魚類在個體大小和生長速率上存在明顯的雌雄差異。比如我國海水魚主導品種之一的半滑舌鰨,雌性比雄性生長快2—4倍。而且在人工繁育的種苗之中,長不大的雄魚比例高達80%。

      從2003年開始,我們采用當時最先進的分子標記技術——AFLP技術,掃描半滑舌鰨雄魚、雌魚的基因組,最終找到雌魚特有的AFLP分子標記,發明了半滑舌鰨遺傳性別鑒定技術。此后,我們通過更進一步研究發現,相當一部分雌魚會性反轉為雄魚,這種魚被稱作偽雄魚,偽雄魚不僅自身長不大,而且其繁殖后代95%以上是長不大的雄魚,由此破解了半滑舌鰨在人工養殖過程中,長不大的雄魚比例高達80%的原因。

      找到問題癥結后,我們先對半滑舌鰨親魚進行遺傳性別鑒定,剔除其中的偽雄魚,使繁育的魚苗中的雄魚比例從80%降到50%左右,雌魚比例從20%增長到40%,成功培育出半滑舌鰨高雌苗種。

      在半滑舌鰨上找到的雌性特異AFLP分子標記,是我國發現的第一個魚類性別特異分子標記,它帶動了國內科研團隊在其他魚類上進行性別特異分子標記篩選研究。從2007年至今,我國成功在20多種魚類上篩選到性別特異分子標記并實現性別控制,部分解決了我國海水魚個體大小和生長速率存在明顯雌雄差異的養殖難題。

      第三,在魚類基因組解析和基因組育種技術上取得突破。從2009年開始,我們團隊聯合深圳華大基因等單位歷經4年多努力,完成半滑舌鰨的全基因組測序,這是我國第一次完成魚類全基因組測序。目前,我國科學家已在40余種海水魚上完成全基因組測序和精細圖譜繪制。

      我們還找到了半滑舌鰨的性別決定基因,研究發現性別決定基因不僅決定其性別,還決定雄魚的大小。2017年我們采用基因編輯技術去除半滑舌鰨的雄性決定基因,使本身長不大的雄魚能長到與雌魚相似個頭,這比利用分子標記技術剔除偽雄魚,更能從基因源頭端解決半滑舌鰨雄魚長不大的問題。

      完成牙鲆全基因組測序后,2016年,我們基于牙鲆基因組信息,進行了抗病性狀的遺傳解析,發現抗細菌病性狀由很多基因決定,基于此,我們建立了魚類抗病基因組選擇育種技術,在國內率先研制出魚類抗病育種基因芯片“魚芯1號”,為培育抗病新品種提供了技術支持。

      《瞭望》:“魚芯1號”的工作原理是什么?

      陳松林:我們首先基于基因組重測序發現了牙鲆參考群體海量的SNP(單核苷酸多態性)位點,從中篩選出與牙鲆抗病性狀相關且均勻分布在基因組上的一組高效SNP位點,利用核酸互補配對的原理設計檢測探針,并將探針固定在不到1平方厘米的硅基芯片上,制作出牙鲆抗病育種基因芯片“魚芯1號”。之后只需要將待測個體的DNA點在基因芯片上,讓兩者發生雜交反應,通過檢測雜交產生的熒光信號,就可以知道待測個體的基因型信息。

      一個池塘幾千條魚,很難通過外表確定哪些魚具有抗病性。因此,首先利用基因芯片檢測每個個體的基因型信息;之后,利用獲得的基因型信息和基因組選擇技術預測每個個體的抗病潛力,即基因組育種值,基因組育種值越高,抗病力越強;最后,將基因組育種值高的個體選出來進行繁殖,利用基因型選擇代替表型選擇,提高選擇效率,加快牙鲆抗病良種選育速度。采用上述技術流程,我們率先在國內建立了魚類抗病基因組選擇技術,研制出的基因芯片已先后獲得中國及日本專利。

      采用魚類抗病基因組選擇育種技術,我們先后培育出“鲆優2號”“鰨優1號”兩個抗病高產海水魚新品種。更為重要的是,國內一些科研團隊正采用這一技術路線在海水魚、淡水魚上積極開展抗病新品種創制工作。

    持續強化育種攻關

      《瞭望》:推動海水魚類育種,國家開展了哪些工作?

      陳松林:國家863、973項目和國家自然科學基金重點項目都對我們的研究工作起到了很大幫助。從2010年到去年,我們連續4次獲批國家自然科學基金重點項目。這些基礎研究項目幫助我們解決了半滑舌鰨雄魚為什么長不大,是否存在性別決定基因等問題,同時也為我們建立分子性控技術提供了基因資源,為建立基因編輯技術解決雄魚長不大的問題提供了理論依據,使我們的成果實現了理論創新、技術創建和產品創制的有機結合。

      國家海水魚產業技術體系(以下簡稱“體系”)在引領我國海水魚類苗種繁育、良種選育、種質創制及養殖模式升級等方面起到很好作用。該體系是農業農村部、財政部2008年首批啟動并在“十三五”期間擴容建設的50個現代農業產業技術體系之一。2017年我進入體系主持半滑舌鰨遺傳育種研究工作。正是得益于體系支持,我們培育半滑舌鰨“鰨優1號”新品種的進程大幅加快。

      體系的成功之處就在于,它搭建了一個跨部門、多學科合作的平臺,將不同部門、學科、專業的科研人員聚合在一起。比如體系內的育種崗位有9個,分別針對9種海水魚開展遺傳改良和良種創制工作;體系內還有營養飼料崗位,專門針對9種海水魚研制適合的飼料。這一機制可以將多學科、多專業科技工作者集中起來,群策群力解決全產業鏈上的具體問題。例如,此前我們在天津一家海水魚養殖公司調研時發現,企業養殖的半滑舌鰨魚苗大量生病。我們馬上上報體系,體系迅速安排病害防控崗位的科學家到天津會診,幫忙解決產業問題??梢哉f,體系在海水魚種業科技創新、加快新品種創制上發揮了重要作用。

      《瞭望》:未來海水魚育種的攻關方向有哪些?

      陳松林:我國海水魚類養殖潛力巨大、前景廣闊,但在種業發展上還存在一些短板和不足,需要我國魚類生物技術和遺傳育種工作者,加強現代生物技術在海水魚類繁育和種質創制上的應用,培育突破性新品種,助推我國海水魚種業高質量發展,建好藍色糧倉,更好保障我國食品安全。具體需要在如下幾個方面發力:

      一是加強海水魚類種質資源收集、評價與保存,挖掘優異種質資源,為良種培育提供種質基礎。

      二是加強育種原創性理論研究,鑒定具有重要育種價值的基因和分子標記,揭示重要性狀形成的分子基礎與調控機制,為良種培育提供理論依據。

      三是加強海水魚類分子育種技術原創性研究,加大基因組編輯、基因組選擇、分子設計育種等研發力度,建立高通量表型測定技術,突破智能育種技術,實現魚類育種技術從3.0走向4.0。

      四是加快海水魚類突破性新品種研發進程,采用基因編輯、基因組選擇、分子設計等前沿技術,結合傳統育種技術,創制抗病高產優質海水魚類突破性新品種,促進養殖業綠色高質量發展。

      五是加強適合陸基工廠化和深遠海養殖的海水魚類繁育和良種選育,推動深遠海網箱、工船等設施養殖產業的高質量可持續發展。

    (來源:《瞭望》)

     

      《中國食品報》(2023年10月24日06版)

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