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瞭望·瞭望访谈 | 为“蓝色粮仓”育良种——专访中国工程院院士陈松林

2023-10-16   新华社   阅读量:92

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中国工程院院士陈松林

    我国海水鱼类育种工作开始于上世纪90年代,2010年全国水产原种和良种审定委员会首次审定了3个人工培育的海水鱼新品种,到2022年,累计审定的海水鱼新品种达到19个,发展速度非常快

国家海水鱼产业技术体系搭建了一个跨部门、多学科合作的平台,将不同部门、学科、专业的科研人员聚合在一起。在海水鱼的科技创新、加快新品种创制上发挥了重要作用

文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺 李志浩

    中国是一个有着14亿多人口的大国,解决好吃饭问题、保障粮食安全,要树立大食物观,既向陆地要食物,也向海洋要食物,耕海牧渔,建设海上牧场、“蓝色粮仓”。

    数据显示,我国居民需要的动物蛋白质来源中,水产养殖业贡献了三分之一,其中鱼类作出了重要贡献。据联合国粮农组织报告,为满足居民优质蛋白质需求,到2030年我国鱼类养殖产量要达到3400万吨,较2022年2900万吨产量将新增500万吨。新增500万吨产量从哪里来?

    鉴于目前陆地淡水养殖面积已很难再扩大,近海养殖也近乎“触顶”,要新增养殖鱼类产量,就要更多地向海洋进军,也就是依靠设施类海水鱼养殖进行增产。设施类海水鱼养殖,包括陆基工厂化养殖、深远海网箱和工船等养殖,将在鱼类养殖产量提升上发挥重要作用。

    进军深远海,良种是基础。中国工程院院士、中国水产研究院黄海水产研究所研究员陈松林接受《瞭望》新闻周刊专访时表示,我国科技工作者正加快现代生物技术在海水鱼类繁育和良种创制方面的应用,助推我国海水鱼养殖业高质量发展,更好保障我国食品安全。

    海水鱼育种发展空间大

    《瞭望》:是什么制约了我国海水鱼养殖规模与产量?

    陈松林:2022年我国水产品总产量6866万吨,其中水产养殖产量5565万吨;鱼类养殖产量为2903万吨,海水鱼类养殖产量193万吨,只占我国全部鱼类养殖量的6.6%。数据显示,水产养殖业贡献了中国人三分之一的优质蛋白来源,但其中海水鱼的贡献还不够大。

    影响我国海水鱼类养殖规模扩大、产量大幅增长的原因,一是我国海水鱼养殖历史短、从业人员少。相比淡水鱼养殖历史已有几千年,我国海水鱼养殖是从上世纪50年代才开始,到80、90年代方初成气候;二是适合海水养殖的品种少、养殖模式比较单一。近海养殖已基本达到上限,不管是陆基工厂化养殖还是深远海养殖,都属于集约化养殖、设施养殖,投资大、成本高,都需要我们筛选培育出生长快、抗逆能力强、营养价值高的海水鱼新品种。

    《瞭望》:如何评价当前我国海水鱼良种创制水平?

    陈松林:我国海水鱼良种培育工作起始于上世纪90年代,尽管起步晚,但近30年来也取得长足进展。2010年全国水产原种和良种审定委员会首次审定了3个人工培育的海水鱼新品种,到2022年,累计审定的海水鱼新品种达到19个,发展速度非常快。

    我国科研人员在海水鱼育种技术上实现诸多重大创新,一些新的分子育种技术,比如性别特异分子标记和遗传性别鉴定技术、抗病基因组选择技术、抗病育种基因芯片以及基因组编辑技术等在海水鱼上都实现了突破,并在育种中进行了成功应用,相关技术水平处于国际先进行列,在个别方向甚至达到国际领先水平。不过这些技术的发展及应用还很不平衡,像基因组编辑技术、抗病基因组选择技术只在少数几种海水鱼上成功建立和应用。

    客观来说,鱼类育种周期长,培育一个鱼类新品种至少需要十年时间。像我们团队20多年培育3个海水鱼类新品种很不容易。

    目前,我国人工养殖的海水鱼类有60多种,仅有9种有新品种,其余绝大多数还没有新品种,海水鱼良种创制难以满足我国海水鱼养殖产业高质量发展需求。

    总体来说,最近二十多年来,尽管我国海水鱼育种工作取得长足进步,但是海水鱼养殖业越是发展,对良种的需求就越高,海水鱼育种工作有很大发展空间。

    海水鱼育种技术取得阶段性突破

    《瞭望》:你带领团队培育了牙鲆“鲆优2号”、半滑舌鳎“鳎优1号”等多个品种,其中突破了哪些技术难题?

    陈松林:二十多年来,我们先后突破了三项技术难题。

    第一,建立了海水鱼类种质冷冻保存技术体系。种质资源是水产养殖以及品种选育的基础,从2000年到2005年,团队建立了海水鱼精子超低温冷冻保存技术,突破了海水鱼类胚胎玻璃化冷冻保存技术,建立了我国第一个海水鱼胚胎干细胞系和多个海水鱼类组织细胞系,由此建立了海水鱼类种质冷冻保存的技术体系。

    2006年,“鱼类种质低温冷冻保存技术的建立与应用”成果,获得国家技术发明奖二等奖。这项技术突破,为我国鱼类种质资源的保护和创新利用奠定了重要基础,也支撑了国家海洋渔业生物种质资源库的建设。

    第二,在分子标记辅助育种技术上取得突破。在海水鱼养殖中,许多鱼类在个体大小和生长速率上存在明显的雌雄差异。比如我国海水鱼主导品种之一的半滑舌鳎,雌性比雄性生长快2至4倍。而且在人工繁育的种苗之中,长不大的雄鱼比例高达80%。

    从2003年开始,我们采用当时最先进的分子标记技术——AFLP技术,扫描半滑舌鳎雄鱼、雌鱼的基因组,最终找到雌鱼特有的AFLP分子标记,发明了半滑舌鳎遗传性别鉴定技术。此后,我们通过更进一步研究发现,相当一部分雌鱼会性反转为雄鱼,这种鱼被称作伪雄鱼,伪雄鱼不仅自身长不大,而且其繁殖后代95%以上是长不大的雄鱼,由此破解了半滑舌鳎在人工养殖过程中,长不大的雄鱼比例高达80%的原因。

    找到问题症结后,我们先对半滑舌鳎亲鱼进行遗传性别鉴定,剔除其中的伪雄鱼,使繁育的鱼苗中的雄鱼比例从80%降到50%左右,雌鱼比例从20%增长到40%,成功培育出半滑舌鳎高雌苗种。

    在半滑舌鳎上找到的雌性特异AFLP分子标记,是我国发现的第一个鱼类性别特异分子标记,它带动了国内科研团队在其他鱼类上进行性别特异分子标记筛选研究。从2007年至今,我国成功在20多种鱼类上筛选到性别特异分子标记并实现性别控制,部分解决了我国海水鱼个体大小和生长速率存在明显雌雄差异的养殖难题。

    第三,在鱼类基因组解析和基因组育种技术上取得突破。从2009年开始,我们团队联合深圳华大基因等单位历经4年多努力,完成半滑舌鳎的全基因组测序,这是我国第一次完成鱼类全基因组测序。目前,我国科学家已在40余种海水鱼上完成全基因组测序和精细图谱绘制。

    我们还找到了半滑舌鳎的性别决定基因,研究发现性别决定基因不仅决定其性别,还决定雄鱼的大小。2017年我们采用基因编辑技术去除半滑舌鳎的雄性决定基因,使本身长不大的雄鱼能长到与雌鱼相似个头,这比利用分子标记技术剔除伪雄鱼,更能从基因源头端解决半滑舌鳎雄鱼长不大的问题。

    完成牙鲆全基因组测序后,2016年,我们基于牙鲆基因组信息,进行了抗病性状的遗传解析,发现抗细菌病性状由很多基因决定,基于此,我们建立了鱼类抗病基因组选择育种技术,在国内率先研制出鱼类抗病育种基因芯片“鱼芯1号”,为培育抗病新品种提供了技术支持。

    《瞭望》:“鱼芯1号”的工作原理是什么?

    陈松林:我们首先基于基因组重测序发现了牙鲆参考群体海量的SNP(单核苷酸多态性)位点,从中筛选出与牙鲆抗病性状相关且均匀分布在基因组上的一组高效SNP位点,利用核酸互补配对的原理设计检测探针,并将探针固定在不到1平方厘米的硅基芯片上,制作出牙鲆抗病育种基因芯片“鱼芯1号”。之后只需要将待测个体的DNA点在基因芯片上,让两者发生杂交反应,通过检测杂交产生的荧光信号,就可以知道待测个体的基因型信息。

    一个池塘几千条鱼,很难通过外表确定哪些鱼具有抗病性。因此,首先利用基因芯片检测每个个体的基因型信息;之后,利用获得的基因型信息和基因组选择技术预测每个个体的抗病潜力,即基因组育种值,基因组育种值越高,抗病力越强;最后,将基因组育种值高的个体选出来进行繁殖,利用基因型选择代替表型选择,提高选择效率,加快牙鲆抗病良种选育速度。采用上述技术流程,我们率先在国内建立了鱼类抗病基因组选择技术,研制出的基因芯片已先后获得中国及日本专利。

    采用鱼类抗病基因组选择育种技术,我们先后培育出“鲆优2号”“鳎优1号”2个抗病高产海水鱼新品种。更为重要的是,国内一些科研团队正采用这一技术路线在海水鱼、淡水鱼上积极开展抗病新品种创制工作。

    持续强化育种攻关

    《瞭望》:推动海水鱼类育种,国家开展了哪些工作?

    陈松林:国家863、973项目和国家自然科学基金重点项目都对我们的研究工作起到了很大帮助。从2010年到去年,我们连续4次获批国家自然科学基金重点项目。这些基础研究项目帮助我们解决了半滑舌鳎雄鱼为什么长不大,是否存在性别决定基因等问题,同时也为我们建立分子性控技术提供了基因资源,为建立基因编辑技术解决雄鱼长不大的问题提供了理论依据,使我们的成果实现了理论创新、技术创建和产品创制的有机结合。

    国家海水鱼产业技术体系(下称“体系”)在引领我国海水鱼类苗种繁育、良种选育、种质创制及养殖模式升级等方面起到很好作用。该体系是农业农村部、财政部2008年首批启动并在“十三五”期间扩容建设的50个现代农业产业技术体系之一。2017年我进入体系主持半滑舌鳎遗传育种研究工作。正是得益于体系支持,我们培育半滑舌鳎“鳎优1号”新品种的进程大幅加快。

    体系的成功之处就在于,它搭建了一个跨部门、多学科合作的平台,将不同部门、学科、专业的科研人员聚合在一起。比如体系内的育种岗位有9个,分别针对9种海水鱼开展遗传改良和良种创制工作;体系内还有营养饲料岗位,专门针对9种海水鱼研制适合的饲料。这一机制可以将多学科、多专业科技工作者集中起来,群策群力解决全产业链上的具体问题。例如,此前我们在天津一家海水鱼养殖公司调研时发现,企业养殖的半滑舌鳎鱼苗大量生病。我们马上上报体系,体系迅速安排病害防控岗位的科学家到天津会诊,帮忙解决产业问题。可以说,体系在海水鱼种业科技创新、加快新品种创制上发挥了重要作用。

    《瞭望》:未来海水鱼育种的攻关方向有哪些?

    陈松林:我国海水鱼类养殖潜力巨大、前景广阔,但在种业发展上还存在一些短板和不足,需要我国鱼类生物技术和遗传育种工作者,加强现代生物技术在海水鱼类繁育和种质创制上的应用,培育突破性新品种,助推我国海水鱼种业高质量发展,建好蓝色粮仓,更好保障我国食品安全。具体需要在如下几个方面发力:

    一是加强海水鱼类种质资源收集、评价与保存,挖掘优异种质资源,为良种培育提供种质基础。

    二是加强育种原创性理论研究,鉴定具有重要育种价值的基因和分子标记,揭示重要性状形成的分子基础与调控机制,为良种培育提供理论依据。

    三是加强海水鱼类分子育种技术原创性研究,加大基因组编辑、基因组选择、分子设计育种等研发力度,建立高通量表型测定技术,突破智能育种技术,实现鱼类育种技术从3.0走向4.0。

    四是加快海水鱼类突破性新品种研发进程,采用基因编辑、基因组选择、分子设计等前沿技术,结合传统育种技术,创制抗病高产优质海水鱼类突破性新品种,促进养殖业绿色高质量发展。

五是加强适合陆基工厂化和深远海养殖的海水鱼类繁育和良种选育,推动深远海网箱、工船等设施养殖产业的高质量可持续发展。