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鱼不好养,我国首个鱼类远缘杂交动物品系问世

5月18日,湖南省科技奖励暨创新奖励大会将在长沙召开。 首届创新奖,为湖南省省委、省政府共同表彰奖励的奖项,着重于对近年来全省在科技创新、产品创新、文化创新、管理创新方面作出突出贡献的有关单位和人员实施奖励。共评选出39个授奖对象。其中,科技创新奖10个。

鱼不好养,但仍要将养鱼进行到底——第十届湖南光召科技奖获得者刘少军的故事

发布时间:2012/12/6 9:06:14 来源:《中国科学报》 编辑:罗诗吟 图片 1我来说两句 图片 2 核心提示:在国家自然科学基金的持续支持下,湖南师范大学生命科学学院选育的异源四倍体杂交鲫鲤群体已繁衍至第23代,“已具备形成一个新物种的必要条件”。 中国水产门户网报道在国家自然科学基金的持续支持下,湖南师范大学生命科学学院选育的异源四倍体杂交鲫鲤群体已繁衍至第23代,“已具备形成一个新物种的必要条件”。这项前后跨越30余年,堪称“长跑”级的研究凝聚了中国工程院院士刘筠、湖南鱼类遗传育种中心主任刘少军两代科学家领衔的鱼类发育生物学研究团队的心血。

2016年度湖南省科学技术奖励,共评出获奖项目(团队)205项。其中,自然科学奖45项,技术发明奖21项,科学技术进步奖(创新团队)1个,科学技术进步奖138项。

“奖”好湖南科创故事

突破“育性”瓶颈
“杂交”早已不是什么新鲜的名词,植物中的杂交水稻,动物中的骡子、狮虎兽等等……绝大多数杂交生物都有一个共同点:难以繁殖后代。要将跨越了物种界限的远缘杂交推向品系建立并应用于生产,首先必须挑战“育性”这道“瓶颈”。

“鱼不那么好养啊。也跟种水稻一样,要抢季节。现在气温高起来了,鱼儿产卵活跃了,也就到了我们最忙的时候。我从早到晚都得在基地干活儿。”因预约迟到,见到科技日报记者的第一眼,湖南师范大学教授刘少军就先“自嘲”鱼不好养地解释起来。

记者俞慧友

1558 年,科学家用鲤鱼与金鱼杂交得到世界上第一个有记录的远缘繁衍形成杂种。400多年来,虽有上千种鱼类做过杂交试验,却一直没有获得可育且体能稳定遗传的四倍体鱼群体,远缘杂交一代能否繁衍到二代以至于最终形成杂交品系一直是个谜。

刘少军,省部共建淡水鱼类发育生物学国家重点实验室主任,第十届湖南光召科技奖获得者,中国工程院院士刘筠的儿子。

开栏的话5月18日,湖南省科技奖励暨创新奖励大会将在长沙召开。首届创新奖,为湖南省省委、省政府共同表彰奖励的奖项,着重于对近年来全省在科技创新、产品创新、文化创新、管理创新方面作出突出贡献的有关单位和人员实施奖励。共评选出39个授奖对象。其中,科技创新奖10个。

“在动物远缘杂交研究中,亲本的选择非常重要。”刘少军告诉记者,杂交亲本的选择必须综合考虑亲本的染色体数、生殖、外形、食性、生长速度、抗逆性等因素的相互关系,这意味着远缘杂交品系的建立将是一项长期的系统工程。

在业界,一直流传着一件经典“八卦”:被誉为“鱼痴”的刘筠,给子女取名清一色的都是家鱼名字。唯独最小的儿子刘少军,免于“此劫”,却成了刘筠钟爱一生的鱼研究事业的当家继承人。

2016年度湖南省科学技术奖励,共评出获奖项目(团队)205项。其中,自然科学奖45项,技术发明奖21项,科学技术进步奖(创新团队)1个,科学技术进步奖138项。

上世纪80年代开始,刘筠作出了一个重要选择:将雌性鲫鱼和雄性鲤鱼作为亲本进行远缘杂交,成功得到F1和F2, 并突破性地在F3中获得两性可育的异源四倍体鲫鲤,这在中国水产科学界是一个里程碑式的成果。其成功的秘密之一在于:鲤鱼和鲫鱼这两种同科不同属的二倍体鱼类,其体细胞染色体数正好都是100。

老百姓或许不熟悉这对父子科学家,但肯定熟悉他们干的事儿。青、草、鲢、鳙、鲫、鲤、鳊等大宗淡水经济鱼类长期稳定、低价供给,与他们所在实验室的研究成果与应用密切相关。

即日起,本报推出专栏《“奖”好湖南科创故事》,分享湖南省科技奖励、湖南省科技创新奖中,该省科研人员科技创新的精彩故事。

“我们出去作学术报告,人家都不相信二倍体雄性杂交鱼可育。”回忆当时的情景,刘少军历历在目,“我们在实验室研究时发现,可育的二倍体雄性和雌性杂交鱼数量少,尤其是二倍体雄性杂交鱼只能产生水样精液,没有白色精液,但在电子显微镜下观察水样精液,可以发现一些精子,用许多二倍体雄性杂交个体的水样精液与二倍体雌性杂交鱼卵子受精,才可以培育出杂交后代。”

“鱼痴”领路 儿子保种世界首例异源四倍体鲫鲤

“鱼不那么好养啊。也跟种水稻一样,要抢季节。现在气温高起来了,鱼儿产卵活跃了,也就到了我们最忙的时候。我从早到晚都得在基地干活儿。”因预约迟到,见到科技日报记者的第一眼,湖南师范大学教授刘少军就先“自嘲”鱼不好养地解释起来。

1989年以后,刘少军率课题组对鱼类远缘杂交的普遍规律开展了系统研究,除继续建立四倍体鲫鲤品系并对之进行系统研究之外,还建立了鲫鱼与团头鲂、团头鲂与翘嘴鲌等多个远缘杂交鱼品系,同时研制出具有创新意义的新型四倍体和三倍体鱼。

早在1986年,刘少军就开始了鱼类远缘杂交的理论与应用研究。截至目前的主要成就,可概括为:修正了远缘杂交难以形成可育品系的传统观念,建立了系统的鱼类远缘杂交理论和技术体系,创制了多种源于远缘杂交的四倍体和二倍体可育品系,并用之制备了一系列优质三倍体和二倍体鱼类。

刘少军,省部共建淡水鱼类发育生物学国家重点实验室主任,第十届湖南光召科技奖获得者,中国工程院院士刘筠的儿子。

坚守“绘就”23代谱系
在远缘杂交中,基因组可从一个物种转移到另一个物种,从而使杂交后代发生变异。“如果这种变异是可遗传的,则有可能形成新品系乃至新物种。”刘少军说。

简单说,远缘杂交的研究,就是要通过A物种与B物种杂交,最终形成新的C物种。而业界传统观念中,普遍认为物种间存在“隔阂”,因而“不育”。但多年研究下来,刘少军认为,远缘杂交的不育是相对的。远缘杂交能突破并形成新物种,这既是育种的好方法,也是物种能一直进化的动力。“我们主要研制优良三倍体鱼类。这种鱼,具有三套染色体组,相当于‘阉割’了生殖器,其生长期短,易长肉,且肉质更鲜美。”

在业界,一直流传着一件经典“八卦”:被誉为“鱼痴”的刘筠,给子女取名清一色的都是家鱼名字。唯独最小的儿子刘少军,免于“此劫”,却成了刘筠钟爱一生的鱼研究事业的当家继承人。

然而,为建立远缘杂交鱼品系,往往需要进行长达数年甚至数十年的实验,这极大考验着研究人员的毅力。

得到这种不育的三倍体鱼,需将二倍体鱼类与四倍体鱼类交配产生。二倍体鱼类在自然界中常见,四倍体鱼类的创制与保种,则是全球人工繁育鱼类新物种的关键。

老百姓或许不熟悉这对父子科学家,但肯定熟悉他们干的事儿。青、草、鲢、鳙、鲫、鲤、鳊等大宗淡水经济鱼类长期稳定、低价供给,与他们所在实验室的研究成果与应用密切相关。

在鲫、鲤鱼的杂交后代中,第一代和第二代都是二倍体,每代至少需2年才能性成熟,草、鲂杂交鱼每代的性成熟时间更是长达4年之久。不仅如此,鱼类杂交二倍体后代中可育的雌性和雄性个体数目非常少,人工繁衍的难度很大。

在“鱼痴”父亲刘筠的带领下,刘少军很早便参与了鲫鲤远缘杂交研究。直到培育出F4代,才培育出世界上首例遗传性状稳定的异源四倍体鲫鲤。

“鱼痴”领路儿子保种世界首例异源四倍体鲫鲤

2008年冬,长沙经历了50年来最大的冰灾,育种基地的池塘水面被厚厚的冰层封死,池塘中的实验鱼面临极大威胁。为保护好珍贵的育种亲本,在既没电又缺工具的情况下,刘少军带领课题组成员顶着冰冻,连续数天手持铁棍敲破冰面,绝大部分珍贵的实验鱼生命才得以保存。

此后,刘少军则扛起了为四倍体鲫鲤保种的重任。“不要小看‘保种’工作。一种四倍体鱼类的诞生,并不具备必要的可重复性。一旦消失了,这个物种可能就灭绝了。”他说。截至目前,团队已连续为该鱼种保种到了F27代,这一项工作,就持续了近30年。

早在1986年,刘少军就开始了鱼类远缘杂交的理论与应用研究。截至目前的主要成就,可概括为:修正了远缘杂交难以形成可育品系的传统观念,建立了系统的鱼类远缘杂交理论和技术体系,创制了多种源于远缘杂交的四倍体和二倍体可育品系,并用之制备了一系列优质三倍体和二倍体鱼类。

“实验室只有几条鱼,池塘里的鱼却多达几千尾、几万尾。只有通过对池塘中大量群体鱼的反复选育实践和验证,才能发现和探索出远缘杂交鱼的重要生物学特性。”刘少军说,“长期野外工作是鱼类遗传育种研究的重要方式,也是对水产工作者的挑战。”

在“保种”的同时,刘少军着力于四倍体鱼的遗传改良研究,及解决四倍体鱼规模化生产难题。他带领团队开始了培育新四倍体鱼和二倍体鱼品系的研究。

简单说,远缘杂交的研究,就是要通过A物种与B物种杂交,最终形成新的C物种。而业界传统观念中,普遍认为物种间存在“隔阂”,因而“不育”。但多年研究下来,刘少军认为,远缘杂交的不育是相对的。远缘杂交能突破并形成新物种,这既是育种的好方法,也是物种能一直进化的动力。“我们主要研制优良三倍体鱼类。这种鱼,具有三套染色体组,相当于‘阉割’了生殖器,其生长期短,易长肉,且肉质更鲜美。”

更难的坚守在于解决疑难的科学问题。

刘少军一直在琢磨,鲤鱼和鲫鱼杂交,两者染色体数目相同,产生了异源四倍体鱼群体。如果父、母本的染色体数目不相同呢?团队先后研究了红鲫、白鲫、鲤鱼分别与团头鲂等不同染色体数目的物种之间的杂交。

得到这种不育的三倍体鱼,需将二倍体鱼类与四倍体鱼类交配产生。二倍体鱼类在自然界中常见,四倍体鱼类的创制与保种,则是全球人工繁育鱼类新物种的关键。

在育种实践中,刘少军观察到一个有趣的现象:雌性鲫鲤杂交二代鱼排出的成熟卵子有大有小,有的直径约2毫米,有的却只有1.3毫米,且呈现出明显的比例。这一特殊的差别引起了他的注意。

说起来轻松,做起来却很难。刘少军再次笑称,养儿不易,养鱼也不易。他和团队成员,必须天天去基地看着他们的鱼“儿子”。“根据我们的经验,远缘杂交存在性腺体滞后性。第一年杂交的后代,基本不可能性成熟。至少需两年乃至更长的时间,没有确定性。要知道,没形成四倍体鱼之前,它们的精液就像透明水质一样,里面的精子稀稀拉拉,是几百上千条鱼的精液凑一块儿,才可能为诞下少量四倍体鱼类作出贡献。很多人认为远缘杂交不育,多是因为杂交第一代不育,而放弃了。”刘少军补充说,“远缘杂交还难在,自然界中,非极端环境下,两个不同物种的鱼类不会杂交。因此只能创造特殊环境,让它们交配。”

在“鱼痴”父亲刘筠的带领下,刘少军很早便参与了鲫鲤远缘杂交研究。直到培育出F4代,才培育出世界上首例遗传性状稳定的异源四倍体鲫鲤。

后续实验研究表明,大鱼卵是不减数的二倍体卵子,这与一些生殖细胞的染色体数目加倍有关;同样实验证明,雄性鲫鲤杂交二代鱼也可以产生不减数的二倍体精子,正是这些不减数的二倍体卵子和二倍体精子受精,造就了鲫鲤杂交三代中的四倍体鲫鲤。

最终,刘少军的研究成果表明,用同源四倍体鱼与鲤交配,可研制出生长快、抗逆性强的不育异源新型三倍体鲤;与红鲫交配,则研制了同源三倍体鱼。于是,他得出如下规律:当母本染色体数目大于父本染色体数目时,可形成同源的四倍体或二倍体鱼品系;当母本染色体数目等于父本染色体数目时,则形成异源的四倍体或二倍体鱼品系;而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。这些,最终记入了他的原创学术专著《鱼类远缘杂交》。

此后,刘少军则扛起了为四倍体鲫鲤保种的重任。“不要小看‘保种’工作。一种四倍体鱼类的诞生,并不具备必要的可重复性。一旦消失了,这个物种可能就灭绝了。”他说。截至目前,团队已连续为该鱼种保种到了F27代,这一项工作,就持续了近30年。

这一发现揭示了形成杂交四倍体鲫鲤的关键,为远缘杂交鱼品系中多倍体鱼的形成奠定了重要的理论基础。现在,在湖南师范大学的一方实验池塘里,四倍体鲫鲤群体已繁衍至第23代。从第3代到第23代,其四倍体性能代代相传,呈现出稳定的遗传特征。

“远缘杂交是非常有意义的命题。”刘少军说。他在用鲤鱼和团头鲂杂交的时候,发现远缘杂交组合形成了天然雌核发育鲤鱼、天然雌核发育镜鲤、异源四倍体鲤鲂、同源二倍体湘军鲫等四种不同的杂交后代。首次研制的两性可育新型二倍体湘军鲫品系,则证明了远缘杂交也可能导致新物种形成,该品系的建立也为鱼类演化途径提供了新的证据。

在“保种”的同时,刘少军着力于四倍体鱼的遗传改良研究,及解决四倍体鱼规模化生产难题。他带领团队开始了培育新四倍体鱼和二倍体鱼品系的研究。

“异源四倍体鲫鲤已具备形成一个新物种的必要条件。”2010年,刘少军在《中国科学》上撰文提出了这一论断。这种染色体数目为200、人工两性可育的新物种群体,不仅在鱼类中是首例,很可能在脊椎动物中也是第一例。

30年来,团队做了近30个鱼类远缘杂交组合,成功获得了23个可存活的杂交组合。刘少军培育的新型和改良二倍体、三倍体鱼,已在湖南、江苏等地取得较理想的养殖效果。其主持研制出的湘云鲫2号、杂交翘嘴鲂、鳊鲴杂交鱼、合方鲫等品种,在全国各地推广养殖,累计创造间接经济效益约266.6亿元。

刘少军一直在琢磨,鲤鱼和鲫鱼杂交,两者染色体数目相同,产生了异源四倍体鱼群体。如果父、母本的染色体数目不相同呢?团队先后研究了红鲫、白鲫、鲤鱼分别与团头鲂等不同染色体数目的物种之间的杂交。

“四倍体化”揭示鱼类进化奥秘
研究伊始,有一个问题一直困惑着刘少军,陆地动物的种类较少,但鱼的种类却多达28000多种,超过了其他所有脊椎动物种类的总和。为什么鱼有这么多种?

“鱼不好养,那都干了30年了,还得接着‘养’啊。”刘少军打趣。

说起来轻松,做起来却很难。刘少军再次笑称,养儿不易,养鱼也不易。他和团队成员,必须天天去基地看着他们的鱼“儿子”。“根据我们的经验,远缘杂交存在性腺体滞后性。第一年杂交的后代,基本不可能性成熟。至少需两年乃至更长的时间,没有确定性。要知道,没形成四倍体鱼之前,它们的精液就像透明水质一样,里面的精子稀稀拉拉,是几百上千条鱼的精液凑一块儿,才可能为诞下少量四倍体鱼类作出贡献。很多人认为远缘杂交不育,多是因为杂交第一代不育,而放弃了。”刘少军补充说,“远缘杂交还难在,自然界中,非极端环境下,两个不同物种的鱼类不会杂交。因此只能创造特殊环境,让它们交配。”

刘少军推测,这可能和鱼类之间的远缘杂交有关。课题组查阅了超过300 种鱼类,发现其染色体数目均为偶数,且不同种类之间存在倍数或接近倍数的关系,这意味着“在鱼类进化过程中很可能发生过‘四倍体化事件’”。

最终,刘少军的研究成果表明,用同源四倍体鱼与鲤交配,可研制出生长快、抗逆性强的不育异源新型三倍体鲤;与红鲫交配,则研制了同源三倍体鱼。于是,他得出如下规律:当母本染色体数目大于父本染色体数目时,可形成同源的四倍体或二倍体鱼品系;当母本染色体数目等于父本染色体数目时,则形成异源的四倍体或二倍体鱼品系;而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。这些,最终记入了他的原创学术专著《鱼类远缘杂交》。

有很多实验说明鱼类进化中经历了四倍体化过程,如认为鲤鱼是一种古老的四倍体鱼,但是目前缺乏证据来证明它们的原始亲本是何种鱼类。

“远缘杂交是非常有意义的命题。”刘少军说。他在用鲤鱼和团头鲂杂交的时候,发现远缘杂交组合形成了天然雌核发育鲤鱼、天然雌核发育镜鲤、异源四倍体鲤鲂、同源二倍体湘军鲫等四种不同的杂交后代。首次研制的两性可育新型二倍体湘军鲫品系,则证明了远缘杂交也可能导致新物种形成,该品系的建立也为鱼类演化途径提供了新的证据。

“我们做出来了染色体数为200的四倍体鲫鲤,很清楚地知道它的父、母亲分别是鲤鱼和红鲫;还有染色体数是148的四倍体鲫鲂,其父亲是鳊鱼,母亲是红鲫。”刘少军认为,这些四倍体鱼品系的建立为证明脊椎动物进化史上可能的“四倍体化事件”提供了重要证据。

30年来,团队做了近30个鱼类远缘杂交组合,成功获得了23个可存活的杂交组合。刘少军培育的新型和改良二倍体、三倍体鱼,已在湖南、江苏等地取得较理想的养殖效果。其主持研制出的湘云鲫2号、杂交翘嘴鲂、鳊鲴杂交鱼、合方鲫等品种,在全国各地推广养殖,累计创造间接经济效益约266.6亿元。

得益于科学基金的持续资助,刘少军领衔的团队目前已在个体、细胞和分子水平对鱼类远缘杂交和多倍体鱼等方面取得一系列创新性成果。而他撰写的学术专着《鱼类远缘杂交》不久后也将出版。

“鱼不好养,那都干了30年了,还得接着‘养’啊。”刘少军打趣。

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