水产生物技术发展战略研究

本文从水产养殖生物基因组测序、遗传连锁图谱绘制、重要经济性状相关分子标记/基因筛选、基因组编辑、基因组选择以及细胞培养与种质冷冻保存等方面综合介绍了水产生物技术的发展现状,并深入分析了水产生物技术研究中存在的主要问题,诸如基因功能分析平台不完善,抗病与性控育种技术研究滞后,基因组编辑与全基因组选择技术刚刚起步等。同时,围绕上述主要问题,提出了水产生物技术亟待突破的关键技术,并建议"十三五"期间设立重点研究计划专项,深入开展水产动物基因组资源开发与利用、重要经济性状遗传解析以及水产生物信息大数据平台构建等。

CRISPR/Cas系统介导的水产生物基因组编辑研究探索

基因组编辑技术是研究基因功能的重要方法,特异性人工酶ZFN(Zinc-finger nucleases)、TALEN(Transcription activator like effector nucleases)和CRISPR/Cas系统则使基因编辑变得更容易。本文通过介绍CRISPR/Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated system)系统的基本结构及作用原理,剖析潜在的问题,综述其在水产生物基因组编辑中的应用研究进展,以期为这一领域的研究提供参考。

半滑舌鳎伪雄鱼性腺发育的组织学研究

[目的]了解半滑舌鳎性逆转的生理发育过程。[方法]对5个家系的半滑舌鳎进行性腺发育的组织学观察、遗传性别鉴定和生理性别分析。[结果]半滑舌鳎性逆转有着明显的群体性,性逆转只发生在特定群体中,有些群体完全不逆转;半滑舌鳎发生逆转的遗传雌鱼在性腺发育过程中,会出现明显的兼性阶段,即雌雄兼有的特有过程。[结论]该研究结果可为剖析半滑舌鳎性逆转的分子、生理机理以及性逆转遗传因子的作用机理提供研究方向和研究线索。

鲤上皮瘤细胞两种转染试剂的条件优化及应用

鲤上皮瘤细胞是常用的鱼类细胞系,广泛使用在各种病毒学和基因功能研究中。利用细胞转染技术在鲤上皮瘤细胞进行基因功能研究时,转染试剂和DNA的剂量以及取样时间没有统一的数据支持。为解决该问题,选取两种常用转染试剂Lipofectamine®2000和FuGENE®HD,分别对荧光蛋白标记的多种质粒进行多配组转染试验,多温度、多时间节点追踪记录转染效率。28℃,以35 mm培养皿铺板,16μL Lipofectamine®2000和4μg DNA在转染后48 h达到最高转染效率(5.92±0.52)%;12μL FuGENE®HD和4μg DNA在转染72 h后转染效率达到(9.81±0.33)%。为验证该条件,构建一个鲤高不饱和脂肪酸合成相关转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体蛋白α(PPARα)的EGFP标签载体,该载体利用两种转染试剂分别获得了约4%和约8%的转染效率。以实时荧光定量PCR检测该转录因子对下游脂肪酸去饱和酶2(fads2)基因的转录调控效应,虽然两种转染试剂本身可导致下游基因的上调,但与空载质粒组相比,两种转染试剂高表达转录因子均对下游靶基因产生了转录激活效应。本试验获得了常用转染试剂Lipofectamine®2000和FuGENE®HD在鲤上皮瘤细胞细胞转染时的最适转染试剂和DNA剂量和最优取样时间,并在一转录调控实例中进行了验证,试验结果为后续充分利用鲤上皮瘤细胞进行基因功能研究提供了数据支持,有助于更好地服务于渔业种质资源育种创新。

基于RNA-Seq技术的鲮转录组分析

为满足标记辅助育种的要求,通过454测序平台首次开展了鲮Cirrhina molitorella全鱼转录组深度测序,并用Newbler等软件进行数据精细分析。结果表明:共获得了1 297 479条reads,总碱基数为486 586 191 bp,组装后得到19 962条contigs,平均长度为1269 bp,N50为1509 bp。基因功能注释研究共获取了10 577个特异蛋白,根据特异蛋白注释结果进行GO分析,有7314条contigs有GO注释,包含5381个特异蛋白;采用GO功能分类工具可将已注释转录物序列划分为分子功能、生物途径和细胞成分3类,为下一步开展生长等性状相关基因功能验证研究提供丰富的序列资源;共鉴定出5931个具有完整的ORF的全长c DNA序列,并且鉴定出2438个微卫星和5014个SNP位点。本研究中,还建立了鲮转录组数据库和网站,方便同行随时调取数据,这为深入开展鲮分子标记辅助的遗传育种、种群遗传学和资源评估等研究提供了丰富的标记资源。

2个鲤群体(Cyprinus carpio L.)表型生长性状的AI测量与手工测量的相关性分析

鱼类形态是人工育种、功能基因定位以及水产养殖和生态学研究的重要种群资源。鲤(Cyprinus carpio L.)是中国重要的养殖淡水鱼类之一,鲤的自然和人工选择导致不同品种间的表型极具多样性。近年来,随着成像技术、计算能力和硬件设备的飞速发展,基于机器视觉的无损测量方法逐渐成为一种高效、可重复批量检测鱼体的方法。本研究旨在检验AI测量对鱼类表型性状测量的准确性。本文选择了表型指数差异显著的元江鲤(Cyprinus carpio yuankiang)和金背鲤(Cyprinus carpio var.Jinbei)2个群体,共计204尾鱼进行研究。针对全长、体长、体高、体厚、头长、尾柄长、尾柄高、吻长、眼径和眼间距共10种线性、圆形和空间性状进行手工测量和AI测量,并进行了比较分析。其结果显示:(1)元江鲤和金背鲤2个群体中,针对10种表型性状的测量,相较于手工测量,AI测量结果整体偏大;在表型指数中,体宽指数(体厚/体长),头长指数(头长/体长)和尾鳍指数(尾柄长/体长)2种测量方法均无显著差异,而2种方法在体深指数(体高/体长)结果中,呈现显著差异。(2)元江鲤和金背鲤群体中,对2种测量方法进行相关性和一致性分析,发现针对全长、体长、体高、体厚、头长和眼间距共6种性状,2种方法呈现高度一致性(r>0.85);(3)2种测量方法重复性测量的一致性分析中,发现手工测量和AI测量均呈现较好的一致性(r>0.85),但手工测量的一致性要略高于AI测量。综上所述,AI测量准确度的提升能够加快全长等线性表型性状测量的工作效率和选择育种速度,但对于圆形和空间等表型性状测量的准确度,还需进一步提升。

半滑舌鳎性逆转的遗传特性研究

半滑舌鳎雌雄个体生长差异悬殊,由于性逆转而造成的其群体中雌性比例过低大大制约了养殖效率。性逆转是鱼类及两栖类生物性别决定事件中有趣的生物学问题,其发生的遗传机制鲜有研究。在该研究中,分别利用雄鱼和伪雄鱼组建10个半同胞家系,对这10个半同胞家系中的子代雌雄比进行研究,结果发现,2个伪雄鱼的家系,其后代个体中遗传雌性鱼全部逆转为生理雄鱼;在另外8个雄鱼家系中其性逆转比呈连续分布,表现为典型的数量性状特征;半滑舌鳎性逆转的遗传力较低,仅为0.058。以上结果表明,伪雄鱼作为父本的遗传可能为完全的父本效应遗传,性逆转由于其较低的遗传力不适合于做家系选育而适合于做家系内的选育或结合分子标记的遗传评估,以提高雌性比的遗传进展,半滑舌鳎逆转比的数量遗传特征说明其性别决定是多基因作用的结果。

鱼类中鳞被发育的研究进展及展望

综述了鳞被类型和研究进展,对将来了解鳞被的发生及形态建成的分子机制,同时对于理解上皮-间质细胞之间的互作具有非常重要的理论意义。

全基因组混合模型关联分析的极速回归扫描法研究

在全基因组混合模型关联分析(GWMMAS)中,利用剩余多基因遗传力代替方差比值(剩余多基因方差/误差方差),将多基因遗传力求解限制在(0,1)区间内。引入R语言Rcpp Armadillo程序包中的极速线性模型拟合函数(fast Lm Pure函数)快速估计单核苷酸多态性(SNP)效应和完整LMM最大似然值。从由GBLUP估计的性状基因组遗传力出发,逐个高通量SNP的GWMMAS约需4次全基因组回归扫描。当仅关注EMMAX法估计的大效应或高显著水准标记时,GWMMAS运行时间缩短在两次扫描之内。与采用lm函数优化剩余多基因方差比的Fa ST-LMM法相比,极速回归扫描法可成倍提高GWMMAS计算效率。计算机模拟试验证实新方法统计和计算效率,运用极速回归扫描法可高效定位与牙鲆生长性状相关基因位点。

一种保存鱼类鳍条的便捷方法

鳍条是研究鱼类分子生物学常用的组织样本，长期保存的鳍条为实验提供源源不断的基因组DNA。本研究介绍一种便捷保存鱼类鳍条用于DNA提取的方法---干燥法，并说明了用此方法保存鲤（Cyprinus carpio）、施氏鲟（Acipenser schrenckii）和虹鳟（Onchorynchus mykiss）鳍条效果。采集新鲜鳍条，贴在滤纸等吸水性强的纸张上，覆盖另一张滤纸，防止受潮、霉变，自然干燥后在室温保存3个月。剪取部分鳍条样本，用常规酚、氯仿抽提法提取基因组DNA，分别用紫外分光光度计、琼脂糖凝胶电泳、PCR扩增方法检测基因组DNA的质量。结果显示：用干燥法保存的3种鱼类的鳍条样品，提取获得的基因组DNA的OD260/OD280值在1.82-1.89之间， OD260/OD230值在2.29-2.70之间，琼脂糖凝胶电泳条带清晰明亮，可以用于后续的分子生物学研究。本研究证实用干燥法长期保存鱼类鳍条能够获得高质量的基因组DNA，为珍贵样品的长期保存提供了一种行之有效的方法，也为远距离、大样品的采集和保存提供了便捷的选择。

基因组选择及其应用

品种选育在农业生产中占有十分重要的地位,育种值估计是品种选育的核心。随着遗传标记的发展,尤其是高通量的基因分型技术,使得从基因组水平估计育种值成为可能,即基因组选择。文章将基因组选择的方法分为两类:一是基于估计等位基因效应来预测基因组估计育种值(GEBV),如最小二乘法,随机回归-最佳线性无偏预测(RR-BLUP)、Bayes、主成分分析等方法;二是基于遗传关系矩阵来预测GEBV,通过采用高通量标记构建个体间的遗传关系矩阵,然后用线性混合模型来预测育种值,即GBLUP法,并以这两种分类简要介绍了基因组选择各种方法的大致原理。影响基因组选择准确性的因素主要有标记类型和密度、单倍型长度、参考群体大小和标记-数量性状基因座(QTL)连锁不平衡(LD)大小等;在基因组选择的各种方法中,一般说来Bayes方法和GBLUP方法具有较高的准确性,最小二乘法最差;GBLUP计算速度快,能够将标记和系谱结合起来,因而比其他方法更具优势。尽管基因组选择取得了很大进展,但在理论方面还面临着一些挑战,如联合育种、长期选择的遗传进展及如何解析与性状有关和无关的标记等。基因组选择在一些动植物育种上已经开始应用,在人类遗传倾向预测和进化动力学研究中也有潜在的应用前景。基因组选择在个体间亲缘关系的量化上有了突破,比传统方法更加精确,因此,基因组选择将会是动植物育种史上革命性的事件。

鲤45S rDNA的染色体荧光原位杂交定位

应用荧光原位杂交技术,通过设计位于5.8S rDNA、18S rDNA和非转录IGS区域的3条探针CAAG1191、CAAG1845和CAAG3602,分别对散鳞镜鲤Cyprinus carpio var.scattered mirror和松浦鲤Cyprinuscarpio Songpu的45S核糖体DNA(ribosomal DNA,rDNA)进行染色体定位及共定位。结果表明:45S rDNA均位于两品种鲤一对近端着丝粒染色体的短臂末端,具有染色体特异性,表明45S rDNA序列的探针能够在鲤细胞遗传学研究中用于标识其所在染色体,并与鲤遗传连锁图谱中长度为227 cM的1号连锁群相对应;两品种鲤的染色体数目均为2n=100,45S rDNA在鲤基因组内仅定位于一对同源染色体,不存在复制位点,证实了鲤基因组在全基因组复制事件之后又经历了重新二倍化过程。

大菱鲆体重和体尺性状联合GWAS分析

为了揭示大菱鲆(Scophthalmus maximus)体重和体尺性状的分子遗传机制,探寻用于改良目标性状的分子标记及候选基因,本研究以大菱鲆育种群体为研究对象,分别测量其体重、体长、体宽和尾柄宽性状的表型值,利用简化基因组测序技术(2b-RAD)获得相应基因型数据,进行全基因组关联研究(Genome-wide association study, GWAS),筛选与大菱鲆体重和体尺性状显著关联的数量性状核苷酸(Quantitative trait nucleotides, QTNs)遗传位点。结果显示,以多性状线性混合模型(mv LMM)对体重–体长和体长–体宽–尾柄宽2个性状组合进行多性状GWAS分析,分别检测到9个和2个一因多效QTNs;以单一性状线性混合模型(LMM)对各个性状进行GWAS分析,在体重性状中检测到4个与之显著关联的QTNs,在体长和体宽性状中各检测到1个QTN,而在尾柄宽性状中则没有检测到显著的遗传位点。比较2种模型的结果,发现mvLMM相较于LMM能够检测到更多QTNs,且检测到的QTNs为更具生物学意义的一因多效QTNs。本研究首次利用mvLMM和LMM对大菱鲆体重和体尺性状进行联合GWAS分析,共筛选到17个显著的QTNs,其中,有4个QTNs被重复检测到。以这些检测到的QTNs为探针,在大菱鲆全基因组上找到了距离其最近的12个候选基因,它们可能是影响大菱鲆体重和体尺性状的重要候选标记和功能基因,本研究为大菱鲆体重和体尺性状的分子标记辅助选育提供了理论素材和参考。

鲤神经球蛋白基因序列与低氧表达分析

为深入了解鲤珠蛋白家族的基因组成和表达模式,及其与低氧适应能力的相关性,本实验通过鲤基因组框架图比对和全长cDNA文库筛查,获得鲤神经球蛋白(neuroglobin,Ngb)基因完整序列,证实鲤不仅具有独特的脑组织特异表达的II型肌红蛋白(myoglobin-2,Mb-2)基因,也具有Ngb珠蛋白基因,实时荧光定量PCR实验显示,该基因在脑组织特异性表达,并呈现出低氧应答特征。基因结构和系统发生分析表明,鱼类Ngb基因高度保守,鲤Ngb蛋白可能与斑马鱼直系同源蛋白具有相似的结构及功能,而与鲤Mb-2存在明显差异。鲤Ngb基因表达量在两个品系间存在显著差异,耐低氧能力强的散鳞镜鲤Ngb基因表达量高于荷包红鲤抗寒品系。研究表明,鲤Ngb基因可能以与Mb-2基因分工协作的方式共同实现脑组织供氧,执行应对低氧胁迫的神经保护功能,在鲤低氧适应中具有重要作用。

半滑舌鳎有效群体大小估计

为了解半滑舌鳎当前的群体遗传结构,探究半滑舌鳎有效群体大小(Ne)发展趋势及现状,实验通过性别特异性分子标记随机鉴定了800尾半滑舌鳎的遗传性别,选取297个遗传雌性半滑舌鳎样本进行简化基因组测序(2b-RAD),获得了64 416个可用SNP标记,利用这些标记进行全基因组范围的连锁不平衡分析得到各染色体上连锁不平衡分布;根据标记间不同物理间距进行半滑舌鳎有效群体大小的估计,初步了解各历史世代下有效群体规模;通过选择0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 Mb等7个不同染色体片段大小反映出半滑舌鳎群体遗传结构经过自然与人工共同选择的历史发展趋势。结果显示,半滑舌鳎有效群体大小随其连锁不平衡程度衰减而呈连续下降趋势,至2世代前其有效群体大小仅为29尾左右。

鲤KCTD15基因的克隆和表达

通过克隆得到鲤Cyprinus carpio含钾离子通道四聚化结构域15(KCTD15)两个基因KCTD15a和KCTD15b,其开放阅读框(Open read frame,ORF)均为774 bp,编码含257个氨基酸的多肽,编码的蛋白质相对分子量均为29 000,PI分别为7.0和6.5。经氨基酸比对和进化树分析表明:鲤KCTD15基因与斑马鱼Danio rerio、人Homo sapien、食蟹猴Macaca fascicularis、牛Bos taurus、小鼠Mus musculus、家鼠Rattusnorvegicus、爪蟾Xenopus laevis等的KCTD15基因具有高度同源性,均含有一个BTB(Broad-Complex,Tramtrack and Bric a brac)模块,鱼类比哺乳动物少26个氨基酸。采用半定量RT-PCR法分析了KCTD15基因在鲤组织中的表达,结果表明:KCTD15a基因只在头肾中表达且较低,在其他组织中均不表达;KCTD15b基因在卵巢中表达最高,在鳃和皮肤中次之,在脑、肝胰脏、头肾、肠等组织中表达较低。采用实时荧光定量PCR法检测KCTD15在鲤胚胎发育时期的表达,结果表明:KCTD15a和KCTD15b基因都在受精后0 h表达量最高(P<0.05),在受精后6 h和12 h均迅速下降(P<0.05);KCTD15a基因在受精后36 h有所上升,但未达到6 h的水平,在受精后72 h及破膜后3 d、10 d时表达量逐渐降低;而KCTD15b基因在受精后36 h降至最低,在受精后72 h及破膜后3 d时逐渐升高,但幅度不大,破膜后10 d时再次下降;KCTD15b基因的表达量总体高于KCTD15a基因的表达量。

有丝分裂雌核发育牙鲆不育的组织学观察及微卫星标记筛选

在有丝分裂雌核发育牙鲆（Paralichthys olivaceus）中出现数量较多的不育个体,利用组织切片观察比较不育牙鲆的组织学特点,利用分离群体分组分析法筛选不育相关的微卫星标记.结果表明：不育牙鲆的性腺指数为3.77％～4.17％,显著小于可育牙鲆（P＜0.05）.不育牙鲆的卵巢微血管较少,卵巢膜呈现白色,卵巢较硬,没有游离卵粒;切片结果显示,其卵巢处于Ⅲ期.通过对209个微卫星标记的筛选,共找到11个在可育和不育群体间有差异的标记;利用同一家系可育和不育的个体进行验证后发现,位于15号连锁群的4个标记与牙鲆的育性紧密相关.

鲤基因组中1个新Tc1类转座子的发现与鉴定

在鲤(Cyprinus carpio)基因组中鉴别出一个新的具有潜在转座活性的Tc1类转座子,并命名为CCTN转座子(Cyprinus carpio Transposon,CCTN)。CCTN转座子全长1 611 bp,由两端约214 bp的反向重复序列(Inverted Repeat,IR)和中间不间断的996 bp的转座酶开放阅读框(Open Reading Frame,ORF)组成。CCTN转座子推测的转座酶序列中存在完整的DD(34)E结构域,此结构域是Tc1类转座酶作用的必需位点之一。采用实时荧光定量PCR评估CCTN转座子在鲤基因组中的拷贝数约为2.28×103,占全基因组的0.21%。分子系统学研究表明,CCTN转座子是一个新的鱼类Tc1类转座子,其与斑马鱼(Danio rerio)Tzf-28、大西洋鲑(Salmo salar)SALT1和鲽(Pleuronectes platessa)PPTN2等Tc1类转座子亲缘关系较近。

鲤两种孕激素受体基因克隆、表达及比较分析

孕激素受体(Progesterone receptor,Pgr)是介导孕激素调控鱼类性腺发育和生殖细胞成熟的受体。为研究鲤(Cyprinus carpio)2种Pgr时空表达模式和表达分化趋势,采用cDNA末端快速扩增方法克隆两种Pgr基因(Pgr1和Pgr2)。Pgr1和Pgr2的全长cDNA序列分别为2 713 bp和2 730 bp,均编码628个氨基酸。二者核酸和蛋白质一致性分别为91%和90%。这两个基因都含有锌指结构域和核激素受体域同源超家族两个功能域。进化分析将鲤Pgr1和鲫Pgr1聚在一起,鲤Pgr2和鲫Pgr2聚为一支;这两支再与斑马鱼Pgr汇成一支。鲤Pgr1和Pgr2的非同义替换率与同义替换率比值为0.360,表明Pgr1和Pgr2受负选择压力。实时荧光qPCR分析表明,Pgr1和Pgr2在性腺的表达显著高于其他组织,说明二者可能参与性腺发育过程。催产素诱导后,Pgr1和Pgr2在精液和卵细胞的表达量高于受精卵,表明这两种基因与鲤生殖细胞成熟相关。大多数状态下Pgr1表达量显著高于Pgr2,表明Pgr1是介导鲤性腺发育和生殖细胞成熟的主表达基因。

用于目标序列染色体定位的镜鲤BAC-FISH体系构建

为了构建用于镜鲤(Cyprinus carpio var.specularis)特定基因组序列染色体定位的实验体系,在细菌人工染色体(Bacterial Artificial Chromosome,BAC)文库筛选池中对已知短序列基因组片段进行PCR扩增,筛选出包含目标序列的BAC克隆,提取BAC质粒进行缺刻平移标记制备探针,开展荧光原位杂交(Fluorescencein situ hybridization,FISH)实验。通过对染色体片前处理、BAC质粒探针制备、C0t-1 DNA封闭基因组重复序列、预杂交、荧光染料选择、信号放大等一系列实验条件和方法的探索优化,成功实现了目标序列在镜鲤有丝分裂中期染色体上的定位。定位对象既包括在染色体上有单一位点的序列,如斑马鱼微卫星标记Z6884和Z4268,也包括在染色体上有多个位点的重复序列,如黄河鲤性别相关标记CCmf1。来自斑马鱼同一条染色体上的两个微卫星标记被分别定位于镜鲤不同染色体上,为鲤鱼染色体数目加倍的进化假设提供了一项直接实验证据,同时将现有遗传连锁图谱与染色体对应起来,可作为染色体识别和细胞遗传学图谱构建的依据。黄河鲤性别相关重复序列被定位于不少于四条染色体上,为性别决定相关基因的筛查提供了研究线索。这一BAC-FISH实验体系将成为鲤细胞遗传学图谱构建、基因组进化和比较基因组学研究中的重要研究工具。