鱼类人工多倍体育种的研究进展

鱼类多倍体育种是鱼类育种最热的领域之一。本文概述了鱼类人工多倍体育种研究的进展情况,包括鱼类人工多倍体育种的方法和人工多倍体鱼类可育性等方面。鱼类人工多倍体育种的方法主要有物理、化学和生物学方法,三倍体鱼预期是不育的,四倍体是可育的,但目前两性可育的四倍体的报道还很少。本文还对人工多倍体鱼的生物学意义作了简单的阐述。本文旨在为对今后进一步开展鱼类人工多倍体育种研究提供参考。     

从ATPase8-6基因研究杂交多倍体鱼线粒体母性遗传

异源四倍体鲫鲤是世界上首例人工培育的两性可育并形成群体的且能自然繁殖的四倍体鱼。本文采用质粒克隆测序法测定了红鲫、异源四倍体鲫鲤、三倍体湘云鲫和三倍体湘云鲤的ATPase8和ATPase6基因全序列 ,结合鲤鱼、日本白鲫和斑马鱼的同源序列 ,对不同倍性水平鲤科鱼类的ATPase8和ATPase6基因进行了比较 ,分析了碱基组成、变异情况以及核苷酸和氨基酸序列差异。红鲫、鲤鱼、异源四倍体鲫鲤、日本白鲫、三倍体湘云鲫和三倍体湘云鲤之间的序列差异为 0 0 % - 1 3 4 % ,它们与外群斑马鱼之间的序列差异为 2 7 9% -31 0 %。用MEGA软件中的MP法、ME法、NJ法和UPGMA法构建分子系统树 ,得到了相似的拓扑结构。结果分析表明 ,人工杂交多倍体异源四倍体鲫鲤、三倍体湘云鲫和三倍体湘云鲤在线粒体ATPase8和ATPase6基因上具有严格的母性遗传特征。值得注意的是 ,异源四倍体鲫鲤经过 1 1代的繁育后 ,与其原始母本红鲫仍然保持了非常高的同源性 ,说明了新的异源四倍体基因库在线粒体ATPase8和ATPase6基因上拥有稳定的遗传特性。对不同倍性鲤科鱼类线粒体ATPase8和ATPase6基因的研究表明 ,ATPase8和ATPase6基因是杂交鱼后代遗传变异研究的一个很好的分子标记     

三倍体湘云鲫2号线粒体DNA含量与其不育的相关性研究

三倍体湘云鲫2号是通过倍间杂交产生的一种多倍体鱼(红鲫(♀)×异源四倍体鲫鲤(♂)),因其不育性状,具有重要的生产和科研价值。有研究表明线粒体在动物育性的分子调控机制中扮演了重要角色,但在鱼类中尚没有相关的研究报道。利用本实验室特有遗传背景清晰的实验鱼品系(三倍体湘云鲫2号、二倍体红鲫、异源四倍体鲫鲤和同源三倍体鲫),通过荧光定量PCR技术对比分析了它们性腺中线粒体DNA的拷贝数,发现三倍体湘云鲫2号雄性个体精巢中mt DNA含量较正常水平高,雌性个体卵巢中mt DNA含量较正常水平低。实验首次从线粒体DNA含量影响生殖细胞发育的角度探索线粒体与三倍体湘云鲫2号不育的关系,为三倍体湘云鲫2号不育分子机制的研究提供了一些新的基础数据。     

不同倍性鱼垂体细胞和超微结构比较

对繁殖季节和繁殖季节后的二倍体红鲫(Carassius auratus red var.)、三倍体湘云鲫以及四倍体鲫鲤脑垂体细胞的显微和超微结构以及组织化学特性进行了比较研究. 结果表明, 3种鱼脑垂体中都存在6种不同类型分泌细胞, 但是不同倍性鱼的垂体细胞大小存在明显差异, 就同一类细胞体积而言, 四倍体鱼垂体细胞大于三倍体垂体细胞, 三倍体垂体细胞大于二倍体垂体细胞. 在繁殖季节, 四倍体鲫鲤中腺垂体的GTH细胞所占比例最大, 其次是二倍体红鲫, 最少的是三倍体湘云鲫, 该现象与四倍体鲫鲤的性腺发育提前、三倍体湘云鲫不育有关联; 另一方面, 三倍体湘云鲫中腺垂体中STH细胞所占比例最高, 其次是二倍体, 最少的是四倍体鲫鲤, 这与三倍体湘云鲫生长速度最快、四倍体鲫鲤生长速度相对缓慢有关. 另外, 三倍体湘云鲫中腺垂体GTH细胞中的分泌颗粒和分泌小球在繁殖季节没有大量排出, 而四倍体鲫鲤和二倍体红鲫明显有大量排出, 说明三倍体湘云鲫的不育性与GTH中的激素不排出有关. 以上结果说明, 不同倍性鱼类在垂体结构方面表现出的差异与它们的生长速度、性腺发育等方面具有关联性.     

异源四倍体鲫鲤雌核发育后代及其亲本RAPD分析

异源四倍体鲫鲤是湖南师范大学鱼类发育生物学实验室和湖南湘阴县东湖渔场在红鲫(♀)和湘江野鲤(♂)的杂交后代中选育出来的四倍体鱼,目前已连续繁殖14代(F3-F16),已形成一个四倍体性能代代相传、遗传性状稳定的四倍体鱼群体,这是世界上唯一人工培育的两性可育的异源四倍体鱼[1—2]。利用四倍体鱼与二倍体白鲫、二倍体鲤鱼杂交,可获得生长快、肉质鲜美、抗病力强等优良性状的不育三倍体湘云鲫、三倍体湘云鲤[3],并已在全国28个省市推广养殖,取得了显著的经济和社会效益。异源四倍体鲫鲤雌性个体产生的二倍体卵子具有两套染色体,在没有染色…     

人工诱导白鲫(♀)×红鲤(■)异源四倍体鱼的初步研究

人工诱导鱼类多倍体是动物染色体工程的重要课题。鉴于三倍体鱼的不育性和成活率高、生长快等特点,国内外采用理化手段直接诱导三倍体鱼已在三棘刺鱼(Gasterosleus aculeatus(L.))、鲽鱼(Pleuronectes platessa)、鲤鱼(Cyprinus carpio L.)、草鱼(Ctenopharyngodonidellus)、草鱼(♀)×团头鲂(Megalobrama amblycephala)(♂)杂种,以及白鲢(Hypophthalmichthysmolitrix),等十多种鱼获得成功。有的已开始用于实践并取得较明显的经济效益。尽管如此,诱导三倍体鱼的技术毕竟不是一劳永逸的方法。理想的方法是人工诱导获得能育的异源四倍体(或同源四倍体),再与二倍体鱼杂交得三倍体鱼,从而为大规模生产三倍体鱼提供一条行之有效的捷径。陆仁后等(1982),用草鱼尾鳍细胞诱导成同源四倍体细胞并移至泥鳅去核卵得到心跳期     

年产10亿尾三倍体湘云鲫（鲤）鱼苗种繁殖工程

由于我国淡水渔业的发展和市场变化 ,使得传统养殖品种和养殖方式面临被淘汰的危机 .三倍体鲫鱼和鲤鱼湘云鲫、湘云鲤的优良品质和养殖效益越来越受到人们的重视 ,与传统鲤、鲫鱼相比较 ,湘云鲫 (鲤 )鱼具有 :(1 )生长快 .湘云鲫比普通鲫鱼生长快 2～ 3倍 ,当年鱼苗可长到 0 .5kg/尾 ;湘云鲤比普通鲤鱼快 2 0 %～ 30 % ,当年鱼苗可长到 0 .75kg/尾 ;(2 )不繁殖后代 .由于湘云鲫与湘云鲤均是三倍体鱼 ,不能繁殖 ,可以在任何养殖水域放养而不会产生后代和干扰其它鲤鲫鱼类资源 ;(3)抗逆性强 .湘云鲫和湘云鲤具有耐低氧、低温、耐粗饵、抗病的…     

改良三倍体鲫鱼的生物学特性研究

利用鱼类远缘杂交和雌核发育相结合的方法培育出改良四倍体鲫鲤和改良二倍体红鲫,两者交配制备出一种改良三倍体鲫鱼（湘云鲫2号）.对改良三倍体鲫鱼的染色体数目和组型、性腺和垂体结构、外形特征、生长速度等方面进行了系统的研究.结果表明,改良三倍体鲫鱼的染色体数目为3n=150,核型公式为33m＋51sm＋33st＋33t;其精巢和卵巢在繁殖季节不能产生成熟配子,垂体超微结构显示,GTH细胞内的分泌颗粒和分泌小球在繁殖季节没有大量排出,该特征从内分泌的角度证明了它们的不育性;改良三倍体鲫鱼具有体背高、尾柄短和头部小的优良外形特征.与三倍体湘云鲫相比,改良三倍体鲫鱼不但保留了三倍体鱼生长速度快、不育等特点,而且在体形方面表现出明显的改良特征,是一种新型改良三倍体鲫鱼.     

异源四倍体鲫鲤雌雄差异的RAPD标记

异源四倍体鲫鲤是从红鲫和湘江野鲤的杂交后代选育出来的,已经形成了一个遗传性状稳定的四倍体鱼新种群。用异源四倍体鲫鲤(雄性)和二倍体白鲫(雌性)生产的三倍体湘云鲫已经在全国推广应用。因此,如果能够了解异源四倍体鲫鲤的性别分化机制,人为地控制异源四倍体鲫鲤的性别分化,生产出大量的超雄鱼,这对于三倍体湘云鲫的产业化生产有重要的意义。刘少军等对异源四倍体鲫鲤的染色体组型进行了分析,并没有发现异源四倍体鲫鲤有明显的特化的性染色体,这说明通过细胞遗传学研究异源四倍体鲫鲤的性别遗传机制是有困难的。       

多倍体鲫鲤原始生殖细胞的标记及其迁移研究

原始生殖细胞(primordial germ cells, PGCs)的起源和迁移已在多种鱼类进行了研究,但多倍体鲫鲤原始生殖细胞的标记和迁移尚未见报道。本实验室前期通过远缘杂交方法成功获得了一个倍性明确、亲缘关系清晰的多倍体杂交鱼研究体系,该体系由异源四倍体鲫鲤及其二倍体父母本和三倍体杂交后代组成。本文利用RNA定点表达(localized RNA expression, LRE)技术,将来自于斑马鱼的nanos1-3'-UTR与GFP融合后生成的m RNA注射入多倍体鱼受精卵中,首次对多倍体鲫鲤原始生殖细胞进行标记,并观察了其迁移途径。结果显示,多倍体鲫鲤PGCs能被斑马鱼GFP-nanos1-3'-UTR标记,并且多倍体鲫鲤PGCs的迁移与斑马鱼类似。本实验结果为多倍体鲫鲤原始生殖细胞的产生和迁移的研究提供了一些基础数据。     

不同倍性鱼肌间骨的比较分析

采用常规测量法和解剖法对野生鲫(Carassius auratus,2n=100)、彭泽鲫(Carassius auratus variety pengze,3n=162)、改良三倍体鲫鱼(Triploid crucian carp,即湘云鲫2号,3n=150)及其亲本改良二倍体红鲫(Carassius auratus red var,改良红鲫,♀,2n=100)和改良异源四倍体鲫鲤(Allotetreploid hybrid,四倍体鲫鲤,♂,4n=200)5种不同倍性鱼肌间骨的数目、形态和分布进行研究.结果显示,野生鲫肌间骨数目在78~83之间,平均值为81根,彭泽鲫肌间骨数目在80~86之间,平均值为84,四倍体鲫鲤肌间骨数目在77~84之间,平均值为82,但是湘云鲫2号和改良红鲫的肌间骨数目比较少,湘云鲫2号在77~82之间,平均值为79,改良红鲫在58~77之间,平均值为71.考虑到不同倍性的鱼体大小和肌节数目的不同,进一步统计了每一肌节的平均肌间骨数目,野生鲫最多(0.721),彭泽鲫次之(0.673),改良红鲫最少(0.608),湘云鲫2号次之(0.633),四倍体鲫鲤位于中间(0.653),除了两组湘云鲫2号与四倍体鲫鲤、四倍体鲫鲤和彭泽鲫外,两两间都存在显著差异.5种鱼的各种肌间骨有"I"形、"卜"形、"Y"形、一端多叉形、两端两分叉形、两端多叉形和树枝形7种类型.肌间小骨越靠前端,形态越复杂.每条鱼左右两侧的肌间骨数目不完全相等,但总体上两侧肌间骨的数目接近.在保持鱼的营养、形态和活动等基本生理功能的前提下,湘云鲫2号的肌间刺数目比野生鲫和彭泽鲫都少,所以它的食用价值较高.本研究结果说明,改良二倍体红鲫和改良三倍体鲫鱼等人工培育的杂交鱼比野生鲫的肌间刺少,为鱼类骨骼发育生物学和鱼类遗传育种提供了形态学基础.     

蛋白磷酸酶-2Ac在不同倍性鱼6种组织中的分化表达模式

蛋白磷酸酶-2A是最重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶之一,对于调控多细胞的生命活动起着非常重要的作用.以异源四倍体鲫鲤及其二倍体父/母本(湘江野鲤/红鲫)和子代三倍体湘云鲫等为实验材料,运用Westernblot技术及荧光免疫组织化学技术等实验手段,得到了Protein PJhosphatase-2A(PP2A)的催化亚基在上述不同倍性鱼体内6种不同组织的表达模式:Protein Phosphatase-2Ac(PP2Ac)在异源四倍体鲫鲤及其二倍体父/母本及子代三倍体湘云鲫不同组织中蛋白水平均有表达,而且出现了明显的种属特异性和组织特异性,如在大脑、肌肉、肝脏三组织中,三倍体湘云鲫中PP2Ae的表达相对最高.而在肾脏组织中,PP2Ac在异源四倍体鲫鲤中的表达水平最高,父本与三倍体湘云鲫中的表达比较相近,且最低;而在性腺组织中则是父本精巢中的表达最高;在心脏组织中,PP2Ae在母本红鲫中的表达相对较高.这种明显的种属之间组织特异性可能说明了子代与父母本之间的变异性.荧光免疫组化实验结果显示,从整体水平来看,4种不同鱼的同一组织中,PP2Ac的相对定位是非常相似的,这可能说明了异源四倍体鲫鲤与其二倍体父/母本及子代三倍体湘云鲫之间的遗传相似性.研究结果为进一步探索PP2Ac在脊椎动物不同组织中的功能提供了实验依据.     

二倍体鲫鲤F2产生不同倍性卵子的证据

在检测到鲫鲤F2产生3种不同大小(直径分别为0.13 cm,0.17cm和0.2 cm)类型的卵子基础上,进行了F2(♀)×红鲫(♂)及F2(♀)×四倍体鲫鲤(♂)的交配实验.通过染色体计数和流式细胞仪分析,在F2(♀)×红鲫(♂)后代中获得了四倍体、三倍体、二倍体鱼;在F2(♀)×四倍体鲫鲤(♂)后代中获得了四倍体和三倍体鱼.这两个交配组合后代中出现的不同倍性的鱼类为证明鲫鲤F2能产生三倍体、二倍体和单倍体卵子提供了进一步证据.F2(♀)×红鲫(♂)中雄性四倍体鱼的存在说明在四倍体后代中存在基因型为XXXY的个体.对上述两个交配组合后代的四倍体鱼和三倍体鱼的性腺结构观察表明四倍体鱼是可育的,而三倍体鱼是不育的.作者认为鲫鲤F2能够产生二倍体和三倍体卵子与核内复制机制和生殖细胞的融合有关.     

异源四倍体鲫鲤、三倍体湘云鲫和它们父母本线粒体DNA 12S rRNA基因遗传变异的分析

采用质粒克隆测序方法,获得了异源四倍体鲫鲤5个个体、异源四倍体鲫鲤雌核发育二倍体后代2个个体、三倍体湘云鲫2个个体及红鲫、湘江野鲤和日本白鲫各1个个体的线粒体DNA 12S rRNA基因的全序列。经对比发现,异源四倍体5个个体共享2种单元型,异源四倍体鲫鲤雌核发育二倍体后代2个个体、三倍体湘云鲫2个个体以及红鲫、湘江野鲤和日本白鲫各1个个体分别共享1种单元型。用MEGA 1.0 软件分析了它们的碱基组成和核苷酸序列差异,用邻接法构建系统进化树。它们间的序列同源性在95%~99%之间,异源四倍体鲫鲤、三倍体湘云鲫和它们母本（分别为红鲫和日本白鲫）之间的序列同源性大于异源四倍体鲫鲤、三倍体湘云鲫和它们父本（分别为湘江野鲤和异源四倍体鲫鲤）之间的序列同源性,结果表明：异源四倍体鲫鲤和三倍体湘云鲫在线粒体DNA 12S rRNA基因上具有母性遗传特征。本研究另一值得注意地方的是异源四倍体鲫鲤经过9代(F3-F11)繁殖后,在5个个体中发现了2种单元型,说明在四倍体基因库中存在遗传多样性,为四倍体基因库的繁殖、保护和种群复壮提供了一些有价值的信息。     

湖南师范大学鱼类发育生物学研究室

湖南师范大学鱼类发育生物学研究室自20世纪50年代以来就从事淡水鱼及其它水生经济动物生殖生理和育种研究。在刘筠院士领导下,该研究室在多倍体鱼育种、四大家鱼、龟、鳖、蛙、大鲵等的繁殖和育种厅面开展大量系统的研究工作,并取得了突出成绩：该研究室属于省部共建国家重点实验室培育基地、教育部重点实验室、湖南省重点实验室,也是教育部多倍体鱼繁殖及育种技术工程研究中心。     

动物多倍体的遗传和进化

早在1925年,Muler认为动物多倍体的性不平衡,不可能使两性多倍体作为自然界的实体在动物中存在之后,一些学者也认为动物多倍体在进化中的地位并不重要,然而,近二十年来,从无脊椎动物到脊椎动物都发现了许多多倍体的物种,有孤雌生殖的三倍体、四倍体,也有两性生殖的三倍体、四倍体、六倍体和八倍体。在昆虫和鱼类中,甚至存在着多倍体的科、属。已发现的多倍体动物,在适应性等方面远胜于它们二倍体祖先,有的甚至取代和消灭了它的祖先。动物多倍体的存在受到了生物学家     

由鲤(Cyprinus carpio)和鲫(Carassius auratus)染色体组叠加构建的 两个单性人工多倍体克隆

具有天然雌核发育的多倍体杂种鱼可防止杂种优势的分离并保持其后代的杂种优势. 由于假设诱发的多倍体鱼类的生殖模式是天然雌核发育的, 我们进行了鲤鲫杂种的多倍体诱发, 目的是描述经染色体组叠加由有性鲤鲫二倍体转化为异源三倍体及异源四倍体克隆谱系. 鲤鲫杂种产生未减数而具有两亲本染色体组杂种卵子, 未减数的雌核可与入卵的雄核融合叠加形成三倍体合子. 鲤鲫异源三倍体胚胎发育正常, 部分异源三倍体雌性个体可产生未减数的、仍保留母本的三套染色体的成熟卵子. 绝大部分鲤鲫异源人工三倍体个体的成熟卵子的雌核不与入卵的雄核融合, 具有天然雌核发育特性. 异源三倍体卵子在入卵精子的激动下由雌核发育产生全雌后代, 并形成一个单性克隆系, 后代保留异源三倍体母本的形态特征, 并靠雌核发育的生殖方式形成异源三倍体克隆系. 极少数异源三倍体个体的成熟卵子的雌核可与入卵的雄核融合, 再通过染色体组叠加形成鲤鲫异源四倍体. 所有异源四倍体的雌性产生未减数的、含有4个染色体组的成熟卵子. 异源四倍体的成熟卵子保持雌核发育特性, 在近类的精子诱发下产生单性后代, 形成一个异源四倍体单性克隆.     

诱导高粱同源四倍体初报

人工诱导高粱多倍体在遗传育种上具有重 要意义。根据遗传学的知识,诱导高粱多倍体 不仅有可能获得具有大粒和蛋白质含量高的高 梁品系,而且如果能在四倍体的基础上三系配 套,配制成四倍体杂交高粱,则有可能较大幅度 地提高现有杂交高粱的产量。此外,通过二倍 体和四倍体杂交,还可能获得同源三倍体,从三 倍体的后代中有可能获得在遗传育种上具有重 要用途的三体材料。     

四倍体鲫鲤、三倍体湘云鲫染色体减数分裂观察

用精巢细胞直接制片法观察了异源四倍体鲫鲤、三倍体湘云鲫和二倍体红鲫、湘江野鲤精母细胞染色体第一次减数分裂中期配对情况 ;作为对照 ,观察了上述四种鱼肾细胞的有丝分裂中期染色体。在精母细胞第一次减数分裂中 ,异源四倍体鲫鲤同源染色体两两配对 ,形成 10 0个二价体 ,没有观察到单价体、三价体和四价体 ;三倍体湘云鲫精母细胞形成 5 0个二价体和 5 0个单价体 ;红鲫和湘江野鲤精母细胞分别形成 5 0个二价体。肾细胞检测表明异源四倍体的染色体数目为 4n =2 0 0 ;湘云鲫为 3n =15 0 ;红鲫和湘江野鲤分别为 2n =10 0。减数分裂时染色体分布情况与肾细胞染色体检测结果相吻合。具有四套染色体的异源四倍体鲫鲤在减数分裂中只形成 10 0个二价体 ,而不形成 2 5个四价体或其它形式 ,为产生稳定一致的二倍体配子提供了重要的遗传保障 ,也为人工培育的异源四倍体鲫鲤群体能够世世代代自身繁衍下去提供了重要的遗传学证据。三倍体湘云鲫在减数分裂过程中出现二价体、单价体共存 ,同源染色体在配对和分离中出现紊乱 ,导致非整倍体生殖细胞的产生 ,为湘云鲫的不育性提供了染色体水平上的证据     

远缘杂交形成的二倍体鱼和多倍体鱼生殖细胞染色体研究

本文采用性腺染色体制片及组织学切片方法,系统地研究了不同发育时期的鲫鲤杂交第二代(F2) (2n=100)、异源四倍体鲫鲤(4n=200)、三倍体鲫鱼(3n=150))、雌核发育二倍体鲫鲤第二代(G2)(2n=100)及鲤鱼(Cypninus carpio L)(2n=100)(对照组)生殖细胞的染色体特征.研究结果表明,对照组中鲤鱼精原细胞染色体数与体细胞染色体数一致,为二倍体精原细胞(2n=100),而远缘杂交形成的二倍体鱼和多倍体鱼的生殖细胞中则观察到明显的染色体数加倍现象,其中,鲫鲤杂交第二代(F2)精巢生殖细胞染色体数加倍现象特别丰富,占检测的染色体分裂相的21.6%,为其产生不减半的二倍体配子提供了直接的细胞学证据,同时也说明远缘杂交是导致生殖细胞染色体数加倍的一个重要因素.该研究在探讨多倍体鱼的发生及鱼类遗传育种方面具有重要意义.