作者:成舸 李浩鸣 来源:中国科学报 发布时间:2012-12-5 7:56:03
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首个鱼类远缘杂交品系:开启新鱼类种群之门
 
■本报记者 成舸 李浩鸣
 
近日,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。
 
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”。
 
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。
 
“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。
 
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(杂交子一代)和F2, 并突破性地在F3中获得两性可育的异源四倍体鲫鲤(其体细胞染色体数目为200),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。
 
“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。”
 
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。
 
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。
 
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。
 
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。
 
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。
 
“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。”
 
更难的坚守在于解决疑难的科学问题。
 
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。
 
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。
 
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。
 
“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。
 
“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?
 
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’”。
 
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。
 
“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。
 
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。而他撰写的学术专著《鱼类远缘杂交》不久后也将出版。
 
《中国科学报》 (2012-12-05 第3版 基金)
 
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