鱼类远缘杂交和雌核发育研究进展

（资料来源：Reviews in Aquaculture）

1 State Laboratory of Developmental Biology of Freshwater Fish, Hunan Normal University, Changsha, China

2 College of Life Sciences, Hunan Normal University, Changsha, China

图 通过回交异精子诱导的人工雌核发育鱼改良鱼类的生产

摘要

远缘杂交和雌核发育是鱼类中两种常见的育种技术。基于我们团队的研究成果以及现有的文献资料，我们总结了远缘杂交和雌核发育鱼类的繁殖特性和遗传特性，并推断了这两种方法的基本机制，进行了比较，辨析其共同点和不同点。远缘杂交和雌核发育技术都可以改变基因型和表现型，因此是重要的育种方法。此外，鱼类远缘杂交和雌核发育的遗传规律和基本生物学特性也被推断出来。基于鱼类远缘杂交和雌核发育的大量实验结果，我们提出了大杂交和微杂交的概念。“大杂交”是指具有两种不同亚基因组的远缘杂交后代，每种亚基因组均由两个亲本物种中的一个遗传，例如异源二倍体和异源四倍体系。“微杂交”概念是指那些后代，包括自同源二倍体和同源四倍体，以及人工雌核发育产生的后代，其基因组几乎完全来自母体，但其中嵌入了一些源自父体的DNA片段。远缘杂交和雌核发育是鱼类遗传学、育种和进化中的关键技术。我们提出了鱼类远缘杂交和雌核发育研究和应用的前景方向。

关键词

鱼类，远缘杂交，雌核发育，大杂交，微杂交

Abstract

Distant hybridization and gynogenesis are two prevalent breeding techniques for fishes. Drawing from the research achievements of our team and the existing literature, we summarize the reproductive traits and genetic features of fishes derived from distant hybridizations and gynogenesis, and we deduce the fundamental mechanisms of these two methods and compare them, discerning their common and different characteristics. Both distant hybridization and gynogenesis techniques can alter genotypes and phenotypes, thus establishing them as significant breeding methods. Additionally, the genetic principles and the basic biological characteristics of distant hybridization and gynogenesis in fish have been inferred. We propose the concepts of macro-hybrid and micro-hybrid based on extensive experimental findings from fish distant hybridizations and gynogenesis. The term “macro-hybrid” refers to offspring from distant hybridization that possess two distinct subgenomes, each inherited from one of the two parental species, such as allodiploid and allotetraploid lineages. The concept of “micro-hybrid” refers to offspring, including autodiploid and autotetraploid lineages, as well as those resulting from artificial gynogenesis, whose genome almost originates solely from the maternal parent but in which certain DNA fragments derived from the paternal parent insert. Distant hybridization and gynogenesis are vital techniques in fish genetics, breeding, and evolution. We highlight the prospective paths for research and application of distant hybridization and gynogenesis in fishes. 

keywords

fish; distant hybridization; gynogenesis; macro-hybrid; micro-hybrid

研究进展

近日，刘少军院士科研团队结合其团队科研结果和国际上相关研究文献，综述了鱼类远缘杂交和雌核发育的研究进展，以“The Research Advances in Distant Hybridization and Gynogenesis in Fish”为题，发表在Reviews in Aquaculture（2024）上。该文章总结了作为鱼类育种中常用的两种育种技术-鱼类远缘杂交和雌核发育技术的原理及形成的后代的繁殖特性和遗传特性，阐述了这两种技术形成的可育品系的规律及优良鱼类的主要生物学特性，比较分析了这两种技术的基本原理以及两者之间的相同点和差异性，认为这两种技术都可使后代的基因型和表型发生变化，它们在鱼类育种中具有重要作用。

在系统比较了鱼类远缘杂交和雌核发育育种技术原理的基础上，该文系统性地提出了“大杂交”和“微杂交”的概念，“大杂交”是指通过远缘杂交，其杂交后代中的异源品系（异源四倍体和异源二倍体鱼）的基因组中具有父母本的基因组共存且可遗传（图1）。“微杂交”是指通过远缘杂交或者人工雌核发育（异源精子诱导），其后代中的同源品系（源自远缘杂交形成的同源四倍体和同源二倍体鱼）以及人工诱导雌核发育鱼的基因组组成中是以母本基因组为主，插入了部分父本特异的DNA片段（图2）。异源精子刺激的人工雌核发育后代的基因组中插入有父本特异的DNA片段呈现的“异精效益”，与源于远缘杂交的同源二倍体鱼中的“微杂交”效果类似。这些创新的见解归纳出了远缘杂交和雌核发育技术在鱼类遗传育种研究中的共性和差异性规律，为鱼类育种理论创新提供了新思路。基于雌核发育的“异精效应”和“微杂交”效应及其遗传特性，该文系统性提出了完整的雌核发育育种技术路线（图3），该技术路线包括雌核发育、回交、自交、再回交、再自交等关键步骤，其每步可作为新的鱼类种质资源，尤其是其回交、自交、再回交、再自交群体，解决了雌核发育后代多为雌性，缺乏雄性个体而限制规模化生产应用的问题，既可为新的鱼类种质资源，也可为应用对象。这一创新技术路线为雌核发育鱼类育种技术的建立和应用提供了新的思路和方向。这篇文章的共同第一作者是刘启智教授、王石副教授、汤陈宸实验师，通讯作者为刘少军院士。另外，刘少军院士科研团队建立的鱼类远缘杂交技术得到了广泛应用；同时建立的上述雌核发育技术路线已在雌核发育草鱼、雌核发育鲈鱼、雌核发育鳜鱼和雌核发育乌鳢等雌核发育鱼类群体中得到了广泛应用。这两种技术都产生了较好的效果。

图1 “大杂交”技术路线模式图

图2 “微杂交”/“大杂交”技术路线模式图

图3 雌核发育技术路线模式图

作者简介

刘少军：中国工程院院士，博士，湖南师范大学教授，博导，国家杰出青年科学基金获得者，省部共建淡水鱼类发育生物学国家重点实验室主任，Reproduction and Breeding期刊主编，湖南省科协副主席，中国水产学会副理事长，全国水产原种和良审定委员会副主任委员，全国五一劳动奖章获得者，全国优秀教师，全国优秀科技工作者，国家大宗淡水鱼产业技术体系-育种技术与方法岗位科学家，湖南省科技领军人才。

他领导团队长期从事鱼类鱼类远缘杂交和雌核发育研究；在鱼类远缘杂交研究领域的理论-技术-产品方面做出了创新成绩，在该研究领域处于领先水平；攻克了种间生殖隔离难关，探索出鱼类远缘杂交的主要遗传和繁殖规律；建立了一步法和多步法鱼类杂交关键育种技术；创建了一批源于远缘杂交的四倍体和二倍体鱼可育品系，形成了新的鱼类种质资源；研制了包括5个国家级水产新品种在内的一系列优质鱼类；首次证明鲤-鲫-金鱼杂交演化途径；建立了雌核发育、回交、自交、再回交、再自交的雌核发育育种技术路线；结合鱼类远缘杂交和雌核发育的特性，提出“大杂交”和“微杂交”的理念；倡导鱼类良种良养良销体系建立及应用；倡导实施“政府+科研团队+企业+农户”的运行体制；以第一完成人获国家科技进步二等奖（2项）、全国创新争先奖状、湖南省科技进步一等奖、湖南省技术发明一等奖、湖南光召科技奖、大北农科技奖等奖励；获国家发明专利40项；撰写了Fish Distant Hybridization、《鱼类远缘杂交》专著；以第一或通讯作者在Genome Research、PNAS、BMC Biology、Reviews in Aquaculture等期刊发表论文200余篇；主持培养毕业了39名博士和111名硕士；为我国水产事业做出了杰出贡献。

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