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[转载]科学家培育出无刺武昌鱼,或将改变淡水鱼养殖产业?

已有 753 次阅读 2022-10-6 20:05 |个人分类:读书笔记|系统分类:科普集锦|文章来源:转载

资料来源:Hi科普啦,2021-12-25 10:26

吃鱼最担心什么?当然是怕鱼刺卡到喉咙了。为此,咱们中国人可是从小就要学习一门吃鱼挑刺的手艺。不过,我们或许可以不用再担心了,因为科学家已经从源头上帮我们解决了这个问题,也就是将以前刺多的鱼培育成了无刺鱼。

有刺鱼是如何变成无刺鱼的,它们在味道、养殖和生存能力上会不会出现大的变化?

有刺鱼变无刺鱼

2021年12月18日,华中农业大学水产学院高泽霞教授带领的团队,已经找到了控制鱼刺的基因,并且成功培育出了第一代无刺鱼。往后,我们吃鱼不挑刺很有可能成为现实。

然而,在带给“吃货”福利的背后,却是科研人员9年来日复一日的试错和研究。

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时间回到2012年,刚刚博士毕业的高泽霞,选择了“如何让刺多的鳊鱼变成无刺鱼”这一课题。这是一个非常值得研究的话题,“很多人都有被鱼刺卡喉的经历,所以我想培育出无刺鱼,这可能是将来大宗鱼类产业发展的一个方向。”

以往对鱼刺的研究都是从形态方面出发,但是并没有实际的使用价值,而高泽霞却找到了一项研究空白,通过遗传和分子调控来改变鱼刺的有无。关键就是找到能够调控鱼刺生长的基因(主效基因),只要找到了这个基因也就找到了控制鱼类长刺的开关。

就像杂交水稻的繁育一样,寻找这个基因的过程漫长而艰难,因为基因看不到也摸不着,一个生物体内差不多有上万个基因,要从中准确寻找到控制鱼刺的基因无异于大海捞针。

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高泽霞教授团队

高泽霞教授向记者描述了寻找鱼刺基因分子表达的情形:他们将每一根细刺从鳊鱼身上小心翼翼地挑出来,剔掉结缔组织,在降解之前,快速放进液氮保存,再快速提取RNA,快速进行基因表达。

说是快速,整个团队完成这一操作,也足足花了三个月时间,才最终筛选出有可能和鱼刺相关的近50个基因。

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接下来就是逐个验证这50个基因,哪个才是真正的“鱼刺基因”了。由于鳊鱼生长速度比较慢,科研团队决定将这些基因放到斑马鱼的身上进行实验。利用基因编辑技术,一个一个依次敲掉这些基因,看鱼刺的生长有没有发生变化。而这个验证又耗费了7年时间。

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直到2019年底的时候,在淘汰了40多个基因以后,主效基因总算出现了,几百条无刺斑马鱼的生长状态非常良好。为了进一步验证这些无刺鱼的基因稳定性,又再经过几代繁育,高泽霞教授发现后代斑马鱼也都是无刺鱼。这才总算可以确定找到的就是主效基因。

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现在,高泽霞团队和中科院水生所的桂建芳院士团队已经分别在鳊鱼、草鱼和鲫鱼身上敲除了这一基因,获得的第一代杂合体的无刺鱼生长状况良好。科学家们确定所有种类的有刺鱼,只要敲除了“鱼刺基因”,都可以得到相应的无刺鱼。

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肌间刺

鱼刺相当于鱼的骨骼,缺少了“骨骼”的无刺鱼会发生什么变化呢?

事实上,鱼刺和鱼骨头还是有区别的。鱼骨头是鱼类的骨架,没有骨架它就不是鱼类了,而是软体动物。本次研究中的鱼刺,是指鱼肉中细密的小刺,也是我们吃鱼时最讨厌的部分,被叫做肌间刺。

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对于肌间刺的作用目前还没有定论,大部分科学家推测它的主要作用是支撑肌肉,一些肉质比较疏松的鱼类,不仅肌间刺数目相对较多,而且肌间刺上的分枝也较多,比如鲢鱼和鳙鱼,甚至出现了复杂的树状分枝。

肌间刺的另一个作用是肌肉力量的传导。简单地说,低级鱼类之所以拥有肌间刺,主要是因为它本身控制不了身体,就需要借助贯穿全身的鱼刺来控制肌肉摆动身体,从而加快游动速度。而一些高级鱼类已经可以充分利用强大的肌肉力量快速移动了。

既然肌间刺和鱼类的运动有关,那么肌间刺的数目也就与肌肉中蛋白质的含量有一定的关系了。这也就是海水鱼相比淡水鱼肌肉弹性更好的原因。

科学家依据这一点认为,肌间刺是低等真骨鱼类所特有的一种结构,这些鱼刺的数量会随着鱼类的演化逐渐减少,直至进化到某一阶段以后才会完全消失。

其中鲤形目的鱼类鱼刺普遍较多,包括我们熟悉的鲤鱼、鲢鱼、鲫鱼、鳙鱼、草鱼、青鱼等;而鱼刺较少或没有鱼刺的大部分是鲈形目,包括鲈鱼、鳜鱼、带鱼、黄花鱼、石斑鱼、罗非鱼等。

而本次科学研究,强行将鱼刺较多的武昌鱼变成无刺鱼,很有可能会影响武昌鱼的成长。它们长期以来依靠鱼刺进行高速游动,缺失了鱼刺的武昌鱼要么只能减少游动,要么就需要努力学会用肌肉控制身体进行游动。

好在它们不需要到自然界去竞争食物,在人工养殖的环境下,衣食无忧的武昌鱼减少了运动,或许可以增加产量,但是肉质或许会有所下降。

无刺鱼将改变淡水鱼养殖产业?

对于自己和团队共同努力了将近10年的研究成果,高泽霞教授自信地说道:“相信无刺家鱼将会是大宗淡水鱼产业、家庭饮食结构的一次升级。”

不可否认,如果在同样健康和好吃的前提下,无刺鱼将会更具有优势。毕竟我们早就受够了吃一口鱼,担惊受怕找半天刺的状况,要是不小心鱼刺卡在喉咙里,这种难受的感觉估计很多人也是深有体会的。

不过,无刺鱼想要就此成为淡水鱼产业和家庭饮食结构升级的关键点,却仍然缺乏动力。

首先是,目前的无刺鱼还只是试验阶段的第一代杂合体,等到第三代无刺鱼长成还需要至少4-5年时间。而要正式投入市场进行批量养殖,估计至少也要6年以上了。

而且实验阶段和市场化养殖的条件并不相同,从实验到养殖的转变也必然存在很多差异,尽管目前获得的第一代杂合体的无刺鱼生长状况良好,形态正常,习性和普通有刺鱼没有差异,但是其中的养殖方法也肯定需要做出调整。

最关键的一点在于,无刺鱼是基因编辑的产物,在全球范围内,人们对于转基因技术和转基因食品仍然存有争议。虽然袁隆平院士曾经说过,“转基因是未来的发展方向”,但他也说过“人民不是小白鼠,不能用那么多人的健康和生命安全做实验来冒险”。所以说转基因这个问题目前是说不清楚的,只有通过实践来证明。

因此,在实践的结果出来以前,很多人的担忧也是合情合理的。2018年Nature旗下的食品刊物就专门调查了中国消费者对待转基因食品的态度,结果发现支持者非常少,只占到10%左右,而反对者则高达40%以上。所以,无刺鱼想要推向市场,还需要等待时间。

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附:水产学院高泽霞教授团队在鱼类肌间刺研究方面取得新进展

资料来源:南湖新闻网讯,2022-08-05;作者:聂春红;审核:万世明、高泽霞

8月2日,我校水产学院高泽霞教授团队联合中国科学院南海海洋研究所林强研究员团队在鱼类肌间刺方面的研究成果以“Single-cell transcriptomes and runx2b−/− mutants reveal the genetic signatures of intermuscular bone formation in zebrafish”为题在National Science Review期刊发表。研究明确了鱼类肌间刺形成的关键细胞群,鉴定到调控鱼类肌间刺发育的关键基因runx2b,揭示了runx2b调控鱼类肌间刺形成的分子机制。

世界主要养殖鱼类都含有一定数量的肌间刺,特别是我国主养的青草鲢鳙鲤鲫鲂等大宗淡水鱼类,食用时极易出现卡喉咙的危险,严重影响了其产品的经济价值。高泽霞教授团队前期研究已利用转录组、蛋白组、小RNA组、全转录组等组学构建了鱼类肌间刺发生发育的组学资源库,并筛选到了关键的信号通路和候选功能基因,但肌间刺形成的关键调控基因尚不明确。

该研究首先利用单细胞转录组测序技术(scRNA-seq)定义了野生型斑马鱼肌间刺所在区域的18个细胞类群,筛选到了肌间刺形成显著相关的肌腱祖细胞、肌腱分化细胞、成熟肌腱细胞和成骨细胞类群。细胞拟时序分析结果推测肌间刺是由肌腱祖细胞经肌腱分化细胞,再分化为成骨细胞而形成的。根据基因在细胞轨迹上的表达模式,筛选到10个与肌间刺形成密切相关的功能基因,并在斑马鱼上运用CRISPR-Cas9基因编辑技术分别构建了基因突变品系。最终发现runx2b突变斑马鱼肌间刺完全缺失,且其个体生长、其它骨骼单元形成、肌肉脂肪酸和氨基酸含量等性状均未受到显著影响。scRNA-seq分析同时揭示了runx2b突变体斑马鱼的肌间刺发生区成骨细胞数量的显著减少,在个体和细胞水平明确了TGF-β/BMP signaling pathway在肌间刺形成过程中的重要调控作用。

此外,该研究团队在经济鱼类团头鲂(武昌鱼)上运用CRISPR-Cas9基因编辑技术构建了runx2b基因F0代突变体,发现runx2b突变体团头鲂的肌间刺发育亦受到显著影响,部分个体肌间刺数目减少30%以上,表明runx2b基因对经济鱼类肌间刺形成亦具有重要调控作用。鉴于团头鲂性成熟时间为2年,团队拟在后续研究中繁育获得纯和突变品系,以期获得肌间刺完全缺失的团头鲂新种质。

我校水产学院博士后聂春红、副教授万世明、博士生陈宇龙为论文共同第一作者,水产学院高泽霞教授和中国科学院南海海洋研究所林强研究员为论文共同通讯作者,水产学院王卫民教授参与指导了本研究,比利时根特大学Paul Witten教授与Ann Huysseune教授,巴西莫吉达斯克鲁兹大学Alexandre Hilsdorf教授等参与了本项研究。该研究得到国家大宗淡水鱼类产业技术体系、湖北洪山实验室、国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究等项目的支持。

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1 论文摘要图



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