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“吃鱼不吐刺” 科研人员成功培育无肌间刺武昌鱼

来源:中国科学报2022-11-22 10:11

  吃鱼被鱼刺卡喉,是众多食客的切肤之痛。但不巧的是,我国主养鱼类如青、草、鲢、鳙、鲤、鲫、鲂,都存在一定数量的肌间刺,即布于鱼背、鱼尾等处恼人的“小刺”。

  这些鱼能不能不长小刺?这在以前,是天方夜谭。但现在,这个“无理要求”有望成为现实。

  华中农业大学水产学院教授高泽霞团队,成功培育出无肌间刺斑马鱼。相关研究成果近日发表于《国家科学评论》(英文版)。此外,该研究团队通过敲除决定鱼类肌间刺形成的关键基因,成功培育出了无肌间刺的武昌鱼。

  这些创新性成果的背后,是高泽霞团队历时10年之久的求索。自开展无小刺鱼研究以来,团队从2012年到2021年,仅拿到4项共计170万元的经费支持,加上2021年刚获批的一个250万元的项目,前后也仅有420万元经费支撑。

  靠有限的经费资助,高泽霞团队是怎样一步步做出这项原始创新成果的?这一切要从10年前说起。

  鱼刺卡喉之痛

  2010年6月,高泽霞从华中农业大学毕业,获得农学博士学位。那时,她所在的团队主要关注武昌鱼的生长、抗病和耐低氧性状。渐渐地,高泽霞觉得“让武昌鱼长快一点、长大一点”“抗病能力和耐低氧能力强一点”,有点“不过瘾”。

  “长得快、抗病、耐低氧的问题解决之后,武昌鱼的价格还是抬不上来。为啥?鱼刺多!”她告诉《中国科学报》,肌间刺的存在严重影响了鱼类的食用和加工价值。

  于是她开始查文献,发现之前也有学者关注过这个问题,但并未深入研究。

  理论上讲,如果能找到肌间刺形成的主控基因,是可以通过基因编辑技术实现不让武昌鱼长出肌间刺的。但更重要的问题是,不长肌间刺的武昌鱼能否正常生长。

  高泽霞想到,在鱼类进化过程中,有的鱼类小刺变软退化,鲈形目的鲈鱼、鲇形目的黄颡鱼等甚至没有肌间小刺……她觉得,此前的构想值得一试。

  中科院水生生物研究所研究员徐旭东告诉《中国科学报》,在鱼类演化史上,小刺经历了逐渐增多、形态趋向复杂,之后又逐渐减少、消失的过程。他说,低等真骨鱼类如鲱形目、鲤形目,小刺较多,而较高等的鲈形目小刺则完全消失。但被国人选中的主养鱼种刺很多,因为那些无小刺鱼类一般养殖成本较高,或者“娇气不好养”,在产量上难以与常见的七大主养鱼相匹敌。

  除了产业价值,这项研究背后也有科学价值。高泽霞表示:“我们的父母长辈包括我自己都有腰椎间盘突出问题,研究肌间刺还跟骨质增生(俗称骨刺)有点关系。”综合因素下,她决定瞄准鱼类的肌间刺剔除一探究竟。

  理想很美,但真做起来的时候她才发现,无从下手。

  “没人告诉你该怎样开展这项工作。查阅生物信息数据库,也没多少肌间刺相关的遗传资源,大都是表型方面的,比如肌间刺什么时候长、骨化顺序如何等。”高泽霞说,“这也是当时为什么这类项目很难申请到经费的原因——没有研究基础、没有预期结果,确实让人很难办。”

  不过,探索的种子已经在心里扎了根,高泽霞坚持要试一试。没有正式项目支持,就借着实验室研究武昌鱼的便利,先从基础工作慢慢做起。

  “挑刺儿”是个技术活

  高泽霞是从最基本的形态学开始做起的,再设法构建肌间刺的遗传资源,找到肌间刺形成到底是哪些基因表达在发挥作用,哪个或哪几个基因是关键基因。

  “要想知道梨子的味道,就得亲口尝一尝。”对于问题的答案,高泽霞决定把它们一个个“挑”出来。

  这个“挑”,是“挑刺儿”的“挑”。

  一条性成熟的武昌鱼约有120多根肌间小刺(注:存在个体差异,普遍数量为84~146根),每根小刺都刺入肌肉组织内部,且周围有结缔组织粘连。高泽霞要做的,就是要把这120多根肌间刺从鱼身上挑出来,提取高质量的转录组RNA,进而探究肌间刺发生与基因表达之间的关系。

  这是个有难度的技术活儿。要挑刺儿,首先就得知道这120多根肌间刺都分布在哪里,接着要从被麻醉的活鱼身上,把这些跟结缔组织粘连的肌间刺干净利落地拔起;拔出后,还要迅速除掉外周的肌肉组织,赶在RNA降解之前放进液氮中研磨,使骨组织充分分解,进而提取高质量RNA。

  高泽霞带着学生一挑就是3个月。3个月后,她的眼睛看哪儿都像有根刺。

  这套“挑刺”程序也改进了提取RNA的方法,实现了世界上第一次全面鱼刺基因表达,高泽霞据此申请了鱼刺研究的第一个国家专利。她告诉《中国科学报》,从那之后,高质量地挑刺、拔刺,成了课题组每个学生必备技能之一。

  通过对武昌鱼肌间刺发生、发育不同时期的转录组、mRNA组、蛋白组等多组学分析,加之对比肌间刺组织与其他骨骼组织的基因、蛋白表达的差异,高泽霞研究团队逐步弄清了调控武昌鱼肌间刺生长发育的基因作用,并筛选、鉴定了一批(约60个)关键候选基因。

  调控肌间刺发育的主效基因就藏在这些候选基因中。换言之,只要找对了关键基因,就可以通过基因编辑技术,逐步构建无肌间刺的武昌鱼。

  “完全没有肌间刺,才有意义”

  候选基因在手,高泽霞带领团队开始用模式鱼类——斑马鱼来筛选主导鱼类肌间刺发生发育的关键基因。鲤形目的斑马鱼,性成熟只需3个月,用它来做基因筛选,能够尽快看到敲除掉不同基因后鱼的“长刺表现”。

  对60多个基因逐个排除、验证,找到关键主效基因,工作量巨大,花了四五年时间。

  其间,研究团队也有一些动摇:培育一些少刺鱼是不是也可行呢?毕竟少刺也比多刺强。这样是不是也可以算作改良育种?但思忖再三,高泽霞觉得还要继续找下去。

  “只做一半算怎么回事儿?”她对《中国科学报》说,无论是对消费者还是对养殖业而言,“完全没有肌间刺,才有意义”。

  这几年里,高泽霞扛住了许多压力。比如,她的学生用无小刺鱼的研究方向开题时,有生态等领域的评审专家直接在开题报告答辩会上“劝退”。

  “越是有质疑的声音,我越有动力。”高泽霞说。

  2015年,徐旭东以全国政协委员、水生生物专家的身份,在科学网博客发表题为《中国应培育无小刺主养鱼》的博文,作为他建言相关部门设立“原始创新基金”和“原始创新计划”的生动案例。

  文章中,徐旭东提到“中国科学家应当拿出当年攻关杂交水稻制种技术的智慧和勇气培育无小刺主养鱼品种”,他觉得“在中国人的食谱中,动物性蛋白营养有1/3来自鱼类”,因此这个动议“并非小题大做”。

  高泽霞与徐旭东素未谋面,但得此文如遇知音,也坚定了她研究无小刺鱼的决心。

  我国鱼类遗传育种与发育生物学领域知名专家、中国科学院院士桂建芳对她带领团队做肌间刺工作也非常支持,并在研究思路、实验具体方案方面提供了很多指导。这让高泽霞很是感动。

  “无小刺鱼”的故事未完待续

  从60多个候选基因中,高泽霞团队先后发现了3个基因在不同程度上调控了鱼类肌间刺的发生发育。最终他们确定runx2b基因缺失会导致突变斑马鱼肌间刺完全缺失,且其个体生长、其他骨骼单元形成、肌肉脂肪酸和氨基酸含量等性状均未受到显著影响。

  “真的一根肌间刺都没有!当时我们都不敢相信这是真的。”高泽霞难以描述当时的心情。

  在模式鱼类上告捷,高泽霞马不停蹄地带队在武昌鱼身上看效果。这一步也非常关键。

  当敲除runx2b基因的武昌鱼鱼苗被培育出来、经过“长刺期”,观察到确实没有肌间刺之后,高泽霞内心的激动久久不能平复。

  故事到这里还没讲完。

  高泽霞告诉《中国科学报》,成果被报道后,许多人找她投资,声称要建厂、开公司。对此,高泽霞特别强调并声明:“无肌间刺武昌鱼的生产性推广,一定要经过严格的试验性养殖评估。对每一代无肌间刺武昌鱼的生长、肉质等指标也都需要进行细致评估,并且需国家层面有关基因编辑培育新品种的制度建立和颁布实施之后,才能考虑进行生产性推广。”

  “无小刺鱼相关的评估工作我们目前正在开展,另外,我们与国内多个团队合作开展了草鱼、银鲫、鲢等重要养殖鱼类的鱼刺形成主效调控基因敲除实验,也取得了一些进展。”高泽霞说。

  “我们今年共获得了300多条完全没有肌间刺的武昌鱼。”这个数字让她有点骄傲。这些鱼是团队取得突破性成果的证明,而这些鱼,也足够他们开展接下来的工作了。(记者 赵广立)

[ 责编:张佳兴 ]
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