“十三五”时期中国水产种业科技创新进展和展望

近40年来，中国渔业科技实现了快速发展，已初步建立了覆盖内陆水域和海洋的渔业产业技术体系，在良种选育、生态养殖等研究方向已达到世界先进水平。其中，水产种质创制能力不断提升，培育出266个水产新品种，建成80余个国家级水产原良种场，是世界上培育水产养殖新品种最多的国家，初步形成了全国水产良种体系，优质养殖品种的供给为产业发展提供了基础保障。

“十二五”时期，中国系统地开展了鱼、虾、蟹、贝、藻和参等主要水产养殖生物的遗传基础研究，建立了杂交、诱变、多倍体、复合性状人工选择育种和分子标记辅助育种等技术，建成了一批国际先进的科技创新和应用示范平台，培养了一批具有国际视野的创新团队，大幅提升了中国水产养殖的良种覆盖率，支撑了国家鱼、虾、蟹、贝、藻和参等养殖业的快速健康发展，持续保持着世界第一水产养殖大国的地位。

尽管中国水产育种研究方面取得了显著进展，但是水产养殖生物的遗传基础研究和种质创制能力依然薄弱，诸多重大科学问题和共性关键技术瓶颈亟待解决，如生长与品质等重要性状遗传基础与调控机制亟待深度解析，产业急需的抗逆和优良品质性状品种少，性状测评技术落后，分子育种技术还需改进，基因编辑和分子性控等关键前沿技术缺乏，良种规模化制种技术滞后等，严重制约了水产养殖产业绿色和健康可持续发展，水产种业亟待加快科技创新和产业升级。为此，“十三五”期间国家重点研发计划部署了“蓝色粮仓科技创新”(以下简称“蓝色粮仓”)重点专项，围绕水产种业发展需求，按照科技创新链要求，系统设置了主要水产养殖生物重要经济性状遗传基础解析和种质创制重大共性关键技术研发任务，经过4年的努力，重要水产养殖生物优良种质创新和良种培育能力取得了重大突破。

本文总结和梳理了“蓝色粮仓”重点专项育种领域总体实施情况和取得的代表性成果，以及存在的问题，以期为相关科研人员及管理部门提供科学参考。

1 重要养殖生物种质资源遗传基础深度解析和理论创新

1.1 水产养殖生物基因组精细图谱绘制

完整准确的基因组信息是开展性状精细解析和分子育种的重要基础，但目前多数水产养殖生物缺乏高质量参考基因组。通过“蓝色粮仓”重点专项的实施，绘制了30余种重要水产养殖生物基因组图谱[1-30](表1)，揭示了生长、品质、抗性、性别等重要性状的组学机制。“蓝色粮仓”重点专项突破了条斑紫菜(Pyropia yezoensis)基因组组装瓶颈，并阐明其适应极端环境、世代间碳利用差异的分子机理[1]；揭示了鲤科亚基因组间的基因表达趋异策略和调控机制[2]；构建了XX、XY和YY南方鲇(Silurus meridionalis)个体全基因组精细图谱[3]；完成了魁蚶(Scapharca broughtonii)[4]、卵形鲳鲹(Trachinotus ovatus)[5]、斑石鲷(Oplegnathus punctatus)[6]和三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)[7]等30余个水产养殖生物基因组精细图谱绘制，为水产生物性状解析和分子育种奠定了组学基础。

1.2 水产养殖生物生长和品质性状的遗传基础与调控机理

“蓝色粮仓”重点专项在重要水产动物生长及品质性状的分子调控机制和遗传网络解析研究方面取得了突破。在水产养殖动物生长方面，采用多组学及基因功能验证等手段，揭示了扇贝肌肉积累类胡萝卜素是隐性性状及单基因调控的机理，发现启动子变异导致类胡萝卜素裂解氧化酶基因BCO-like1表达下调是虾夷扇贝(Mizuhopecten yessoensis)新品种“海大金贝”富集类胡萝卜素的原因[30]；通过比较两种系统发育上较远的软体动物腹足类的笠贝(Lottia goshimai)和多板纲的石鳖(Acanthochitona rubrolineata)，发现Hox参与贝类壳和足的发育，明确了其表达量分别与背部的贝壳和腹部的足深度相关，通过阐释贝类Hox基因特异性表达模式，揭示了Hox调控贝类贝壳和足生长的发育机制[31]，这为贝类关键器官的生长发育机制提供了全新的认识；通过解析多重复Foxl2等位基因在六倍体银鲫(Carassius auratus gibelio)性别和育性调控中的功能[32]，阐明了性别调控关键基因的重复与多倍化在性别和育性发育中的作用机制。

在水产养殖动物品质性状方面，通过开展中间球海胆不同发育时期脂肪酸组成和含量特征研究，获得了不同发育时期海胆性腺多不饱和脂肪酸(PUFAs)代谢差异通路和差异基因，筛选并鉴定了与海胆PUFAs合成代谢相关的差异代谢产物和中间代谢物[33]；应用基因编辑技术、品质性状遗传参数估计和QTL定位方法，解析了肌肉生成抑制素(Myostatin)调控水产动物肌肉生长的关键作用[34-35]，揭示了淡水鱼肌间骨量调控的分子机制；开展了不同鱼类肌间刺数量[36]、遗传力评估[37]、QTL定位及候选基因筛选[38-39]研究，获得与肌间刺数量相关的候选基因，通过比较有刺和无刺鱼肌膈组织发育，明确了肌膈矿化特征；采用CRISPR-Cas9基因编辑技术，鉴别到调控肌间刺数目的基因，野生型斑马鱼成鱼个体肌间刺数目为92～106根，每侧为46～53根，突变体个体仅有12～20根，每侧仅有6～10根[40-41]。肌间刺数目调控关键基因的发现、功能研究及应用，使中国在淡水鱼肌间骨发育调控领域处于国际领先水平，相关成果为中国淡水鱼少刺品种的培育提供了关键基因和理论支持。

1.3 水产养殖生物抗病和抗逆性状的遗传基础与调控机制

“蓝色粮仓”重点专项聚焦重要水产养殖生物抗性性状的遗传基础与调控机制，在重大科学发现、核心关键技术和新品种创制等方面实现了重要突破。在海洋贝类中，探究了高温等环境诱导的DNA甲基化及其跨代遗传情况，发现环境诱导的41%的甲基化变异基因可遗传至后代，这些基因参与细胞凋亡与自噬、GTPase活性和基础代谢等生物过程，在介导热耐受跨代可塑性中发挥着重要作用，揭示了环境对性状形成过程中的重要作用机制[42-43]。在鱼类中，系统地开展了重要经济鱼类抗性性状决定的调控机制和抗病调控机制研究，应用基因组重测序、甲基化等技术，解析了罗非鱼抗无乳链球菌病遗传机制，首次发现免疫相关基因启动子的甲基化水平能抑制免疫基因mRNA表达[44-45]；筛选到黄姑鱼抗哈维氏弧菌候选关键基因SPHK1，鉴定了YdGal-3基因并验证其重组蛋白具有血液凝集和细菌凝集功能[46]；发现鮸miR-144可通过抑制IL1β-NFκB信号通路抑制先天性免疫应答，以及SOCS1b可抑制IFN介导的先天性免疫应答信号通路[47]；揭示了镜鲤选育种和普通种鲤抗CyHV-3病毒感染的异同及其分子机理[48-49]；发现生长在不同盐度环境下的鱼肠道微生物组成存在差异，淡水环境可能有更多环境来源的随机菌群，盐度胁迫下肠壁微生物的关联稳定性增加，这为进一步研究肠道微生物在鱼类盐度适应性中的作用奠定了基础[50]。在棘皮动物中，通过开展刺参、海胆良种生态适应性与风险评价研究[51]，解析了刺参重要经济性状——温度和盐度耐受性的分子机制[52-53]，并应用于抗逆刺参新品种选育。上述成果为重要水产养殖生物抗病与抗逆性状的遗传基础解析及抗病与抗逆新品种的培育奠定了理论基础。

1.4 水产养殖生物性别和发育的分子基础与调控机制

针对具有两性异型生产性状表型的鱼、蟹、贝等水产养殖动物，“蓝色粮仓”重点专项开展了种质培育、性别标记和性别发育相关关键候选基因鉴定、性腺发育和性别分化的分子机制等方面的研究。在性别标记方面，通过XY性逆转雌鱼与XY正常雄鱼杂交创制了YY超雄鱼，继而筛选获得南方鲇性别连锁分子标记[54]；并利用南方鲇性染色体特异分子标记的遗传性别鉴定方法建立了单性鱼生产方法[55]，为后续鲇分子育种及新品种选育等应用研究工作的开展提供了完整的数据支持，也为其功能研究提供了重要的序列信息、注释信息和表达信息基础；制备并筛选出具有XX性别遗传型F2代cyp17a1纯合子(cyp17a1-/-XX)的鲤伪雄鱼，采集其精子与野生型雌鱼(cyp17a1+/+XX)卵进行授精，可获得100%雌性鱼群体(cyp17a1+/-XX)，实现全雌群体构建的效果[56-57]。

在性别发育关键基因筛选方面，通过开展水产养殖动物Foxl2基因在性别和育性调控方面的功能研究，发现拟穴青蟹(Scylla paramamosain) Foxl2偏向在精巢中高表达，应用RNAi将Foxl2敲降，导致卵巢中卵黄蛋白原(VTG)的mRNA高表达，表明Foxl2在青蟹精巢中特异表达，具有抑制卵巢成熟的功能[58]；从形态、内分泌和分子等层面揭示了海湾扇贝(Argopecten irradians)Foxl1基因具有卵巢组织表达特异性，且依据其表达启动时序特征，推断其可能具有促进卵巢育性发育的功能，提示海湾扇贝的Foxl2具有促进雌性性别和育性发育作用[59]；采用基因编辑技术，发现六倍体银鲫具有3个歧化的Foxl2部分同源基因，它们又各自具有3个序列高度一致的等位基因，而foxl2a-A在进化过程中已经丢失，foxl2a-B、foxl2b-A和foxl2b-B发生了亚功能化，协同调控银鲫的滤泡发生和卵巢发育[32]；同时对多个物种Foxl表达的分析表明，其进化出的新功能可调控配子发生[60]。上述研究揭示了Foxl基因在水产动物性别与育性发育的进化过程，以及多倍体重复基因进化命运中的作用，具有重要的理论价值。

2 重要养殖生物种质创制共性关键技术提升

2.1 水产养殖生物经济性状高通量测定技术

“蓝色粮仓”重点专项针对目前水产育种研究中普遍存在的性状测评技术落后的问题开展了研究，在多种水产生物尤其是贝类高通量测评技术和装置研发方面取得了重要进展，实现了对这些重要性状的高通量快速、精准测评。根据中国主养贝类不同生物学特征，重点开展了耐温与耐缺氧[61]、体形态、营养品质[62-63]和珍珠光泽[64]等贝类性状的测评技术研发；利用图像识别与微型传感器，研发了基于图像识别的贝类表型分析系统[65]，可以同时测得壳长、壳宽、壳高、壳面积和体质量5项指标，每3 s可测定一个个体，测定效率较人工测定效率提高了20倍，同时可以实现数据和图片的自动保存与上传；研发了扇贝心率的快速测定方法，建立了基于心率的抗逆性状快速评价技术，使抗逆性状的测定速度由每15 min测定一个个体提高至每5 s测定一个个体，极大地提高了测定效率[66]；建立了血液生理指标的标准化测定，实现了扇贝血液生理指标的快速测定(每5 min测定一个个体)，可同时获得pO2、pCO2、pH、K+、Na+、Ca2+和Cl-共7项血液指标，为扇贝生理状态的准确评价提供了依据[66]；并研发出贝类拉力指标的快速测定装置[67]。系列贝类性状测定技术的研发，提升了贝类育种产业的技术水平，为贝类育种工作提供了全面可靠的大数据支持，也为贝类的精准育种提供了技术支撑。

2.2 基因编辑技术与生殖操作前沿技术

“蓝色粮仓”重点专项对水产养殖生物高通量转基因/基因编辑技术等水产基因编辑主导手段开展了相关研究。在基因编辑技术方面，已经成功实现了三角褐指藻中多个基因的敲除，包括对红光吸收的天线蛋白基因(lhcf15)、隐花色素基因(cry7200297)和光系统Ⅰ环式电子传递调控基因(pgrl1、pgrk5)等，为在分子水平上精准培育生长速度快、目标产物含量高的优良藻株奠定了基础[68-69]；优化了脊尾白虾(Exopalaemon carinicauda)等甲壳动物的显微注射技术，注射后的胚胎存活率提高了5倍，编辑效率最高可达69.4%，成功实现了脊尾白虾、米虾(Caridina typus)和中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)的功能基因编辑[70-71]，获得了基因编辑个体，并探索了以嗜对虾假型昆虫杆状病毒为递送工具，高效导入CRISPR/Cas9的基因编辑体系[72]，使得利用编辑技术定向改造虾、蟹目的基因成为可能，基因编辑技术的建立为虾、蟹的遗传选育提供了新的技术支撑；在鲍鱼、扇贝和牡蛎等种类中突破了显微注射技术[73]，通过电穿孔转染的方式进行基因导入方法及导入条件的探究，实现了转染后D形幼虫存活数量的提高及编辑工具导入牡蛎幼虫中后的成功表达，以电击法开展的扇贝受精卵基因编辑试验，已能够将受精卵培育到第5天后的D型幼虫，并在鲍鱼中构建了TALEN介导的基因编辑技术[74]。

在生殖操作前沿技术方面，建立了重要养殖鱼类生殖干细胞移植与“借腹怀胎”技术[75-76]，可通过对生殖干细胞定向操作开展精准育种，相关技术在缩短鱼类性成熟周期、性控育种和珍稀濒危鱼类保护等方面具有巨大的应用前景；在系统梳理鱼类干细胞育种技术和生殖干细胞移植技术的基础上，从鱼类生殖干细胞的保存、分离与纯化方法、不育受体的制备，以及生殖干细胞移植技术等诸多方面进行了探索和技术优化[77-79]，建立了鱼类生殖干细胞移植技术，延长了鲟供体生殖干细胞在受体性腺中的时间[80]，突破了海水养殖鱼类(鲆鲽类)科间移植并获得了功能配子[76]，相关技术成果处于国际先进水平；还研发了养殖鱼类生殖干细胞冻存、分离、纯化和移植技术，为养殖鱼类种质创制提供了新的手段，提高了获得养殖鱼类新种质的效率，促进了水产养殖种业的发展。

2.3 水产养殖生物性别控制和育性调控技术

“蓝色粮仓”重点专项在水产养殖生物性别和发育的分子基础与调控机制研究中取得了重要进展。利用制备并筛选出的XX性别遗传型F2代cyp17a1纯合子(cyp17a1-/-XX)的鲤伪雄鱼，采集其精子与野生型雌鱼(cyp17a1+/+XX)卵进行授精，可获得100%雌性鱼群体(cyp17a1+/-XX)，实现全雌群体构建的效果[56-57]，建立了鲤科鱼类性别控制和育性调控的育种技术[81]；通过挖掘罗非鱼、鳜和鳢等重要养殖鱼类性别决定关键基因和标记，研发了高效操作的性控育种新技术[82-83]，性逆转无需依赖激素活性物质诱导处理，实现了通过基因工程技术高效获得性别控制群体的方法突破，这是由模式鱼的机制性基础研究到单性养殖鱼群体构建的应用研究的范例；通过XY性逆转雌鱼与XY正常雄鱼杂交，成功创制了YY超雄鱼，构建了XX、XY和YY南方鲇个体全基因组精细图谱[3]，筛选获得了南方鲇性别连锁分子标记[54]，并利用南方鲇性染色体特异分子标记的遗传性别鉴定方法，建立了单性鱼的生产方法，筛选的性别连锁分子标记可用于分子标记辅助生产XX全雌和YY超雄群体[55]，这为南方鲇遗传育种和性别决定研究提供了坚实的基础，兼具基础研究和水产应用价值；采用激素诱导性别转换方法，结合鳜性别分子标记，建立了鳜性控育种新技术[84]，该技术成果处于国际领先水平。

2.4 水产养殖生物全基因组选择育种与共性技术

“蓝色粮仓”重点专项在虾、蟹、贝、藻等全基因组选择育种技术和共性技术方面取得了新突破。在基因组选择育种方面，通过设计基于扩繁群体的育种方法及家系内多级标准化选育方法，建立了高效率选择育种的新模式，实现了表型获取、基因分型和育种值预测的整套解决方案；通过研发低成本、高通量的对虾育种SNP芯片，建立了GWAS-GS、ssGBLUP和机器学习等全基因组预测方法，建立了虾、蟹全基因组育种技术，选择准确率较传统育种技术提升12.38%～96.76%，全基因组选育的成本降低50%以上[85]；开展了鲍鱼经济性状相关基因的挖掘及基因组选择育种，开发了鲍鱼40 k液相芯片、低覆盖度测序的基因型分析技术、基于图形用户界面(GUI)的GS软件——AquaGS，利用这些新技术进行了生长与耐热性状的基因组选育，获得了若干选育系[86-87]。

在共性技术育种方面，构建了抑制受精卵第二极体制备牡蛎四倍体的方法，通过倍性检测、修复等技术，开展了福建牡蛎、香港牡蛎和熊本牡蛎四倍体的创制工作[88-89]，已形成稳定的四倍体核心群体，并进一步通过4N×2N生物学杂交方法进行了全三倍体牡蛎的规模化生产，将三倍体种苗推广至中国福建、广东等省和广西壮族自治区，以及越南等国家，有效推进了中国华南地区牡蛎三倍体产业的发展。牡蛎三倍体研究成果总体处于国际先进水平。

3 重要养殖生物新品种培育与高效扩繁技术

通过“蓝色粮仓”重点专项的实施，主导水产种质创制能力显著提升，培育新品种30个(表2)，推广养殖面积超过11万hm2，良种覆盖率获得大幅提升。

在鱼类新品种培育方面，培育出全雄罗非鱼“粤闽1号”、全雌翘嘴鳜“鼎鳜1号”和罗非鱼抗无乳链球菌病新品种——罗非鱼“壮罗1号”等新品种。其中，全雄罗非鱼“粤闽1号”生长速度比吉富罗非鱼快23.77%，带皮出肉率平均高2.54%；“鼎鳜1号”生长速度较对照鳜快20%，养殖成活率较高；“壮罗1号”累计繁育种苗1.23亿尾，推广养殖面积超过3 333 hm2，带动了从业企业及养殖户增收致富，为解决罗非鱼无乳链球菌病害问题提供了种苗保障。

在贝类新品种培育方面，培育的新品种池蝶蚌“鄱珠1号”具有壳间距宽、外套膜厚、珍珠质分泌能力强和培育大规格珍珠的潜力优势，可用于培育优质大规格珍珠；三角帆蚌“浙白1号”新品种的成功培育为定向培育纯白色珍珠提供了基础，提高了珍珠质量，免除珍珠漂白加工工序，降低了珍珠相关产品生产成本，减少了环境污染，两个新品种为中国淡水珍珠产业升级提供了重要的良种支持；绿盘鲍新品种已示范和推广应用1.5亿粒以上，养殖应用打破了国内大规格精品鲍鱼长期依赖进口国外野生鲍鱼的局面，同时优化了中国鲍鱼养殖产品结构，通过创建基于新品种的鲍鱼种业-养殖-高端干鲍鱼加工-干鲍鱼存贮与销售的新产业链，有力推动了中国鲍鱼养殖产业的转型升级。

在藻类新品种培育方面，条斑紫菜分子定向设计育种技术取得了突破，创制国际上首例精准分子设计育种的经济藻株等新种质材料25份，在经济海藻分子设计育种方面处于国际领先水平；综合应用诱变、杂交和细胞工程等育种技术，选育出品质优、耐高温和生长快的坛紫菜“闽丰2号”新品种，示范应用超过6 667 hm2，其高产、优质和抗逆性状得到了养殖户的高度肯定，使得“南菜北养”的范围进一步扩大。

在虾、蟹、参类新品种培育方面，三疣梭子蟹抗逆新品种“黄选2号”、日本沼虾“太湖3号”和拟穴青蟹“东方1号”等新品种的培育，推进了主要养殖甲壳类的相关研究，研发了虾、蟹选育品种(系)的规模化繁育技术，推广良种34亿尾，推广养殖面积1.67万hm2，新品种目标性状性能在国内均处于领先水平，在国际上处于领跑或并跑位置；建立了刺参良种“育、繁、推”技术体系，年培育刺参新品种幼体逾500亿只，技术成果覆盖面广、普及率高，显著提高了中国刺参养殖良种覆盖率，支撑了刺参现代种业的高质量发展。

4 存在问题及展望

4.1 水产种业科技创新中存在的问题

目前，中国水产育种在主导养殖生物种质创制能力上获得了显著提升，在经济性状生物学机制上取得了新认知，种质创制和生殖操作关键技术取得了新突破，在重要养殖生物经济性状遗传解析、生殖干细胞培养诱导与移植、性别控制育种技术、经济性状高通量精准测评技术、基因组选育技术平台构建和新品种培育等领域取得了世界领先成果。然而，在新形势下，中国水产种业科技创新仍然面临一些问题。

1)种质资源收集、鉴定和发掘不足。对种质资源普查收集工作和资源保存设施建设的支持力度不够，地方特色种质资源开发、精准鉴定和发掘不足，种质资源利用率较低。

2)新品种数量不足，突破性新品种较少，性状保持技术亟待完善。目前，中国水产养殖生物种类超过600种，但新品种只有266个，大多数无新品种，草、鲢和鳙等100万t以上大宗水产品新品种较少，难以满足国家食物安全和人民对水产优质蛋白的需要，优势性状保持能力不足，亟待开展相关研究。

3)水产新品种覆盖率有较大提升空间。与发达国家主要养殖品种55%的水产良种覆盖率和25%的遗传改良率相比，中国大部分水产新品种仍有较大提升空间。

4)未来育种技术创新性有待继续提高。分子设计育种技术和智能育种技术缺乏，不能满足新品种培育需要。

5)商业化育种体系不完善。公益性科研教学单位仍是新品种培育主体，以企业为主体的产学研结合模式和商业化育种体系亟待完善。

6)与良种配套的大规模繁育推广技术标准和苗种生物安保体系缺失。

4.2 未来重点研究方向

根据中国海洋农业与淡水渔业发展的新形势和新趋势，针对中国水产种业发展面临的水产种业大而不强的主要问题和重大科技需求，聚焦精准育种，提高科技创新能力，加强原始基础理论和重大共性技术创新，实现现代渔业的良种化、精准化和智能化，助力“碳中和”“碳达峰”，推动产业升级，巩固脱贫攻坚，促进乡村振兴，需要继续加强以下方面的工作。

1)加强水产养殖生物种质资源收集、评价与保存。支持地方种质资源保护平台和设施建设，深度挖掘种质资源，提高种质资源利用率。

2)加快突破性新品种研发进程，加强优势性状保持能力。针对大宗水产种类和未有新品种的养殖种类，突破基因编辑和分子设计等前沿育种技术，结合传统育种技术，加快育种进程。

3)强化企业技术创新主体地位，推进种业科企合作。重点扶持优势企业发展和健全商业化育种体系，建立良种科技研发与商业化种业协同发展机制。

4)加强育种原创性理论与技术研究。深化重要经济性状形成机制、群体协同进化规律、基因组结构和功能多样性等研究，为优良品种培育提供理论基础，融合基因编辑、全基因组选择、合成生物和人工智能等前沿技术，推进水产育种向高效化、精准化和智能化发展。

5)推进水产种业体系与水产优质种苗规模化繁育基地建设，完善新品种“育、繁、推”一体化技术体系，加强水产优质种苗推广，推进苗种安保体系建设。

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