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有性生殖是真核生物的主要繁殖方式。在有性生殖過程中，減數(shù)分裂同源重組與雌雄配子融合使子代產(chǎn)生遺傳多樣性。這些多樣性是農(nóng)業(yè)選擇育種的基礎(chǔ)。但是，有性生殖獲得的優(yōu)良性狀特別是雜種優(yōu)勢(shì)易在后續(xù)世代中發(fā)生分離。因此，利用單性克隆生殖方式快速固定優(yōu)勢(shì)基因型，避免后代性狀分離，永久維持雜種優(yōu)勢(shì)性狀，被譽(yù)為農(nóng)業(yè)育種的“圣杯”。更重要的是，單性生殖與多倍化育種技術(shù)的結(jié)合已在作物育種中展現(xiàn)出潛力。然而，這一策略在動(dòng)物中的應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。

7月11日，中國(guó)科學(xué)院院士、水生生物研究所研究員桂建芳團(tuán)隊(duì)，在動(dòng)物育種中利用單性-有性生殖轉(zhuǎn)換，構(gòu)建具有優(yōu)良性狀的基因組重構(gòu)多倍體，為異育銀鯽“中科6號(hào)”的培育提供了技術(shù)支撐。

前期，該團(tuán)隊(duì)以異育銀鯽“中科3號(hào)”為底盤品種，利用雌核生殖銀鯽具有整合父本基因組形成更高倍性多倍體的生殖潛能，將一套父本雙二倍體紅鯽的基因組整入雙三倍體銀鯽，創(chuàng)制出少數(shù)恢復(fù)有性生殖能力的雙四倍體雄魚，揭示了倍性變化驅(qū)動(dòng)鯽生殖方式轉(zhuǎn)換和克隆多樣性形成的遺傳機(jī)制?；诖耍搱F(tuán)隊(duì)以具有天然抗鯽皰疹病毒能力的雙二倍體白鯽為母本，與雙四倍體雄魚進(jìn)行繁殖，創(chuàng)制出一個(gè)新多倍體群體。全單倍型基因組的組裝與分析發(fā)現(xiàn)，新多倍體從母本白鯽遺傳了一套完整染色體組，從父本雙四倍體遺傳了兩套染色體組。在父本來源的兩套染色體組中，部分銀鯽和紅鯽的同源染色體間發(fā)生了一次或兩次重組事件。這表明，新多倍體為基因組重構(gòu)的雙三倍體。

該研究從基因組重構(gòu)的雙三倍體群體中，挑選出3尾體型優(yōu)良且個(gè)體最大的雌性分別作為母本，利用雌魚恢復(fù)的雌核生殖能力，以興國(guó)紅鯉作為父本，創(chuàng)制出3個(gè)雌核生殖克隆系，分別命名為克隆系-1、克隆系-2和克隆系-3。皰疹病毒人工感染實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3個(gè)克隆系的抗病毒能力存在差異，其中克隆系-1的所有個(gè)體全部存活，克隆系-2中約38.9%的個(gè)體存活，克隆系-3和異育銀鯽“中科3號(hào)”的所有個(gè)體在病毒感染12天內(nèi)全部死亡，而白鯽群體中約58.0%的個(gè)體存活。同時(shí)，研究通過全轉(zhuǎn)錄組與生理生化分析，揭示血紅蛋白合成和血氧穩(wěn)態(tài)維持能力與克隆系的皰疹病毒抗性呈正相關(guān)。進(jìn)一步，研究通過對(duì)雙三倍體群體中的極端抗病和極端易感個(gè)體進(jìn)行群體遺傳分析。研究將皰疹病毒抗性性狀關(guān)聯(lián)到白鯽染色體12B上一段約11.0 Mb的基因組熱點(diǎn)區(qū)間，表明雙二倍體白鯽的染色體12B具有一個(gè)抗性單倍型和一個(gè)易感單倍型。當(dāng)白鯽的抗性單倍型轉(zhuǎn)移到雙三倍體雌魚中，它就能通過雌核生殖固定該單倍型，從而形成抗性克隆系。

研究發(fā)現(xiàn)，通過倍性變化和生殖方式轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的多基因組重構(gòu)，銀鯽的天然單性雌核生殖能力和白鯽的天然抗皰疹病毒能力能夠同時(shí)引入基因組重構(gòu)的雙三倍體。其中，雌核生殖能力的形成是通過卵子發(fā)生過程中“無減數(shù)分裂途徑”實(shí)現(xiàn)，而抗病毒能力的形成與感染過程中血紅蛋白合成及氧穩(wěn)態(tài)維持高度相關(guān)，雙三倍體個(gè)體之間的抗病毒能力差異是兩種不同白鯽單倍型所致。生長(zhǎng)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示，克隆系-2的生長(zhǎng)速度優(yōu)于底盤品種異育銀鯽“中科3號(hào)”，克隆系-1和克隆系-3的生長(zhǎng)速度均慢于異育銀鯽“中科3號(hào)”。因此，兼具抗皰疹病毒能力和生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的克隆系-2已被選育為異育銀鯽 “中科6號(hào)”的候選新品種。

上述研究證明利用單性-有性生殖轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)動(dòng)物多倍體基因組的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種，為培育高抗高產(chǎn)的銀鯽新品種奠定了理論基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程等的支持。

論文鏈接

操控倍性變化與生殖方式轉(zhuǎn)換創(chuàng)制基因組重構(gòu)的高抗高產(chǎn)新多倍體