隨著全球人口的不斷增長和魚類資源的日益減少，水產養(yǎng)殖業(yè)已成為全球最重要的食品來源之一。水產育種技術作為水產養(yǎng)殖業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，一直受到廣泛關注。近年來，隨著合成生物學技術的發(fā)展，基于基因編輯和基因合成技術的新型育種方法也逐漸成為水產育種領域的研究熱點。

【資料圖】

合成生物學是一門新興的交叉學科，它將生物學、物理學、化學等多個學科的知識融合在一起，旨在構建新型的生物系統(tǒng)或制造生物產物。在水產育種領域，合成生物學技術可以被應用于優(yōu)化品種特性和提升產量。

合成生物學可以在改造和優(yōu)化天然表達體系的同時，將動物源和植物源的代謝路徑構建到微生物體系中，重新合成全新的人工生物體系，最終實現(xiàn)目標代謝物的異源表達，將原料以較高的速率最大限度地轉化為產物。

合成生物學在工程化策略指導下有目的地設計合成標準化生物元件，具有不同功能的生物元件按照一定邏輯構建基因線路，不同基因線路組裝集成系統(tǒng)，獲得具有特定功能的人工生命系統(tǒng)。

顛覆性使能技術是支撐合成生物學發(fā)展的關鍵，基因合成、基因編輯、蛋白質設計、細胞設計、高通量篩選等技術的發(fā)展對合成生物學的發(fā)展有著重要的支撐和推動作用，基因測序、DNA合成以及基因組編輯技術都是其核心使能技術。下面我們來介紹幾個合成生物學在水產育種中的應用案例。

圖片摘自 Hallerman et al. 2021. [1]

首先，合成生物學技術可以用于基因編輯?；蚓庉嫾夹g可以針對目標基因進行精確的剪切和修飾，從而實現(xiàn)對魚類品種特性的改良。例如，實驗使用了CRISPR/Cas9編輯器，并實現(xiàn)了遠高于經典轉基因方法的靶向基因組插入率，且場外整合頻率較低。養(yǎng)殖魚類的基因組編輯實驗集中在提高生長率和抗病性、實現(xiàn)生殖限制和其他有價值的性狀[1]。

圖片摘自 Hallerman et al. 2021. [1]

其次，合成生物學技術還可以用于基因合成[2]。為了遺傳改良的目的，研究人員可以選擇理想的遺傳特征，整合一系列特征，或者改變一個物種的先天遺傳特征，從而實現(xiàn)對魚類基因組的重構和優(yōu)化。在魚類中，傳統(tǒng)的選擇育種是遺傳育種的經典方法。主要目的是在個體或群體中篩選和選擇所需的遺傳特征。傳統(tǒng)選擇育種的常用方法包括群體選擇育種、系譜選擇育種、親本選擇育種和綜合選擇育種。

例如，科學家已經開始了翹嘴紅鲌的全基因組測序工作。翹嘴紅鲌基因組序列的獲得，有助于解釋這種新型雜交團頭魴雜種優(yōu)勢的分子機理及其它性狀[3]?？茖W家還使用混合雜交方法獲得了Gift羅非魚，與親代品種相比，Gift羅非魚在生長和大小上都具有優(yōu)勢[4]?？傊蚪M信息允許更快速和完整地了解經濟上重要的性能性狀，并為水產養(yǎng)殖新品種的開發(fā)提供基礎。

圖片摘自 Zhou et al. 2004. [4]

最后，合成生物學技術還可以用于構建新型的生物傳感器。生物傳感器可以對環(huán)境中的生物和非生物物質進行檢測，從而實現(xiàn)對水產養(yǎng)殖環(huán)境的實時監(jiān)測和控制。通過合成生物學提供的最先進的工具，可構建基于細胞的生物傳感器，具有可定制的性能，以滿足現(xiàn)實世界在靈敏度和動態(tài)范圍方面的要求[5]。

隨著技術的不斷發(fā)展，這些新型育種方法將為水產養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的支持。同時，我們也需要注意在應用這些新技術時保障生物安全和環(huán)境保護，以確保水產養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

1. Hallerman, E. Genome editing in cultured fishes. CABI Agric Biosci 2, 46 (2021).

2. Beattie KL, Logsdon NJ, Anderson RS, Espinosa-Lara JM, Maldonado-Rodriguez R, Frost JD 3rd. Gene synthesis technology: recent developments and future prospects. Biotechnol Appl Biochem. 1988 Dec;10(6):510-21. PMID: 3069115.

3. Xu K, Duan W, Xiao J, Tao M, Zhang C, Liu Y, Liu S. Development and application of biological technologies in fish genetic breeding. Sci China Life Sci. 2015 Feb;58(2):187-201. doi: 10.1007/s11427-015-4798-3. Epub 2015 Jan 16. PMID: 25595050.

4. Zhou J, Wu Q, Wang Z, Ye Y. Genetic variation analysis within and among six varieties of common carp (Cyprinus carpio L.) in China using microsatellite markers. Genetika. 2004 Oct;40(10):1389-93. PMID: 15575506.

5. Hicks M, Bachmann TT, Wang B. Synthetic Biology Enables Programmable Cell-Based Biosensors. Chemphyschem. 2020 Jan 16;21(2):132-144. doi: 10.1002/cphc.201900739. Epub 2019 Oct 25. PMID: 31585026; PMCID: PMC7004036.

作者：王蕊（大連海洋大學水產設施養(yǎng)殖與裝備工程研究中心研究生）

科學性審核：劉鷹（浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院博士生導師）、傅松哲（大連海洋大學水產設施養(yǎng)殖與裝備工程研究副教授、研究生導師）

策劃：劉雅丹 武玥彤

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