球盟会(中国)

有性生殖是真核生物的主要繁殖方式。在有性生殖过程中，减数分裂同源重组与雌雄配子融合使子代产生遗传多样性，这些多样性是农业选择育种的基础。然而顺利获得有性生殖取得的优良性状，特别是杂种优势，容易在后续世代中发生分离。因此利用单性克隆生殖方式快速固定优势基因型，避免后代性状分离，永久维持杂种优势性状，被一些专家誉为农业育种的“圣杯”。更为重要的是，单性生殖与多倍化育种技术的结合最近已在作物育种中展现出革命性潜力，然而该策略在动物中的应用仍然面临挑战。

7月11日，中国科研实验室水生生物研究所桂建芳院士团队在Advanced Science上发表了题为“Manipulating Unisexual–Sexual Reproduction Transition to Engineer Genome-Reconstructed Polyploids”的研究论文，首次在动物育种中顺利获得利用单性-有性生殖转换，成功构建具有优良性状的基因组重构多倍体，为异育银鲫“中科6号”的培育给予核心技术支撑。

研究团队在前期研究中以异育银鲫“中科3号”（Carassius gibelio；AAABBB）作为底盘品种，利用雌核生殖银鲫具有整合父本基因组形成更高倍性多倍体的生殖潜能，将一套父本双二倍体红鲫（C. auratus；AABB）的基因组整入双三倍体银鲫，创制出少数恢复有性生殖能力的双四倍体雄鱼（Lu et al., Science China-Life Sciences,2021），从而揭示了倍性变化驱动鲫生殖方式转换和克隆多样性形成的遗传机制 （Lu et al.,Molecular Biology and Evolution,2022）。本研究在此基础上，以具有天然抗鲫疱疹病毒（CaHV）能力的双二倍体白鲫（C. cuvieri；AABB）作为母本，与双四倍体雄鱼进行繁殖，创制出一个新多倍体群体。顺利获得全单倍型基因组的组装与分析，揭示新多倍体从母本白鲫遗传了一套完整染色体组（AB），从父本双四倍体遗传了两套染色体组（AABB）。在父本来源的两套染色体组中，部分银鲫和红鲫的同源染色体间发生了一次或两次重组事件。这些结果表明新多倍体为基因组重构的双三倍体（Genome-reconstructed amphitriploid；AAABBB）。

研究团队从基因组重构的双三倍体群体中，挑选出3尾体型优良且个体最大的雌性分别作为母本，利用雌鱼恢复的雌核生殖能力，以兴国红鲤作为父本，创制出3个雌核生殖克隆系，分别命名为克隆系-1、克隆系-2和克隆系-3。顺利获得疱疹病毒人工感染实验，发现3个克隆系的抗病毒能力存在显著差异，其中克隆系-1的所有个体全部存活，克隆系-2中约38.9%的个体存活，克隆系-3和异育银鲫“中科3号”的所有个体在病毒感染12天内全部死亡，而白鲫群体中约58.0%的个体存活。本研究还顺利获得全转录组与生理生化分析，揭示血红蛋白合成和血氧稳态维持能力与克隆系的疱疹病毒抗性呈正相关。更为重要的是，顺利获得对双三倍体群体中的极端抗病和极端易感个体进行群体遗传分析。研究团队将疱疹病毒抗性性状关联到白鲫染色体12B上一段约11.0 Mb的基因组热点区间，表明双二倍体白鲫的染色体12B具有一个抗性单倍型（12B1）和一个易感单倍型（12B2）。当白鲫的抗性单倍型（12B1）转移到双三倍体雌鱼中，它就能顺利获得雌核生殖固定该单倍型，从而形成抗性克隆系。

本研究表明，顺利获得倍性变化和生殖方式转换驱动的多基因组重构，银鲫的天然单性雌核生殖能力和白鲫的天然抗疱疹病毒能力能够同时引入基因组重构的双三倍体（图1）。其中雌核生殖能力的形成是顺利获得卵子发生过程中“无减数分裂途径”实现，而抗病毒能力的形成与感染过程中血红蛋白合成及氧稳态维持高度相关，双三倍体个体之间的抗病毒能力差异由两种不同白鲫单倍型导致。更为重要的是，鲫作为年产量接近300万吨的重要水产养殖鱼类，正在遭受由疱疹病毒导致的严重产业威胁，累计经济损失已达数十亿元，培育高抗高产鲫新品种是国家水产种业的重大需求。生长对比试验结果表明，克隆系-2的生长速度显著优于底盘品种异育银鲫“中科3号”，而克隆系-1和克隆系-3的生长速度均显著慢于异育银鲫“中科3号”。因此，兼具抗疱疹病毒能力和生长优势的克隆系-2已被选育为异育银鲫 “中科6号”的候选新品种。本研究不仅首次证明利用单性-有性生殖转换可实现动物多倍体基因组的精准设计育种，同时也为培育高抗高产的突破性银鲫新品种奠定重要理论基础。

图1：操控倍性变化与生殖方式转换创制基因组重构的高抗高产新多倍体

鲁蒙副研究员，博士生张勤灿、朱子彧为该研究的共同第一作者，桂建芳院士、周莉研究员和鲁蒙副研究员为共同通讯作者。研究得到国家重点研发计划项目(2023YFD2400201)、国家自然科学基金重点项目（31930111）与面上项目（32473149）、中国科研实验室战略性先导科技专项（XDA024030104）、中国科协青年人才托举工程（2023QNRC001）等项目的支持。

论文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202506024