文 | 劉建偉 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院

科技創(chuàng)新促鯉躍龍門——記中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所孫效文及其團(tuán)隊(duì)

文 | 劉建偉 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院

十二五“鯉優(yōu)良品種選育技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化”成果，以挖掘主要經(jīng)濟(jì)性狀的基因和標(biāo)記為突破口，采用多性狀符合選育與分子育種相結(jié)合的技術(shù)，歷時(shí)26年，收集創(chuàng)制優(yōu)異種質(zhì)，建立分子育種技術(shù)，組裝基因組約16.9億堿基，注釋了52610個(gè)功能基因，完成了鯉魚全基因組序列圖譜繪制，成為國(guó)際上首個(gè)完成全面解析的異源四倍體硬骨魚類基因組圖譜。培育出適于不同生境的生長(zhǎng)快、品質(zhì)優(yōu)、抗逆強(qiáng)的4個(gè)優(yōu)良新品種，解決了國(guó)內(nèi)鯉的優(yōu)良品種少、種質(zhì)混雜、品種退化嚴(yán)重、養(yǎng)殖產(chǎn)量低、越冬死亡率高的問(wèn)題。成果獲得2015年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)，為促進(jìn)鯉育種技術(shù)的更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。

近年來(lái)，隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖魚類分子標(biāo)記及基因組層面的研究越來(lái)越多，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的研究論文及科技成果。優(yōu)異成績(jī)的取得離不開水產(chǎn)科技工作者的刻苦攻關(guān)，孫效文正是其中杰出的代表。畢業(yè)于化學(xué)系的他，以極大的興趣及勇氣投身于魚類生物工程育種這一全新領(lǐng)域。彼時(shí)，生物技術(shù)在我國(guó)水產(chǎn)動(dòng)物的研究尚處于起步階段，他從研制轉(zhuǎn)基因鯉到開發(fā)分子標(biāo)記，從構(gòu)建我國(guó)第一張養(yǎng)殖魚類鯉的遺傳圖譜到創(chuàng)新分子育種技術(shù)，從測(cè)定鯉全基因組到解析與改良鯉品質(zhì)性狀，每一項(xiàng)研究都取得了驕人的成績(jī)，使我國(guó)在鯉這一世界性養(yǎng)殖種的研究中始終走在世界的前列。

勇挑重?fù)?dān)，系統(tǒng)開發(fā)微衛(wèi)星標(biāo)記

分子標(biāo)記是開展眾多遺傳學(xué)研究的有效工具，孫效文意識(shí)到分子標(biāo)記的重要性，于1994年投身于分子標(biāo)記技術(shù)的研究中。1997-2002年5年間先后3次赴美國(guó)華盛頓大學(xué)、新罕布什爾大學(xué)、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院斑馬魚基因組中心等國(guó)際一流團(tuán)隊(duì)做訪問(wèn)學(xué)者，從事斑馬魚基因組研究中有關(guān)遺傳連鎖圖和經(jīng)濟(jì)性狀定位等研究。微衛(wèi)星標(biāo)記作為共顯性遺傳標(biāo)記，在群體遺傳學(xué)及遺傳育種中都具有非常大的應(yīng)用潛力，但是我國(guó)主養(yǎng)魚類如草魚、鰱、鳙、鯉、鯽等缺乏共顯性遺傳標(biāo)記，限制了種質(zhì)遺傳評(píng)估等研究的開展，而我國(guó)主養(yǎng)魚類與西方國(guó)家不同的現(xiàn)狀，也使我們無(wú)法直接應(yīng)用已有的標(biāo)記資源。然而，由于微衛(wèi)星標(biāo)記開發(fā)成本較高，在當(dāng)時(shí)科研經(jīng)費(fèi)較少的大環(huán)境下，少有實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)地研究與開發(fā)。

孫效文意識(shí)到雖然微衛(wèi)星分子標(biāo)記開發(fā)投入較高，但是一旦開發(fā)就可以大幅度推動(dòng)魚類的遺傳研究和育種應(yīng)用，立志要為我國(guó)每種主養(yǎng)魚類開發(fā)30個(gè)以上的多態(tài)微衛(wèi)星標(biāo)記。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近3年的艱苦攻關(guān)，通過(guò)多方查閱資料，反復(fù)試驗(yàn)及摸索，終于建立和完善了兩種微衛(wèi)星制備標(biāo)準(zhǔn)方案——小片段克隆和磁珠富集克隆，在片段分離方法、感受態(tài)細(xì)胞制備等方面進(jìn)行了創(chuàng)新。其中將磁珠富集微衛(wèi)星標(biāo)記后，用同位素標(biāo)記的探針進(jìn)行二次篩選，主要是為了避免假陽(yáng)性，減少測(cè)序成本以節(jié)省經(jīng)費(fèi)。但眾所周知，同位素的放射性對(duì)身體損害很大，孫效文力排眾議，在實(shí)驗(yàn)室中建立了一套同位素操作規(guī)范，并隔離出獨(dú)立的空間用于此項(xiàng)操作。每一次標(biāo)記探針都親自動(dòng)手，以免學(xué)生操作不當(dāng)造成無(wú)可挽回的傷害，他常說(shuō)你們都怕我不怕，反正我這么大年紀(jì)了多照幾次也沒(méi)事。正是這種執(zhí)著與堅(jiān)持，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)分離了35個(gè)物種的微衛(wèi)星標(biāo)記，每種多態(tài)標(biāo)記量均達(dá)到30個(gè)以上，滿足了物種種質(zhì)的遺傳鑒定，其中草、鰱、鳙等21個(gè)物種均為世界首次獲得微衛(wèi)星標(biāo)記，上傳GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)后，推動(dòng)了這些物種的研究進(jìn)程，填補(bǔ)了我國(guó)水產(chǎn)動(dòng)物尤其是特有魚類的標(biāo)記量缺少的空白。

遺傳連鎖圖譜是遺傳學(xué)研究的重要工具。孫效文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在極端困難的條件下，于2000年構(gòu)建發(fā)表了鯉第一代連鎖圖譜，這也是我國(guó)第一個(gè)養(yǎng)殖魚類鯉的連鎖圖譜，截止到2016年5月該論文在中國(guó)期刊網(wǎng)被引用了269次，推動(dòng)了我國(guó)水產(chǎn)動(dòng)物遺傳學(xué)研究的技術(shù)進(jìn)步。孫效文不滿足于現(xiàn)狀，高瞻遠(yuǎn)矚，牢牢把握世界生物技術(shù)的發(fā)展方向，接連發(fā)表了鯉的以微衛(wèi)星標(biāo)記和SNP標(biāo)記為主的第二代、第三代高密度遺傳連鎖圖譜，新的高密度連鎖圖譜有4877個(gè)標(biāo)記，分辨率平均0.9里摩，定位了12個(gè)家系的QTL結(jié)果，獲得了大批與性狀相關(guān)的主效基因和標(biāo)記，包括了用常規(guī)方法難以研究的食物轉(zhuǎn)化率、肌纖維、消化酶、脂肪酸含量、肌間刺等品質(zhì)性狀，多項(xiàng)研究達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

刻苦攻關(guān)，創(chuàng)新鯉分子育種技術(shù)

利用分子標(biāo)記指導(dǎo)育種研究，從基因組水平對(duì)良種進(jìn)行選育和改良，一直是育種學(xué)家的夢(mèng)想。在歐美國(guó)家，標(biāo)記指導(dǎo)育種早已取得了巨大的成功，但是在我國(guó)，受限于標(biāo)記量不足和資金短缺，此方面的研究一直停滯不前。孫效文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)勇挑重?fù)?dān)，在“十一五”初期就根據(jù)我國(guó)鯉科魚類苗種低值化的現(xiàn)狀，針對(duì)品種近交衰退的產(chǎn)業(yè)問(wèn)題，提出了利用分子標(biāo)記計(jì)算的親本間遺傳距離控制近交的魚類分子育種的技術(shù)方案。當(dāng)時(shí)多數(shù)業(yè)內(nèi)專家對(duì)分子育種技術(shù)在魚類的應(yīng)用持懷疑態(tài)度，孫效文不解釋不爭(zhēng)辯，而是帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)連續(xù)5年的刻苦攻關(guān)，通過(guò)累計(jì)99個(gè)家系的反復(fù)試驗(yàn)，揭示了鯉雌雄親本配組時(shí)具有“閾值”現(xiàn)象，據(jù)此建立了基于雌雄親本遺傳距離的分子育種技術(shù)，獨(dú)創(chuàng)標(biāo)記輔助群體選育、標(biāo)記輔助進(jìn)行群體遺傳結(jié)構(gòu)優(yōu)化等適用于水產(chǎn)動(dòng)物的選育方法，開發(fā)了配套的選種軟件，實(shí)現(xiàn)了鯉的育種技術(shù)由“表型”選擇到“表型+基因型”選擇的技術(shù)更新。技術(shù)的應(yīng)用取得了巨大的成功，每年為生產(chǎn)單位生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)苗種上千萬(wàn)尾，增加經(jīng)濟(jì)效益達(dá)百萬(wàn)以上，大大推動(dòng)了行業(yè)的進(jìn)步和變革，對(duì)其他種類例如對(duì)蝦、大菱鲆等遺傳種質(zhì)的改良也起到了示范作用。

孫效文深知?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)只有推廣開來(lái)才能推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，通過(guò)調(diào)研、論證，作為首席專家，組織國(guó)內(nèi)主要育種單位連續(xù)承擔(dān)了農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)——水產(chǎn)分子育種共性技術(shù)的建立與應(yīng)用，948引進(jìn)計(jì)劃“水產(chǎn)主導(dǎo)品種分子育種技術(shù)引進(jìn)”等項(xiàng)目，帶動(dòng)了一大批科技工作者加入到水產(chǎn)分子育種的隊(duì)伍，物種涉及草魚、鰱、鳙、鯉、鯽等主要養(yǎng)殖魚類。組織編著了我國(guó)第一本分子育種專著《魚類分子育種學(xué)》，并連續(xù)3年開辦分子育種技術(shù)與基因組學(xué)技術(shù)培訓(xùn)班，免費(fèi)培訓(xùn)科技人員200余人，并以簽訂協(xié)議的方式允許國(guó)內(nèi)15家研究單位免費(fèi)使用選種軟件，推動(dòng)了分子育種技術(shù)在產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。

建立了高密度遺傳連鎖圖譜、獲得了大批與性狀相關(guān)的主效基因和標(biāo)記、建立了基因組資源豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)站，獲得了鏡鯉耐低氧、抗寒性強(qiáng)等的基因組溯源的證據(jù)，推進(jìn)鯉育種研究進(jìn)入了基因組時(shí)代。

建立了覆蓋全國(guó)的推廣體系，以3個(gè)育種單位的實(shí)驗(yàn)基地為選育中心，依托大宗淡水魚產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，通過(guò)合作協(xié)議方式在每個(gè)省各建1個(gè)繁育基地和4～5個(gè)縣級(jí)示范片，平均每個(gè)縣建立4～5個(gè)養(yǎng)殖示范片，已建成28個(gè)繁育基地、169個(gè)示范片。4個(gè)新品種覆蓋了全國(guó)鯉養(yǎng)殖產(chǎn)量的80%，促進(jìn)了鯉的良種覆蓋率達(dá)到100%。

迎接挑戰(zhàn)，啟動(dòng)鯉魚基因組計(jì)劃

對(duì)具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的物種進(jìn)行全基因組測(cè)序，發(fā)掘基因組內(nèi)蘊(yùn)含的海量遺傳信息，破解決定產(chǎn)品品質(zhì)、產(chǎn)量、生長(zhǎng)速度、抗病害能力等生產(chǎn)性狀的基因奧秘，一直是農(nóng)業(yè)科研工作者夢(mèng)寐以求的理想。但是，技術(shù)水平、資金投入，以及目標(biāo)物種的研究基礎(chǔ)都制約著全基因組測(cè)序工作的開展。面對(duì)必然到來(lái)的基因組時(shí)代，孫效文沒(méi)有等待和觀望，而是積極地迎接挑戰(zhàn)，選取研究基礎(chǔ)較好、育成品種最多的水產(chǎn)養(yǎng)殖種鯉作為研究對(duì)象，經(jīng)多方聯(lián)絡(luò)奔走，通過(guò)對(duì)工作框架設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)材料選取、技術(shù)路線選擇、工作部署和計(jì)劃進(jìn)度安排等內(nèi)容的設(shè)計(jì)與深入論證，于2009年12月啟動(dòng)了“鯉魚基因組計(jì)劃”。如今六年過(guò)去了，項(xiàng)目組完成了鯉全基因組序列精細(xì)圖譜繪制，組裝基因組約16.9億堿基，注釋了52610個(gè)功能基因，是國(guó)際上首個(gè)完成全面解析的異源四倍體硬骨魚類基因組圖譜，研究結(jié)果發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)刊物《Nature Genetics》上。作為第一個(gè)基因組測(cè)序的鯉科養(yǎng)殖魚類，也對(duì)草魚、鯽等其他鯉科經(jīng)濟(jì)魚類的基因組研究起到重要的帶動(dòng)作用，對(duì)深入探索和解析鯉科魚類及硬骨魚類的基因組進(jìn)化和加倍機(jī)制提供重要依據(jù)。

孫效文力促鯉魚基因組測(cè)序結(jié)果共享應(yīng)用和服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建立了鯉基因組資源豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)站，包括因組精細(xì)圖譜、遺傳變異圖譜（含1800余萬(wàn)基因組SNP和77.8萬(wàn)個(gè)cSNP）、52610個(gè)基因、9.2萬(wàn)個(gè)微衛(wèi)星、鯉基因組物理圖譜等，迄今已經(jīng)有來(lái)自82個(gè)國(guó)家和地區(qū)的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)檢索，僅鯉網(wǎng)站在2015年有6000多人次瀏覽和下載，有力地保證了基因組數(shù)據(jù)在國(guó)內(nèi)外同行中的開放共享，極大方便了鯉科魚類基礎(chǔ)研究和分子育種工作。除此之外，組織承擔(dān)了863項(xiàng)目“鯉魚和草魚等重要養(yǎng)殖魚類功能基因組研究與應(yīng)用”，從基因組層面開展性狀遺傳解析及應(yīng)用于育種，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)鯉飼料轉(zhuǎn)化率、肌間刺、脂肪含量、抗皰疹病等性狀進(jìn)行了研究，推進(jìn)了鯉育種研究進(jìn)入了基因組時(shí)代。

十年彈指一揮間，孫效文帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國(guó)家級(jí)課題5項(xiàng)，省部級(jí)課題6項(xiàng)；獲得了省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)；團(tuán)隊(duì)獲得農(nóng)業(yè)部神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2009年），多次被評(píng)為中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院“先進(jìn)集體”等稱號(hào)，孫效文個(gè)人更是年年被評(píng)為優(yōu)秀工作者、先進(jìn)個(gè)人等；培養(yǎng)研究生50余人，畢業(yè)生遍布全國(guó)水產(chǎn)領(lǐng)域的研究所及高校，推進(jìn)了分子育種技術(shù)與基因組技術(shù)的普及及應(yīng)用。2015年度，孫效文主持的“鯉優(yōu)良品種選育技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化”獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，更是對(duì)其個(gè)人及其團(tuán)隊(duì)的最高褒獎(jiǎng)?？蒲杏罒o(wú)止境，在基因組時(shí)代的大背景下，孫效文正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)奔走在減少肌間刺、提高飼料轉(zhuǎn)化率和肉質(zhì)等新種質(zhì)創(chuàng)制的路上，為產(chǎn)業(yè)的提質(zhì)增效、為造福全國(guó)的養(yǎng)殖戶和消費(fèi)者作出貢獻(xiàn)。

孫效文主持的 “鯉優(yōu)良品種選育技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目獲得2015年度國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)