【智惠農(nóng)民】合成生物學(xué)：水產(chǎn)育種發(fā)展的“助推器”

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

【資料圖】

合成生物學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，它將生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)融合在一起，旨在構(gòu)建新型的生物系統(tǒng)或制造生物產(chǎn)物。在水產(chǎn)育種領(lǐng)域，合成生物學(xué)技術(shù)可以被應(yīng)用于優(yōu)化品種特性和提升產(chǎn)量。

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

合成生物學(xué)在工程化策略指導(dǎo)下有目的地設(shè)計(jì)合成標(biāo)準(zhǔn)化生物元件，具有不同功能的生物元件按照一定邏輯構(gòu)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(shù)是支撐合成生物學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵，基因合成、基因編輯、蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)、細(xì)胞設(shè)計(jì)、高通量篩選等技術(shù)的發(fā)展對(duì)合成生物學(xué)的發(fā)展有著重要的支撐和推動(dòng)作用，基因測(cè)序、DNA合成以及基因組編輯技術(shù)都是其核心使能技術(shù)。下面我們來(lái)介紹幾個(gè)合成生物學(xué)在水產(chǎn)育種中的應(yīng)用案例。

圖片摘自 Hallerman et al. 2021. [1]

首先，合成生物學(xué)技術(shù)可以用于基因編輯。基因編輯技術(shù)可以針對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行精確的剪切和修飾，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)魚類品種特性的改良。例如，實(shí)驗(yàn)使用了CRISPR/Cas9編輯器，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)高于經(jīng)典轉(zhuǎn)基因方法的靶向基因組插入率，且場(chǎng)外整合頻率較低。養(yǎng)殖魚類的基因組編輯實(shí)驗(yàn)集中在提高生長(zhǎng)率和抗病性、實(shí)現(xiàn)生殖限制和其他有價(jià)值的性狀[1]。

圖片摘自 Hallerman et al. 2021. [1]

其次，合成生物學(xué)技術(shù)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(gè)物種的先天遺傳特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)魚類基因組的重構(gòu)和優(yōu)化。在魚類中，傳統(tǒng)的選擇育種是遺傳育種的經(jīng)典方法。主要目的是在個(gè)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(xué)家已經(jīng)開始了翹嘴紅鲌的全基因組測(cè)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(tuán)頭魴雜種優(yōu)勢(shì)的分子機(jī)理及其它性狀[3]?？茖W(xué)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(zhǎng)和大小上都具有優(yōu)勢(shì)[4]?？傊?，基因組信息允許更快速和完整地了解經(jīng)濟(jì)上重要的性能性狀，并為水產(chǎn)養(yǎng)殖新品種的開發(fā)提供基礎(chǔ)。

圖片摘自 Zhou et al. 2004. [4]

最后，合成生物學(xué)技術(shù)還可以用于構(gòu)建新型的生物傳感器。生物傳感器可以對(duì)環(huán)境中的生物和非生物物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。通過(guò)合成生物學(xué)提供的最先進(jìn)的工具，可構(gòu)建基于細(xì)胞的生物傳感器，具有可定制的性能，以滿足現(xiàn)實(shí)世界在靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍方面的要求[5]。

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

參考文獻(xiàn)

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(xué)水產(chǎn)設(shè)施養(yǎng)殖與裝備工程研究中心研究生）

科學(xué)性審核：劉鷹（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院博士生導(dǎo)師）、傅松哲（大連海洋大學(xué)水產(chǎn)設(shè)施養(yǎng)殖與裝備工程研究副教授、研究生導(dǎo)師）

策劃：劉雅丹 武玥彤

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