综述：鱼类的宏观杂交与微观杂交

《Reviews in Aquaculture》：Macro-Hybrid and Micro-Hybrid of Fish

本综述系统阐述了鱼类远缘杂交和雌核发育的理论突破，创新性提出宏观杂交（产生包含双亲亚基因组的新种质）和微观杂交（以母本基因组为主整合父本DNA片段）概念，建立了多步法育种技术体系，成功培育出Hefang系列等优质可育品系，为水产育种提供了新范式。

　　

1 国内外育种技术概述

水生动物为中国人提供了约三分之一的高质量动物蛋白，其中鱼类占水产品总量的42%，是最大的类别和重要的蛋白质来源。种业对水产品价值链的贡献最大，因此鱼类育种技术在水产养殖中起着至关重要的作用。

1.1 选择育种

选择育种是最常用的育种方法之一，在鱼类育种中占有重要地位。其主要目标是从一个或多个群体中识别和选择具有理想性状的个体或群体。传统方法包括群体选择、家系选择、亲本选择和联合选择，以及基于育种值估计的最佳线性无偏预测（BLUP）。分子标记辅助选择（MAS）、基因组选择（GS）和全基因组关联分析（GWAS）也已应用于鱼类育种。常规选择育种简单、成本低，但速度慢、不精确，且受限于可用遗传多样性。MAS通过靶向与重要性状相关的特定基因或数量性状位点（QTL）提高了精确度，但对复杂的多基因性状影响有限。GS通过使用全基因组标记预测育种值，克服了这一限制，实现了对简单和复杂性状的更快、更准确选择。

1.2 生殖细胞移植与核移植育种

核移植已应用于核质杂交鱼和纯合二倍体鱼的开发。硬骨鱼类的实验表明，囊胚期细胞核具有全能性。例如，将三倍体鲫鱼的肾细胞核移植到去核的二倍体鲫鱼卵中，成功产生了可育的克隆鱼，首次证实了鱼类体细胞核的遗传和发育全能性。然而，核质杂交鱼的低存活率仍然是一个挑战。

研究人员还将虹鳟鱼的原始生殖细胞移植到新孵化的马苏大麻哈鱼幼鱼的腹腔中，结果马苏大麻哈鱼产生了虹鳟鱼后代，证明了鱼类生殖细胞移植的可行性。随后的研究成功建立了生殖细胞移植系统并应用半克隆技术。虽然核移植证明了鱼类体细胞的全能性，但供体细胞的免疫排斥仍然是跨物种移植的重要障碍。尽管生殖细胞移植超越了物种障碍，但供体来源配子的长期生殖活力存在疑问。

1.3 物理化学诱导多倍体

人工多倍体育种可以通过物理或化学诱导实现。物理方法主要包括热休克、冷休克和静水压处理以诱导三倍体或四倍体个体，而化学诱导方法则使用如秋水仙素等试剂。这些方法不同于通过远缘杂交获得的多倍体群体。迄今为止，尚未有报道成功利用这些方法建立双性可育的四倍体鱼品系。

1.4 转基因与基因编辑

世界上首例转基因鲫鱼在中国诞生。利用转基因引入外源基因以增强理想性状已在多种鱼类中取得显著成功。水产养殖研究主要集中在增强生长、抗病性、耐寒性以及探索生命机制方面，但对转基因鱼的生态风险担忧依然存在。

基因编辑能够直接操纵DNA，并已广泛应用于斑马鱼等模式生物以及经济鱼类。例如，敲除^cntd1基因能够产生未减数配子和多倍体斑马鱼，为创建三倍体和四倍体鱼提供了新途径。此外，基因编辑在减少鱼类肌间刺方面也显示出有希望的结果。

1.5 远缘与近缘杂交育种

杂交育种不仅能产生杂种优势，还能创造结合双亲优良性状、超越亲本性状或展现新特征的后代。该方法已成为引入遗传变异的一种广泛应用、有效且快速的途径。通过杂交，不同亲本的有益基因可以组合，显著改善后代的整体性能。截至2024年，在中国批准的新鱼品种中，杂交品种占32%，其中远缘杂交占68%。

自1558年首次报道鱼类远缘杂交以来，全球已对56个科的1080多种鱼类进行了研究。自20世纪50年代末以来，利用杂交进行的育种研究产生了一系列优质鱼类品种，促进了水产养殖的发展。

我们的团队对鱼类远缘杂交进行了广泛研究，克服了存活率低、生殖困难和鉴定困难三大挑战，阐明了远缘杂种的主要遗传和生殖模式，建立了一步法和多步法育种策略，成功培育了可育四倍体品系、天然雌核发育品系和改良的三倍体鱼品种。

1.6 雌核发育（与雄核发育）育种

雌核发育可分为人工和天然两类。人工雌核发育通常通过异源精子诱导激活实现。在此过程中，卵子被不同物种的精子激活，但后代几乎只遗传母本基因组，导致高度纯合的群体。应用冷（或热）休克处理以阻止第二极体排出并实现染色体加倍。

自20世纪60年代以来，全球科学家已成功诱导了多种鱼类的雌核发育和雄核发育。多年来，我们开发了多种优良的人工雌核发育鱼和天然雌核发育品系，许多表现出优异或独特的性状，构成了新的种质资源。

雄核发育是指由正常精子受精于灭活卵子启动的胚胎发育，由父本基因组指导发育。虽然自然界中罕见，但在鱼类杂交种中偶尔观察到雄核发育案例。人工诱导雄核发育已在几种鱼类中成功实现。值得注意的是，使用四倍体鱼的双倍体精子可以绕过染色体加倍处理的需要，并显著提高成功率。

2 育种技术比较

从1996年到2024年，中国共批准了306个水产养殖新品种。其中，43%通过选择育种开发，35%通过杂交（远缘和近缘）开发，5%通过雌核发育开发。生殖细胞移植、核移植、转基因和基因编辑等技术尚未体现在新批准的品种中，主要受法规和技术限制。

选择育种、杂交和雌核发育具有不同的特点。从表型角度看，来自选择育种或雌核发育的后代通常类似于父本和母本表型。在遗传上，这两种方法导致的变化也相对较小。相比之下，远缘杂交往往引起表型和遗传组成的更大变化。

此外，选择压力在远缘杂交和雌核发育中都起着重要作用。例如，在异源精子诱导的雌核发育中，由于强大的选择压力导致的低存活率作为一种强大的筛选机制。

3 宏观杂交与微观杂交的理论与技术

我们提出了宏观杂交和微观杂交系统的理论和技术，基于在远缘杂交和雌核发育方面的广泛实践经验。

宏观杂交：指源自远缘杂交的异源后代，包括异源二倍体和异源四倍体后代。在远缘杂交的宏观杂交中，亲本染色体数目紧密匹配，能够形成可育的异源二倍体和异源四倍体品系。

微观杂交：指源自远缘杂交或异源精子诱导的雌核发育的自身后代，其基因组以母本为主，但包含源自父本的DNA片段。在远缘杂交的微观杂交育种中，亲本间相等或不同的染色体数目产生可育的自身四倍体或自身二倍体品系。在异源精子诱导的雌核发育的微观杂交中，亲本间相等或不同的染色体数目产生自身二倍体品系。整合异源精子诱导的雌核发育、回交和自交策略可以解决由雌核发育产生的全雌后代问题，从而实现育种群体的快速扩增。

4 鱼类育种中宏观杂交与微观杂交谱系的分类

基于对鱼类远缘杂交和雌核发育的广泛研究，我们系统比较了这两个过程的异同。发现远缘杂交和雌核发育都涉及异源精子对卵子的受精和胚胎发育的启动，因此共享“杂交”的基本特征。差异在于所采用的具体操作：雌核发育涉及精子灭活和受精卵的特殊处理（如冷或热休克以促进染色体重复），而远缘杂交不涉及此类干预。

我们提出了“宏观杂交”和“微观杂交”的理论框架。远缘杂交可以产生宏观杂交和微观杂交谱系，而雌核发育只产生微观杂交谱系。

我们对源自远缘杂交和雌核发育的鱼类的性状形成的遗传模式和机制进行了系统研究。揭示了双亲亚基因组的共存和稳定遗传。例如，异源四倍体AABB和异源二倍体AB个体都维持两个共存的亚基因组，可以稳定传递。此外，观察到不同亚基因组同源序列之间的重组，并且这种重组在连续世代中积累。

此外，对自身四倍体鲫鱼和鲤鱼品系（源自远缘杂交）及其亲本物种的分析表明，母本基因组占主导地位（例如四倍体AAAA和二倍体AA）。在这些基因组中也观察到了父本DNA片段的插入。在各种人工雌核发育衍生的鱼类中也检测到类似的插入。

宏观杂交通常与显著的形态变化相关，而微观杂交往往表现出较细微的形态差异，但在生长速率、抗逆性等性状上有显著改善。

异源精子诱导的雌核发育的组成部分，包括纯合性、异源精子和冷（热）休克，都与强烈的选择压力相关。“纯合效应”源于母本基因组的染色体加倍，通过纯合表达（如致死或疾病）清除有害隐性等位基因，同时保留和积累有益突变。异源精子效应构成了一种微观杂交变异，也可能消除不利性状并保留有利性状。热休克淘汰较弱个体，进一步促进了选择。这三种因素（纯合性、异源精子和热休克）的组合创造了强烈的选择压力，识别并富集了优良个体或群体。

纯合效应和异源精子效应都是鱼类育种中有效的遗传变异来源。这些发现强调了宏观杂交导致显著表型变化，而微观杂交导致较细微表型变化的原理。

5 宏观杂交与微观杂交的应用

基于对鱼类远缘杂交和雌核发育的广泛系统实践和理论研究，我们的团队提出了宏观杂交和微观杂交的理论，随后设计并建立了相应的育种技术。这些方法建立在先前建立的“一步法”和“多步法”育种方法之上，进一步对其进行了完善并扩展了应用范围。

宏观杂交育种涉及设计染色体数目相等的鱼类物种之间的杂交。它们的后代可能形成可育的异源四倍体或异源二倍体鱼，然后可以通过自交建立相应的异源四倍体或异源二倍体品系，每个品系都包含双亲亚基因组。该方法有效解决了存活问题（通过染色体兼容性）和生殖挑战（通过实现减数和不减数配子形成）。利用此策略，已开发出多个四倍体和二倍体鱼品系，创造了新的种质资源。

微观杂交育种是基于远缘杂交和雌核发育，利用特定的亲本组合和育种策略设计的。在远缘杂交中，选择的亲本要使母本物种的染色体数显著多于父本物种。这使得能够形成可育的自身四倍体和自身二倍体后代，其基因组以母本为主但含有插入的父本DNA片段。这些后代可以通过自交形成稳定的自身四倍体和自身二倍体品系。该策略有效解决了存活和生殖障碍，产生了有价值的种质资源。

在异源精子诱导的雌核发育中，选择来自不同分类群的亲本物种。产生的基础代通常是可育的二倍体雌性（如果性别决定系统是同配XX型），基因组以母本为主，并带有插入的父本DNA片段。然后将这些个体与普通雄性杂交产生子一代，随后通过自交产生子二代。任何一代的雄性个体都可以与原始雌核发育雌性回交，以进一步增强微观杂交效应。该方法克服了雌核发育后代中缺乏雄性和原始群体规模有限的问题。

在远缘杂交产生的天然雌核发育后代中，可能存在两性，并且在两性中都可观察到微观杂交效应。这种效应可以通过自交遗传。除了自交，还提出了与正常雄性或雌性回交作为繁殖策略来传播微观杂交效应。

6 辅助育种技术

围绕宏观杂交和微观杂交，我们通过整合各种辅助技术，开发了一个全面的育种系统。这些包括微观层面和宏观层面的辅助育种方法。

微观层面辅助育种技术包括用于整体亚基因组识别的基因组测序、用于部分亚基因组识别的分子标记筛选、用于鉴定父本DNA片段的PCR、SNP位点检测及相关基因分型工具。

宏观层面辅助育种技术包括精子头部大小与卵子受精孔兼容性、亲本物种间的遗传关系和性状互补性、精子冷冻保存、精子灭活时间的优化、延长杂交鱼生长周期以确保性成熟、汇集低生育力雄性的精子以确保受精成功、基于染色体遗传设计亲本杂交、流式细胞术、染色体分析、荧光原位杂交（FISH）和配子评估等支持技术、滴水孵化和温控孵化。

这些技术已应用于鉴定异源四倍体鲫鲤杂交种、Hefang鲫鱼品系、团头鲂-翘嘴鲌杂交种、雌核发育大口黑鲈、雌核发育鳜鱼及其各自亲本的亚基因组结构。

将建立的微观杂交雌核发育育种系统与这些辅助方法相结合，我们成功培育了多种雌核发育鱼品系。还开发了粘性鱼卵专利孵化装置，并设计了生态产卵池。团队已启动了此类设备的设计和专利程序。

7 宏观杂交与微观杂交的应用案例

多年来，我们的团队采用宏观杂交育种技术成功培育了多种优质鱼类品种，包括Hefang鲫鱼、Hefang鲫鱼2号、Hefang鲫鱼3号、Hefang鲂、Hefang鲂2号、湘军鲌、湘军鲌2号、三倍体鲤鱼等。这些二倍体和三倍体鱼证明了宏观杂交技术在水产养殖中的有效性和巨大潜力。

通过宏观杂交和微观杂交技术，已产生了众多优良水产品种。未来的进展需要与前沿生物技术更深入地整合，包括实施GS以加速杂交后代的性状固定、应用基因编辑精确修饰微观杂交品系的抗病和抗逆位点、开发AI驱动的亲本匹配预测模型。将经典杂种优势与分子设计和智能预测工具相结合，对于应对种质创新效率、食品安全和生态可持续性等多方面挑战至关重要。

8 结论

基于我们在鱼类远缘杂交和雌核发育方面的长期研究，我们首次将这两个领域的理论和技术相结合，建立了宏观杂交和微观杂交育种的概念和技术框架。通过将该框架与我们先前开发的一步法和多步法育种策略协同作用，我们成功产生了一系列新型、优质鱼类品系和种质资源。这项研究系统地介绍了这些创新理论、技术及其实际应用，我们相信这将显著推进水产养殖遗传育种的理论基础和技术能力。

9 作者贡献

（此处省略具体作者贡献列表，因要求总结内容而非列出细节）

致谢

本研究工作得到了国家重点研发计划、生物育种研究青年科学家项目、国家自然科学基金、中国农业研究体系专项资金和111计划的支持。

利益冲突

作者声明无利益冲突。