左炔诺孕酮诱导的鳜鱼（Siniperca chuatsi）性别反转：一种实现全雌性群体生产的高效方法及其在水产养殖中的应用

《Animal Reproduction Science》：Levonorgestrel-induced sex reversal in mandarin fish ( Siniperca chuatsi): An effective protocol for all-female production and its aquaculture applications

高效安全的mandarin鱼全雌种群构建及分子机制研究，通过15-60天孵化后投喂100 mg/kg levonorgestrel实现100%雌到雄性别逆转，其睾丸发育、精子生成及繁殖能力与天然雄性相当。分子分析揭示雄性相关基因（dmrt1, gsdf, amh, sox9, arβ）显著上调，雌性相关基因（foxl2, cyp19a1a）受抑制。体外实验证实LNG可直接调控卵巢生殖相关基因（fshr, lhr）。杂交实验显示全雌后代表现21%更高生长性能。该成果为水产养殖提供了高效性别调控技术。

　　本研究旨在开发并评估一种有效的方法，以通过使用左炔诺孕酮（LNG）诱导基因型雌性转变为功能性雄性，从而生产全雌性群体的 Mandarin 鱼（Siniperca chuatsi）。在鱼类性别分化的关键窗口期（孵化后15至60天），通过以猎物为媒介的给药方式给予100 mg/kg的LNG，成功诱导了所有基因型雌性转变为功能性新雄性。这种转变通过组织学和分子分析得到了确认。新雄性表现出正常的睾丸发育、完整的精子生成过程以及与XY雄性相当的繁殖能力。通过体内基因表达分析发现，LNG诱导的雄性化状态显著上调了与雄性相关的一系列基因，如dmrt1、gsdf、amh、sox9和arβ，并同时抑制了与雌性相关基因foxl2和cyp19a1a的表达。此外，体外实验结果表明，LNG可以直接作用于卵巢细胞，诱导类似的分子变化，同时调控与生殖调节相关的基因，如fshr和lhr。在交配实验中，由LNG诱导的新雄性所繁殖的全雌性后代在240天龄时表现出比混合性别的群体更高的生长性能，提升了21%。这些发现建立了一种高效且实用的生产全雌性Mandarin鱼的方法，展示了生殖技术在提高水产养殖生产力方面的巨大潜力。

研究还指出，类固醇激素在脊椎动物的生殖生理中起着至关重要的作用，主要通过核受体调控下丘脑-垂体-性腺（HPG）轴的活动。除了内源性的孕酮，合成的类似物如左炔诺孕酮（LNG）对孕酮和雄激素受体都具有双重亲和力，使得其在鱼类性别决定过程中产生显著的影响。实验表明，即使是非常低浓度的LNG也能在鱼类种群中引发性别反转，导致雄性化偏倚和性腺组织的组织病理学异常。LNG的雄性化作用主要通过抑制芳香化酶（cyp19a1a）的活性和表达来实现，从而阻碍了雌激素（如雌二醇）的生成。与此同时，LNG还能上调与雄性化相关的基因，如11β-羟化酶（cyp11b），增强睾酮向11-酮睾酮（11-KT）的转化过程。这种激素失衡影响了HPG轴基因在性别决定关键期的表达，并重新引导性腺的分化，最终使基因型雌性转变为功能性雄性（初级性别反转）。组织学上，这种变化表现为卵泡的保留以及生精小管结构的紊乱。

与传统的雄激素（如17α-甲基睾酮）相比，LNG在环境可忽略剂量下即可实现更高效的雄性化效果，这主要归因于其较高的受体结合亲和力。例如，在斑马鱼（Danio rerio）中，连续暴露于5.45 ng/L的LNG从胚胎到成年，导致100%的雌性发生性别反转。值得注意的是，LNG对生殖的影响表现出非单调的剂量效应：在斑马鱼中，1.3 ng/L的剂量能够实现最大化的雄性化效果，而更高剂量（如1330 ng/L）则会损害后代的存活率。同样，Svensson等人（2014）的研究表明，6.5 ng/L的LNG可以恢复完全静止的斑马鱼精子生成，而浓度≥65 ng/L则会完全抑制这一过程。在鲤鱼（Cyprinus carpio）中，310 ng/L的LNG显著上调了大脑和头部中npr和esr2b基因的mRNA表达，但并未影响早期发育、形态异常或甲状腺滤泡的病理变化。这些复杂的剂量反应特性凸显了LNG作为强大内分泌干扰物的潜力，同时也强调了其在不同物种中可能产生的特定影响。

Mandarin鱼（Siniperca chuatsi）属于 Percichthyidae 科（Perciformes目）下的 Sinipercinae 亚科，广泛分布于中国长江、珠江和黑龙江流域，以及越南和朝鲜北部的河湖系统。该鱼被选为研究激素诱导性别调控的理想模型，原因在于其在商业价值较高的 Perciformes 物种中表现出独特的性别差异。首先，Mandarin鱼的雄性相关基因表达在孵化后15天开始显著启动，这表明这一发育阶段是其性腺分化的关键时期，为精准干预提供了可能性。其次，Mandarin鱼的遗传性别决定机制已被充分阐明，遵循XX/XY系统，并且已有可用的分子标记。最后，雌性表现出显著的性二态性，其生长速度和体型均优于雄性。这种生长差异源于能量的重新分配，即雌性将原本用于性腺发育的能量更多地投入到体态增长上，因此激素诱导的性别调控不仅在科学上是可行的，而且在实际应用中具有重要的价值。

然而，目前用于诱导性别反转的传统方法，如使用500 mg/kg的11-酮睾酮（11-KT），往往导致严重的生殖病理变化，例如性腺结构紊乱和精子生成失败。这表明需要开发更安全、更有效的生理调控手段，以支持可持续的单性水产养殖实践。本研究通过在性别决定的关键窗口期（孵化后15至60天）给予LNG，成功实现了所有基因型雌性的完全性别反转，其剂量为100 mg/kg，这一剂量在环境条件下具有极低的暴露风险，同时能够诱导出功能性雄性，其睾丸发育正常，能够进行正常的精子生成过程。此外，分子分析进一步确认了LNG诱导的雄性化状态的稳定性，表明该方法在分子层面具有良好的调控效果。

在Mandarin鱼的早期性腺发育过程中，性腺分化始于孵化后15天，此时性腺为未分化的原始性腺，含有迁移的原始生殖细胞（PGCs）位于生殖嵴中。到孵化后20天，性腺在形态学上仍然无法区分性别，内部充满增殖的生殖细胞，但尚未出现减数分裂的迹象。首次出现性别二态性的迹象是在孵化后30天，此时性腺开始表现出明显的形态学差异。这一阶段的发育特征为性别调控提供了时间窗口，使得研究者能够在这一关键时期干预性腺分化，从而实现性别反转的目的。

在讨论部分，研究强调了Mandarin鱼在研究生殖调控中的重要性。由于其雌性在生长潜力方面优于雄性，这使得Mandarin鱼成为开发单性水产养殖技术的理想对象。此外，其明确的XX/XY性别决定系统也为性别调控提供了坚实的遗传基础。虽然传统的雄激素处理方法在某些情况下可以实现性别反转，但往往伴随着显著的副作用和生长性能的下降。相比之下，LNG作为一种合成类固醇，不仅在较低剂量下能够实现高效的性别反转，而且在分子层面能够调控关键的生殖相关基因，从而在不破坏鱼类正常生理功能的前提下，实现性别调控的目标。

研究还指出，目前关于LNG在重要经济鱼类中的生殖生理调控的研究仍然较为有限，大多数研究集中在模式鱼类的环境毒理学方面。然而，随着水产养殖业对单性种群的需求日益增加，开发适用于经济鱼类的性别调控技术显得尤为重要。Mandarin鱼作为中国重要的经济鱼类之一，其性别调控技术的成功应用不仅能够提高养殖效率，还能减少性别比例失衡带来的生态和经济问题。此外，该研究为未来在其他经济鱼类中应用LNG或其他类似激素提供了理论基础和实验依据。

研究的结论部分进一步总结了LNG在Mandarin鱼性别调控中的作用。通过在性别决定的关键窗口期给予LNG，研究成功地实现了所有基因型雌性的完全性别反转，其剂量为100 mg/kg。这种剂量不仅在环境条件下具有较低的暴露风险，而且能够诱导出功能性雄性，其睾丸发育正常，能够进行正常的精子生成过程。分子分析确认了LNG诱导的雄性化状态的稳定性，表明该方法在分子层面具有良好的调控效果。此外，LNG在体外实验中也显示出对卵巢细胞的直接作用，能够诱导类似的分子变化，并调控与生殖调节相关的基因。这些结果不仅证明了LNG在Mandarin鱼性别调控中的有效性，也为未来在其他经济鱼类中应用类似技术提供了可能。

本研究的意义在于，它提供了一种整合生殖内分泌学原理与实际水产养殖应用的解决方案。通过LNG的使用，研究人员能够在不破坏鱼类正常生理功能的前提下，实现性别调控的目标，从而提高养殖效率。此外，该研究还揭示了LNG在不同鱼类中的剂量效应，为未来在其他物种中优化性别调控方案提供了参考。研究还指出，Mandarin鱼的性别调控不仅在科学上具有可行性，而且在实际应用中具有重要的经济价值，因为其雌性在生长性能方面优于雄性，能够实现更高的养殖产出。

研究的作者贡献部分明确了每位研究者的具体职责。Peng Suhan负责可视化、方法设计和实验调查；Yong Zhang负责撰写、项目管理、资金获取、概念设计；Teng Jinmeng负责可视化、验证、软件开发、方法设计和实验调查；Han Chong负责撰写、项目管理、资金获取和概念设计；Liu Shiyan负责撰写初稿、可视化、实验调查、形式分析和概念设计；Chen Songlin负责监督和资源管理；Li Shuisheng则参与了相关工作。这些贡献体现了研究团队在实验设计、数据收集、分析和撰写过程中的分工合作，确保了研究的全面性和准确性。

研究的致谢部分列出了多个资助项目，包括中国国家关键研发计划（Grant No. 2024YFD2401500; 2024YFD2401505）、中国国家自然科学基金（Grant No. 32302995）、广东省基础与应用基础研究基金（Grant Nos. 2022A1515110140; 2024A1515013176）、广东省科技计划项目（Grant No. 2023B1212060023）、贵州省科技计划项目（Grant No. 2023–085）以及广州市科技计划项目。这些资金支持为研究的顺利进行提供了保障，同时也反映了科研项目在实际应用中的重要性。

本研究的发现对于水产养殖业具有重要的应用价值。通过使用LNG诱导性别反转，可以有效提高Mandarin鱼的养殖效率，减少性别比例失衡带来的负面影响。此外，该方法在环境条件下具有较低的暴露风险，为实现可持续的单性养殖提供了新的途径。然而，研究也指出，LNG的使用需要谨慎，以避免剂量过高导致的负面效应，如后代存活率下降。因此，未来的研究需要进一步优化LNG的使用剂量，以确保其在不同鱼类中的安全性和有效性。同时，还需要探索其他激素或化合物在性别调控中的应用，以提供更多的选择和解决方案。

总的来说，本研究通过系统地分析LNG在Mandarin鱼性别调控中的作用，为水产养殖业提供了一种高效、安全且可行的性别反转技术。这一技术不仅能够提高养殖产量，还能减少性别比例失衡带来的生态和经济问题。此外，研究还强调了LNG在不同鱼类中的剂量效应，为未来在其他经济鱼类中应用类似技术提供了理论基础和实验依据。通过整合生殖内分泌学原理与实际应用，本研究为实现可持续的单性水产养殖实践提供了重要的支持。