《Water Biology and Security》：Genetic studies of pigmentation and coloration in aquatic animals: a review and future perspectives
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水产动物的色素沉着与体色遗传学研究：综述与展望。多组学分析在水产动物体色图案研究中的进展得到及时总结。色素细胞谱系特化与体色形成的遗传机制得到归纳。水产养殖中不同体色品系的遗传育种得到总结。多学科交叉整合是水产动物色素沉着与体色遗传学研究的有前景方向。研究人员
水产动物的色素沉着与体色遗传学研究：综述与展望。多组学分析在水产动物体色图案研究中的进展得到及时总结。色素细胞谱系特化与体色形成的遗传机制得到归纳。水产养殖中不同体色品系的遗传育种得到总结。多学科交叉整合是水产动物色素沉着与体色遗传学研究的有前景方向。研究人员总结了水产动物色素沉着与体色遗传学的最新研究进展，主要基于三个方面：一是通过转录组测序（RNA-seq）、单细胞RNA测序（scRNA-seq）、数量性状位点（QTL）定位和全基因组关联分析（GWAS）等多组学手段鉴定水产动物体色形成与分化的候选基因或位点；二是归纳了色素细胞（包括黑色素细胞melanophores、黄色素细胞xanthophores、虹彩色素细胞iridophores、红色素细胞erythrophores、白色素细胞leucophores和蓝色素细胞cyanophores）分化与色素沉着的重要基因及信号通路；三是总结了模式鱼类、养殖鱼类及其他水产动物中通过标记辅助选择（MAS）和CRISPR/Cas9基因编辑等技术进行体色品系遗传育种的进展。研究人员进一步提出了未来发展方向，包括多组学与空间组学、人工智能辅助分析和基因编辑的结合，潜在基因调控网络的探索与验证，具有观赏和食用价值的新种质创制，以及多学科交叉整合的前沿研究。该综述为水产动物色素细胞生物学、发育生物学、进化生物学和生态学的基础研究提供了有价值的信息，所总结的全球学者的重要研究对水产养殖实践中潜在的新种质创制具有重要意义。
水产动物的体色多样性是自然界生物多样性的重要体现，不仅赋予鱼类及水生无脊椎动物观赏或食用价值，还在生存、交流、求偶、伪装、抵御紫外线（UV）辐射及物种形成中发挥重要作用。硬骨鱼类的体色变化主要由色素（包括黑色素/黑色素体、类胡萝卜素、蝶啶和鸟嘌呤）成分、色素细胞分布模式、大小或数量的差异所决定。野生型鱼类通常具有背景匹配能力，而金鱼（Carassius auratus）和锦鲤（Cyprinus carpio）等选育观赏鱼则表现出更丰富的观赏价值。以往研究已对哺乳动物、鸟类及斑马鱼、青鳉、慈鲷等鱼类的体色细胞或遗传基础进行了总结，但针对水产动物界较为详细且最新的综合性综述尚付阙如，因此研究人员开展了本项综述工作。研究通过系统梳理水产动物色素沉着与体色遗传学的最新研究，得出以下主要结论：多组学分析（RNA-seq、scRNA-seq、QTL定位和GWAS）已成功用于鉴定多种水产动物天然或诱导体色突变体的候选基因或位点；黑色素生成通路、类胡萝卜素和脂质代谢通路在多个物种中 consistently 被证实具有重要作用，钙信号通路等新通路也受到关注；色素细胞分化受保守的信号通路和关键转录因子调控，mitf、tyr、tyrp1、tyrp2/dct、mc1r、kit/kitlga、sox10、sox5、pax3、pax7、csf1ra/csf1rb、ltk、tfec、pnp4a等基因在不同色素细胞的特化与色素沉着中发挥关键作用；CRISPR/Cas9基因编辑技术已在鲤、金鱼、鲫、罗非鱼、鲑、鳢等多种水产动物中成功创制体色突变品系。该综述的重要意义在于为水产动物色素细胞生物学、发育生物学、进化生物学和生态学基础研究提供参考，并为水产养殖中经济性体色品系的遗传育种提供有用建议和潜在材料。
在技术方法方面，研究人员主要采用了以下关键技术手段：多组学分析，包括皮肤/肌肉转录组测序（RNA-seq）、单细胞RNA测序（scRNA-seq）、数量性状位点（QTL）定位和全基因组关联分析（GWAS）；实时定量聚合酶链反应（qPCR）和原位杂交（ISH）用于基因表达验证；透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、高效液相色谱（HPLC）分析和抗体标记用于色素及色素细胞类型的精确评估；CRISPR/Cas9基因编辑技术用于基因功能验证和新种质创制；标记辅助选择（MAS）用于候选基因或位点的筛选；传统杂交育种、雌核发育和转基因技术用于彩色品种培育。研究中涉及的样本队列主要来源于中国本土野生鱼类、市场选育观赏鱼（金鱼、锦鲤）、养殖食用鱼（尼罗罗非鱼、蓝罗非鱼、红罗非鱼等）以及多种水产无脊椎动物。
在研究结果方面，综述从以下三个主要部分进行了系统总结：
2.1 通过多组学分析揭示鱼类体色形成/分化的遗传因素。比较转录组分析在锦鲤、瓯江彩鲤、豹纹鳃棘鲈、虹鳟、红罗非鱼、尼罗罗非鱼及栉孔扇贝、海湾扇贝、虾类、中华绒螯蟹等水产动物中广泛开展，一致证实了黑色素生成通路的重要作用，类胡萝卜素和脂质代谢通路也频繁被富集，钙信号通路在多数研究中受到关注。scRNA-seq已成功用于斑马鱼鳍色素细胞转分化、皮肤生成、体色图案发育及黑色素细胞再生研究，并用于青鳉虹彩色素细胞、黄色素细胞和白色素细胞的分离分析以及锦鲤皮肤细胞类群研究。GWAS和QTL定位已成功应用于三刺鱼、斑马鱼、青鳉、慈鲷、稻田鱼、黄河鲤、锦鲤、斗鱼、孔雀鱼、剑尾鱼、斑点叉尾鮰、鳢乃至洞穴鱼等物种的体色候选基因/位点鉴定。在红罗非鱼中，控制红色体色的位点定位于LG3，ccdc149和nckx2、asip1和slc45a1、sema-4c、uvssa和htr2cl1以及DHRS11等基因先后被不同研究报道与体色分化相关，但关于决定红色背景体色的主效基因仍存在广泛争议。在水产无脊椎动物中，控制类胡萝卜素色素沉着的基因被公认为决定体色的主要因素，一项关于ITGA8非编码SNP调控组织重塑的研究为海洋软体动物色素沉着机制研究提供了多组学范式。
2.2 水产动物色素细胞分化或色素沉着调控因子的研究进展。在黑色素细胞中，酪氨酸酶家族基因（Tyr、tyrp1、tyrp2/dct）、cAMP/CREB-Mitf轴基因（如pmel）、mitfa、kit/kitlga、mc1r及其配体、BLOC超家族成员（BLOC1-BLOC3）、SLC家族和OCA家族基因（slc24a5、slc45a2、oca2）均被证实对黑色素体发育和黑色素生成至关重要。研究人员通过大规模CRISPR突变和表型分析发现，罗非鱼中mitf（mitfa和mitfb）、pmel（pmela和pmelb）、tyrb、hps4和hps5等黑色素细胞特异性基因均影响黑色素体发育或黑色素细胞分化。值得注意的是，Mitf突变体表现出红色素细胞显著增加并伴随类胡萝卜素富集，提示mitf存在"非传统"功能。在黄色素细胞中，csf1ra/csf1rb（fms信号通路）、csf1、gch2、sox5、sox10、pax3和pax7等基因被证实对黄色素细胞特化和色素沉着重要，pax3和pax7可序贯激活mitf表达。在虹彩色素细胞中，sox10、ltk（RTKs-ALK-LTK信号通路）、gbx2、tfec、pnp4a、foxd3和mpv17等基因对虹彩色素细胞特化、增殖、存活及鸟嘌呤生物合成至关重要。在红色素细胞中，bdh1a、cyp2ae2、bco1、scarb1、sox10、mitfa、csf1r1、pax7a、spr、myh1s等基因与红色素细胞分化或色素沉着相关，研究人员发现csf1ra缺失导致罗非鱼红色素细胞和黄色素细胞均缺失，scarb1突变导致红/黄色着色缺失，而mitfa?/?、mitfb?/?突变体则表现出红色素细胞显著增殖。在白色素细胞中，sox5、sox10、pax7a和mitf参与其特化，尿酸是白色着色主要化学成分。蓝色素细胞极为罕见，其分化和色素沉着相关基因仍属未知。此外，肾上腺素、MCH、α-MSH、ACTH、雌激素和雄激素等激素可调控色素细胞状态和形态。色素细胞转分化研究显示，黑色素细胞可由红色素细胞转分化而来，白色素细胞可由黑色素细胞、黄色素细胞及黄色素细胞样祖细胞转分化而来，黄色素细胞可转分化为红色素细胞。关于水产无脊椎动物"色素细胞"的定义，研究人员指出其缺乏神经嵴细胞（NCCs）及NCCs来源色素，相关命名规范仍需进一步标准化。
2.3 不同鱼类体色突变体遗传育种进展。中国祖先饲养鲤鱼可追溯至8000多年前，观赏鱼人工养殖记录可追溯至西晋，金鱼在中国已持续培育2000余年。传统育种主要通过将偶尔获得的自然彩色突变体与野生型杂交，耗时费力。MAS方法已广泛应用于养殖鱼类重要经济性状候选基因/位点筛选，如红罗非鱼中6个SNP与红色斑块显著相关，真鲷中SNP与透明表型相关，豹纹鳃棘鲈中9个SNP与红黑体色分化显著相关。CRISPR基因编辑已在鲤（scarb1、scarb1-like、tyrp1、mc1r、asip、oca2、bco2a）、锦鲤（asip、bco1/bco2）、金鱼（oca2a/oca2b、tyr、pax7）、鲫（tyr、scarb1、tyr重复）、斑马鱼（mitfa、tfap2、tyr、oca2、slc45a2、hps5、mc1r、asip1、edn3、smarce1、adcy3a、adcy5、scarb1、cyp2ae2、bco1、bdh1a）、青鳉（tyr、sox5、sox9b、sox10、mitfa、mitfb、pax3、pax7）、养殖食用鱼（鲐、大西洋鲑、鳢、红头慈鲷中slc45a2突变导致白化；鲣中slc24a5突变导致镶嵌图案；大口黑鲈中tyrb突变导致白化；尼罗罗非鱼中slc45a2和tyr突变导致红色或白化）以及其他较少研究鱼类（斗鱼mitfa、皇冠鼠鱼slc45a2、矮虹鱼、大鳞泥鳅、台湾泥鳅、草鱼、Onychostoma macrolepis中tyrb或tyr突变导致黄/橙色着色；鳉鱼mitfa、csf1ra、ltk三突变导致透明）中成功创制体色突变品系。研究人员利用罗非鱼成熟的人工操作平台，突变数十个已知色素细胞分化或色素沉着基因，获得了红/黄、金色、白化、银白及红罗非鱼肌肉色等不同体色突变体，并通过三突变mitfa和pmel重复基因创制了金色增强体色，近期通过聚合育种创制了透明罗非鱼。通过基因编辑与杂交育种结合，研究人员进一步创制了两个全年无黑色素黑斑的红罗非鱼新种质品系，体色从全粉到粉红或红黄，眼球白化程度较先前tyrb?/?红罗非鱼突变体更弱。综合比较表明，不同黑色素生成环节基因突变导致不同整体体色，同一基因在不同物种中突变诱导相同或相似体色，通过聚合育种创制新体色突变体可行有效。
在讨论部分，综述指出从简单表型描述和形态分类到当前细胞和分子水平研究，水产动物体色研究已有百余年历史。未来方向包括：多组学、空间组学、人工智能辅助分析与基因编辑的结合，可有效解决色素细胞迁移和分化过程中基因表达差异等问题，人工智能辅助分析可模拟候选基因敲除和过表达，帮助确定最有价值的功能验证基因，节省时间和材料成本；潜在基因调控网络的探索与验证，尽管调控网络可能异常复杂，但随着调控关系逐步阐明，水产动物色素细胞分化和体色基因的综合调控网络将得以构建；创制具有高观赏和食用价值的新种质，体色是与生长速度、肌肉品质等经济性状相关联的重要经济性状，类胡萝卜素对评价食品品质、肌肉质地、营养价值和观赏价值具有重要意义，体色基因还与冷应激适应和能量平衡相关，目前中国和多数国家尚未开放基因编辑动物食品市场准入，公众对基因编辑与转基因食品存在混淆，但随着观念解放和法律法规优化，经过基因编辑的优质动物食品终将被公众接受；多学科交叉整合的前沿与未来工具，色素细胞生物学与发育生物学等学科的交叉研究前景广阔，斑马鱼、鳉鱼、稻田鱼等研究已将色素细胞生物学与鱼类求偶或群游行为结合，图灵提出的"RZ"（反应-扩散）模型系统已成功解释生物体多数体色图案，受鱼类虹彩色素细胞着色机制启发已发明多种生物、化学和生理材料，相关理论甚至可用于治疗结石和痛风等疾病。研究结论部分翻译如下：本综述主要基于三个方面总结了水产动物色素沉着与体色遗传学的最新和最相关研究，基于客观标准突出了这些研究的共同发现及各部分可后续开展的研究，并进一步提供了展望，以期为水产动物色素沉着研究及具有观赏和食用价值的养殖鱼类新品系育种工作提供建议。本综述为水产动物色素沉着与体色相关的色素细胞生物学、发育生物学、进化生物学和生态学基础研究提供了有价值的信息，所总结的全球学者开展的重要研究对水产养殖实践中潜在的新种质创制具有重要意义。
