综述：基因组编辑在水产养殖育种中的应用：成熟应用与新兴方向

《Water Biology and Security》：Genome editing for aquaculture breeding: established applications and emerging directions

　　

全球水产养殖产量持续上升，但其遗传改良速度远落后于畜牧业，凸显了先进育种技术的需求。基因编辑（gene editing），特别是基于CRISPR/Cas（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated）的系统，提供了精确且高效的方法，并已成功应用于超过40种养殖鱼类。然而，其应用仍受若干瓶颈限制：许多海洋鱼类编辑效率低、依赖劳动密集型显微注射（microinjection），以及公众常未能区分基因编辑与转基因（transgenesis）的担忧。在此，研究人员系统综述了养殖鱼类基因编辑育种的现状，总结了五大性状类别（性别控制、生长增强、体色修饰、抗病性和产品质量）的进展。研究人员还强调了基因编辑的新兴方向，包括应激减少、攻击性控制和鱼腥味消除。同时，研究人员讨论了编辑平台的快速演进——从高保真Cas变体（high-fidelity Cas variants）和纳米颗粒递送系统（nanoparticle delivery systems）到无双链断裂编辑器（double-strand break-free editors），如碱基编辑器（base editors）和先导编辑器（prime editors）——及其克服现有限制的潜力。未来研究应聚焦于以下方面：通过系统功能基因组学（functional genomics）扩展靶基因范围，开发绕过显微注射的海洋鱼类递送方法，建立基因编辑水产品的透明监管框架，并阐明基因编辑与转基因的区别以解决公众关切。本综述提高了公众对水产养殖基因编辑育种现状、挑战和未来方向的理解，从而促进该技术在该领域的进一步进展。

1. Introduction
全球水产养殖产量持续增长，但遗传改良贡献率低于15%，远落后于畜牧业的40%，亟需先进育种技术。基因编辑，特别是基于CRISPR/Cas⁹（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated protein 9）的系统，在精准性和效率上优于传统育种。公众对基因编辑的抵触与对转基因的担忧类似，主要涉及食品安全、生态风险和伦理争议，因此需明确区分基因编辑与转基因，并加强监管透明度。目前基因编辑已应用于鲤鱼（Cyprinus carpio）、虹鳟（Oncorhynchus mykiss）、罗非鱼（Oreochromis spp.）和大西洋鲑（Salmo salar）等经济物种，主要针对性别控制、生长、体色、抗病性和环境适应性。未来应聚焦于高价值性状如去肌间骨、去腥味、提高多不饱和脂肪酸（PUFA）含量，以及减少应激和攻击行为。同时，基因编辑技术正向更高效率、精准度和安全性演进，包括碱基编辑器（base editors, BEs）、先导编辑器（prime editors, PEs）、CRISPR-Cas12/Cas13系统、表观基因组编辑（epigenome editing）等。本综述旨在综合评估基因编辑在水产养殖中的进展、挑战和未来方向，以推动可持续高品质水产品生产。

2. Gene editing: a breeding method learned from nature
基因突变是表型多样性和进化的驱动力，而现代基因编辑技术如CRISPR-Cas9基于相同原理——改变DNA序列以调控基因功能。自然突变随机发生，而基因编辑通过靶向修饰实现类似遗传改变。例如，自然界中Mstn基因突变导致比利时蓝牛的双肌表型，该表型可通过靶向编辑Mstn在小鼠、斑马鱼和黄颡鱼中精准复制。类似地，体色变异（如大熊猫的棕色毛色、白化病和透明表型）也在自然和编辑背景中观察到。因此，基因编辑应被视为靶向诱变，是对进化遗传变异的可控加速，区别于引入外源基因的转基因。日本已商业化多种基因编辑鱼，如生长加快的真鲷（Pagrus major）、食欲增强的虎河豚（Takifugu rubripes）、饲料效率提高的牙鲆和肌肉产量提升的罗非鱼。总之，该技术是精准育种的范式转变，需积极利用以满足可持续农业和水产养殖需求。

3. The current status of gene editing in fish breeding
基因编辑技术为研究基因功能和培育高效、短周期、性状可控的新品种提供了直接手段。目前已在鱼类中针对性别决定、生长、体色和抗病性等经济性状开展了编辑育种。

3.1. Gene editing for sex control
通过阐明性别决定和分化分子机制，研究人员鉴定了雌性（如foxl2、sf1）和雄性（如amhy、dmrt1、gsdf）通路关键基因。基于此，基因编辑用于单性育种，如敲除foxl2、sf1、cyp19a1a、cyp17a1、esr2a/esr2b诱导尼罗罗非鱼XX雌性逆转为功能性雄性，实现全雄群体；在鲤鱼中敲除cyp17a1产生全雌群体。然而，由于海洋鱼类基因编辑效率低和多数硬骨鱼性成熟周期长，该应用仍局限于少数物种。

3.2. Gene editing for growth enhancement
生长是鱼类育种核心目标。Mstn基因功能缺失导致肌肉质量增加，已在红海鲷、黄颡鱼、尼罗罗非鱼、团头鲂和鲫鱼中建立纯合突变系。此外，敲除leptin受体（lepr）使虎河豚体重达野生型的1.9倍；敲除mc4r使斑点叉尾鮰生长加快30%；敲除pik3r1提高银鲫体生长和饲料转化率；敲除sstr2a通过激活GH/IGF轴促进尼罗罗非鱼生长。因此，灭活负生长调控因子是开发快速生长品系的有效策略。

3.3. Gene editing for color modification
通过靶向色素合成、运输和分布关键基因，可精确修饰体色。敲除酪氨酸酶（Tyr）基因使红鲫和白鲫黑色素减少60%~90%，并产生稳定白化株系。敲除slc45a2导致大西洋鲑和尼罗罗非鱼色素丧失。敲除pmela/pmelb、pmel17、hps4、mitfa/mitfb等基因产生金色、银白、红黄等体色。敲除asip、mc1r使曲江彩鲤失去黑斑。敲除类胡萝卜素转运基因scarb1/scarb1l使鲤鱼红色区域褪色。通过鉴定金鱼“龙眼”和“白化”表型的因果基因lrp2ab和oca2并编辑，可建立稳定品系。但体色改变可能影响生长和抗病性，需综合评估多个性状。

3.4. Gene editing for disease resistance
基因编辑用于增强先天免疫，主要针对病毒病。在亚洲尖吻鲈中，敲低gab3显著抑制神经坏死病毒（NNV）复制；在六倍体银鲫中，同时敲除两个viperin同源基因完全丧失对鲤疱疹病毒（CaHV）的抗性；在稀有鮈鲫中，敲除itgb1b破坏病毒进入，提高草鱼出血病毒（GCRV）存活率。此外，通过敲入抗菌肽基因（如鳄鱼cathelicidin）使蓝鲶对致病菌感染存活率从30%升至80%。未来需通过关联作图、全基因组关联研究（GWAS）和泛基因组学挖掘新抗病基因。

3.5. Gene editing of other traits
基因编辑扩展至改善营养和食用品质。在大西洋鲑中敲除fads2、elovl2调控脂肪酸代谢，改变二十二碳六烯酸（DHA）水平；在斑点叉尾鮰中敲入fat1、fat2提高DHA和n-3 PUFA含量。敲除runx2b可消除斑马鱼、银鲫和团头鲂的肌间骨（IBs），不影响生长和游泳；敲除bmp6也导致肌间骨丢失，但需评估胚胎发育副作用。其他候选基因如twist有潜力，而sp7敲除导致严重骨骼缺陷。商业化前需全面评估对其他性状的影响。

4. Future research directions in fish gene-editing breeding
未来研究方向包括：编辑应激相关基因（如crh、uts1、uts2）调控神经递质和激素合成，培育低应激品系，提高环境适应性；靶向攻击性相关通路（如血管加压素、神经递质受体），减少同类相食和鳍损伤，改善福利和养殖效率；通过敲除脂氧合酶或TMAO-TMA转化酶基因，减少内源性鱼腥味，提升感官品质；编辑BMP通路或鳍棘特异性转录因子（如gremlin1b），培育无硬鳍棘品系，降低操作损伤风险。此外，还可扩展环境耐受范围、优化生殖性状（缩短性成熟周期）、改变摄食习性（如饲料驯化）、提高雌性繁殖力等，以同时解决生产效率、动物福利和可持续性多重约束。

5. Gene-editing advances drive the improvement of farmed fish breeding
CRISPR基因编辑工具从最初Cas⁹核酸酶发展为多样化工具箱，包括高保真Cas变体（high-fidelity Cas variants）、优化向导RNA、Cas12a等替代核酸酶，以及无双链断裂（DSB）的二代编辑器如碱基编辑器（BEs）和先导编辑器（PEs）。三代技术聚焦于大片段DNA插入，如CRISPR引导重组酶和转座子（CAST系统）、逆转录元件编辑器、DNA聚合酶编辑器、表观基因组编辑器和RNA编辑器。人工智能（AI）用于预测编辑结果和设计新蛋白。这些高级平台可显著提高海洋鱼类编辑效率，替代显微注射的纳米颗粒递送系统，表观基因组编辑可实现可逆调控，从而加速培育具有优良经济性状的品系，以更精准、高效和安全的方式应对全球粮食安全挑战。

6. Conclusion
鱼类基因编辑育种处于转型关键期，未来核心方向是性状多样化与技术精准化的深度融合。性状改良将从生长、性别和体色扩展到高价值性状，如低应激、低攻击、改善风味和营养、提高操作安全性。技术迭代需开发原创高效安全的平台，包括纳米递送系统、无DSB编辑器、大片段DNA整合技术，并借助AI优化。同时需加强种质资源挖掘、建立科学透明的监管体系。通过多维性状改良、颠覆性技术创新和健全监管框架的整合，基因编辑育种将彻底改变水产养殖，为全球粮食安全、环境可持续性和产业效率提供革命性解决方案。