鱼类性别决定的遗传基础及性别控制技术在水产养殖中的应用

喻杰，杨弘

(中国水产科学研究院淡水渔业研究中心 农业农村部淡水渔业和种质资源利用重点实验室，江苏 无锡 214081)

鱼类是脊椎动物中最多样化的群体，包括3.2万多种[1]。这种多样性反映了它们对不同环境条件具有较强的适应能力。因此，鱼类常表现出惊人的形态、生理和行为适应能力，以适应高度多样化的水生环境。鱼类还具有多种生殖策略，包括雌雄异体、雌雄同体和单性群体[2]。在进化过程中，这些生殖策略独立出现在不同的谱系中，显示出其起源的多元性[3]。

鱼类的养殖历史悠久，目前全球养殖鱼类已近400种(FAO, http://www.fao.org/home/zh/)。养殖鱼类的产量很大程度上依赖于繁殖技术，目前已有大量关于繁殖控制技术的报道，其中包括单性种群的生产。由于多种养殖鱼类存在雌雄性别二态性(如体型、生长速度等)，有时也因其最有价值的特征与某一种性别有关(如体色、外形等)，生产中对全单性苗种的需要非常强烈。本研究中综述了有关鱼类性别转变和性别决定及其机制的研究进展，概述了鱼类性别的可塑性，并以尼罗罗非鱼Oreochromisniloticus和大菱鲆Scophthalmusmaximus为例回顾了水产养殖生产中控制性别比例的研究情况。

1 鱼类性别的自然转变

对高等脊椎动物特别是哺乳类而言，其个体的性别在早期胚胎发育过程中就已确定。然而，在多种雌雄同体的植物和动物物种中，其个体性别在生活史的某一阶段自然发生转变[4-6]。鱼类是脊椎动物中最多样化的群体，且硬骨鱼是脊椎动物中唯一具有雌雄同体现象的群体，对于此类鱼而言，性别转变是生殖周期中的常见事件，通常发生在群体结构产生变化或个体生长到特定年龄或大小时期[7-9]。据报道，在至少9个目的硬骨鱼类中具有雌雄同体现象，分为3种形式：先雌后雄、先雄后雌和连续双向性别转变[3,10](表1)，其功能性性转均伴随着性腺重构及形态和行为的改变[7-8,11]。

几十年来，性别转变的生物学过程和意义是学者们致力研究的一个有趣的科学问题[5,7,12-14]。目前，关于鱼类雌雄同体现象的生态和进化背景已经研究得较为成熟[3]，如珊瑚礁鱼类受群体社会结构控制的性别转变[8,11,15]。对几个代表性雌雄同体物种性别转变过程中的行为学、解剖学和激素变化也有报道，如杜佩锦鱼Thalassomaduperrey[16]、蓝头锦鱼Thalassomabifasciatum[17]、小丑鱼Amphiprionmelanopus[18]。然而，性别转变的直接原因在较大程度上仍属推测，环境和生理因素如何引发性别变化尚不清楚。在基因组水平上如何通过基因的瞬时和持续表达变化促进性别转变还不明确。也未见到针对某一物种从一种性别转变为另一种性别的触发机制及随后的分子级联反应的详尽报道。

表1 3种类型雌雄同体鱼类的分布[10]

Tab.1 Order distributions of three types of hermaphroditism[10]

目order先雌后雄protogynous先雄后雌protandrous同时存在simultaneous鳉形目Cyprinodontiformes√√合鳃目Synbranchiformes√鲈形目Perciformes√√√仙女鱼目Aulopiformes√巨口鱼目Stomiiformes√鲶形目Siluriformes√鲤形目Cypriniformes√鲱形目Clupeiformes√鳗形目Anguilliformes√√

性别决定是指决定先天性别的生物学机制，而性别分化则是描述随后实现这一性别决定的发育过程。硬骨鱼性别决定和分化具有丰富的多样性和较强的可塑性，其性别可由基因(如XY型、ZW型、多基因决定型)、环境(如温度、pH、种群密度)或通过其相互作用来确定，物种可以表现出雌雄异体(固定性别)，先后的或同时的雌雄同体，甚至单性群体[2,9]。3种形式的雌雄同体均零散地出现在硬骨鱼的整个进化树中，提示鱼类在生殖模式上的多重进化起源和高度的进化可塑性。因此，鱼类是研究脊椎动物性别决定和分化的良好模型[19-21]。

2 鱼类性别决定

2.1 鱼类性别决定的遗传基础

2.1.1 性别决定主效基因 性别决定基因在不同种鱼类间具有高度遗传变异，包括参与性别决定的基因数量及它们间的关系。目前，已经在鱼类中记录了一些主要的性别决定基因，包括dmY、gsdf、amhy、amhr2、sox3和sdY等。dmY是青鳉Oryziaslatipes的性别决定基因，是在性别分化前和睾丸生殖细胞周围的体细胞中表达的转录因子，也是在鱼类中描述的第一个性别决定基因，参与生殖细胞的增殖和前支持细胞向支持细胞的发育[22]。gsdf、amhy和amhr2是TGF-β超家族成员，参与控制细胞增殖的细胞信号转导通路[23]。其中，gsdf是性别决定级联通路中dmY的下游基因，是弓背青鳉Oryziascuzonensis性别决定主要基因[24]。amhy在银汉鱼OdonthesteshatcheriXY雄性个体性腺分化过程中性腺支持细胞中表达，该基因在雄性发育的级联中位于amh上游，是一种雄性性别决定基因[25]。amhr2在红鳍东方鲀Takifugurubipres生殖细胞周围的体细胞中表达，被认为是该物种的性别决定基因，该基因在X染色体中的amhr2激酶结构域中含有一个特异性SNP变异，使其对amh激素的亲和力较低，从而在其纯合时性别为雌性(XX)[26]。Sox是一类重要的转录调控因子，是由众多具有 HMG-box 保守基序构成的超基因家族。研究发现，sox3基因在恒河青鳉OryziasdancenaXX 个体中过表达或在 XY 个体中缺失均会导致性逆转的发生，被认为是恒河青鳉的性别决定基因[27]。sdY与虹鳟Oncorhynchusmykiss的SEX基因位点连锁，是诱导其睾丸分化所必需的[28]。在其他多种鱼类中也曾报道了许多关于性别决定基因的研究，如斑马鱼Daniorerio[29]、半滑舌鳎Cynoglossussemilaevis[30-31]、尼罗罗非鱼O.niloticus[32-33]等(表2)。

鱼类性别决定基因的多样性突出了性腺在未分化阶段可选择多种方式来改变并驱动性腺的发育方向，当然有一些基因由于其在发育级联中的突出地位而被高度利用[23]。如在青鳉和半滑舌鳎中发现的dmrt1及其相关基因，在包括鸟类和两栖动物在内的不同脊椎动物中也有报道[34-35]，这验证了与发育初期相关基因的适应性有关的趋同进化过程。此外，研究还发现，该基因以不同的方式在XY或ZW系统中发挥作用(鸟类、蛙类、青鳉类、半滑舌鳎)，显示出较强的可塑性[30,36]。另外，gsdf1、amh1和amhr2基因在雄性通路发育初期被激活[23]。与之前在其他脊椎动物中的发现相反，gsdf1、amh1和amhr2并不是参与细胞信号转导控制细胞增殖的转录因子[23]。而且虹鳟的主要性别决定因子sdY是一种功能未知的性别决定基因，其编码肽链的羧基末端与干扰素相关基因同源，这说明性别决定过程中发挥作用的基因来源广泛[28]。

表2 已报道的鱼类性别决定主效基因

2.1.2 多基因性别决定 除了具有单一的性别决定主基因的物种外，许多鱼类还表现出两个甚至多个在性别决定中起着重要作用的基因(或基因组区域)。在罗非鱼中，LG1和LG3上分别有两个主要的雄性和雌性决定基因[32]；剑尾鱼属Xiphophorus鱼类具有一个包含X、Y和W性染色体的多因子性别决定系统[37]；在马拉维湖的丽科Cichlidae鱼类中，LG5和LG7上有两个主要的性别决定系统，其中LG5具有雌性上位显性因子[38]。多基因性别决定系统在其他鱼类中亦有报道，如欧洲鲈Dicentrarchuslabrax[39]和斑马鱼[40]等。

目前，新一代测序技术(NGS)的发展使得鱼类性别决定的研究成本大幅降低，多基因性别决定系统的研究得到不断推进。限制性内切位点相关DNA测序(RAD)，是一种结合了NGS强大功能和通过限制性内切酶消化简化基因组的测序技术[41]，能够进行密集的基因组筛选以研究多基因性状的遗传结构[42]。目前，该方法已被用于斑马鱼性别决定基因的研究[43]，并在大西洋庸鲽Hippoglossushipoglossus和尼罗罗非鱼中用于识别与性别相关的基因组区域[44-45]。此外，利用RAD测序技术进行SNP挖掘和基因图谱构建，将有助于在候选区域获得密集图谱，从而更精确定位，加速性别决定基因的识别鉴定，开发与性别决定位点紧密相关的分子遗传标记，用于快速跟踪后代性别检测并应用于单性群体生产，以提高水产养殖生产力[46]。

与NGS方法相关的基因表达研究对于理解形态发生效应与潜在遗传网络间的关系也至关重要。微阵列技术是一种用于检测性腺分化过程中基因表达谱的强大工具[47]，但转录组测序技术(RNA-seq)因其更高的敏感性、准确性并能提供与表达差异相关基因变异的额外信息而被广泛应用[48]。基因表达的表观遗传调控也为基因与环境的相互作用及可塑性发育提供了一个新的研究方向[49]，是一个具有广泛跨学科适用性的新兴研究领域。

2.2 鱼类性别决定的环境因子

鱼类性别除了受基因决定外，一些环境因子同样具有性别决定作用。在环境型性别决定(ESD)中，两性间最初的差异是由环境因子差异引起的[50]。银汉鱼是第一个描述了温度依赖型性别决定(TSD，ESD的一种形式)的鱼类物种[51-52]。温度是对鱼类性别决定影响最大的环境因子[53-54]，其影响可在分化的不同时间点进行。高温通常倾向于产生更多的雄性，低温在某些情况下无影响或产生更多的雌性[53]。虽然学界已提出了几个假设，但联系温度和性别比例的最终机制仍不清楚。温度介导的芳香化酶表达的表观遗传调控也被提出，有研究证实，芳香化酶启动子的高度甲基化与欧洲鲈热敏期的高温有关，提示该物种的性别分化受表观遗传控制[55]。这一领域的许多研究在实验室条件下证明了环境因素的影响，在某些情况下甚至较强烈，但并不一定反映该物种在自然界中的情况[53]。鱼类中TSD的存在显示了性腺发育的可塑性[54]。

除温度是对鱼类性别决定影响最大的环境因子外，还有一些环境因子影响着鱼类性别决定和分化，如pH、种群密度、含氧量等。研究人员发现，剑尾鱼Xiphophorushelleri在pH为7.2时全部发育成雄性，而pH为7.8时绝大多数(98%)发育成雌性[56]；紫鲷Pelvicachromispulcher在pH为4～5时90%向雄性转变，而在中性条件下则向雌性转变[57]；日本鳗鲡Anguillajaponica在高密度养殖时会产生较高的雄性率[58]；叉尾斗鱼Macropodusopercularis在单独饲养时倾向发育成雄性，而群体饲养则分化为雌性[59]；斑马鱼在缺氧(0.8 mg O2/L)条件下雄性比例高于对照组(5.8 mg O2/L)，含氧量的变化也可影响其性别比例[60]。

群体内的社会互动是雌雄同体物种性别决定的重要环境因子[8]。在这些情况下，大脑是群体社会信号转化为生理信号的主要参与者[61]。虽然这不是发育初期性别决定的机制，但却是鱼类性腺发育可塑性的一个很好的例子，也是成鱼已分化性腺中存在双潜能原基细胞的证据[62]。

3 性别控制研究在鱼类养殖中的应用

在许多鱼类中，一种性别比另一种性别生长得更快或成熟得更早，这些差异在水产养殖条件下更加明显[63-64]。性别相关的生长差异会产生个体大小差异，因此，必须对其按照个体大小进行筛选，以避免同类相食或大小等级影响群体社会关系[65]。这意味着需要更多的生产场地以适应不同生长状态的群体[64]。性别二态性有的是以雄性为优势性别(如罗非鱼)，有的是以雌性为优势性别(如比目鱼、鲈等)。大菱鲆雌鱼比雄鱼大50%[66]，尼罗罗非鱼雄鱼比雌鱼生长快40%～50%[67]。在其他情况下，如欧洲鲈在饲养条件下雄鱼偏多[68]。目前，研究者对鱼类性别控制方法已进行了广泛研究[69]。

在这种情况下，性别相关标记对于早期鉴定非常有帮助，特别是对于那些无明显形态二态性的物种。这有助于在遗传育种中识别潜在繁殖后代的性别，并避免在选定的种群中出现性别偏倚。然而，目前与性别相关的标记物最多的应用是在激素处理后，鉴定发生性别转变个体的遗传性别，以加速建立单性别群体的进程[70]。有效的性别相关标记物和性别决定关键基因可以使分子标记辅助育种(MAS)和基因辅助育种(GAS)更为便捷有效。下面以养殖业中具有明显性别二态性的两个主要品种为例介绍性别控制在生产上的应用。

3.1 罗非鱼

罗非鱼类群包含80多种丽鱼科鱼类(Cichlidae，鲈形目Perciformes)，是非洲和中东的特有种，但已被引进到大多数热带和亚热带国家进行水草控制和水产养殖。罗非鱼养殖被认为是改善发展中国家蛋白质供应的一种重要资源，在日本、美国、欧盟等发达国家也有重要的市场。罗非鱼养殖是增长最快的养殖产业之一，是养殖鱼类中仅次于鲤类的第二大重要群体，也是养殖最广泛的鱼类，主要养殖品种为尼罗罗非鱼，目前，中国罗非鱼养殖规模较大且技术处于领先地位。

罗非鱼具有一种重要的性别二态性，其雄鱼相较于雌鱼具有显著的生长优势。此外，罗非鱼的性成熟期较早(尼罗罗非鱼4～5个月大时性成熟)，雌鱼在生长期间连续产卵，导致生长发育迟缓[71]，使得同一养殖水体个体生长发育不同步，大小参差不齐。在一定条件下，养殖全雄罗非鱼可以提高产量和成品鱼规格，所以尼罗罗非鱼的养殖生产上迫切需要单性苗种。

单性养殖可以通过几种不同的途径获得，包括人工分离雌雄个体，种间杂交以生产全雄性后代，或使用激素进行人工性逆转。在罗非鱼养殖中最常见的方法是在性别未分化的鱼苗饵料中添加17α-甲基睾酮进行投喂，可获得98%以上的雄性率[71-72]。然而，销售激素处理过的鱼也可能面临食品安全和健康问题，尽管在其他国家可能允许使用激素，但欧洲市场的食品安全条例通常禁止直接使用激素。要解决这个问题，可将性逆转的方法与一种育种方案结合起来，对尼罗罗非鱼来说，通过性逆转的假雌鱼(XY)与正常雄鱼(XY)杂交生产超雄鱼(YY)，最后通过超雄鱼(YY)与正常雌鱼(XX)杂交生产遗传全雄鱼苗(XY)，并通过使用性别连锁DNA标记来区分XX、XY或YY个体来加速这一生产过程。

用常规的染色体检测技术无法识别罗非鱼的性染色体。多数种类的罗非鱼有22对染色体，但未发现异型性染色体对。相关研究表明，罗非鱼的性别由位于连锁群LG1、LG3和LG23的关键基因决定[32,73]。另外，不同种的罗非鱼中，异配型的性别可以是雄性也可以是雌性。目前，已经在罗非鱼中报道了ZZ/ZW和XX/XY两种系统，其中，尼罗罗非鱼和吉利罗非鱼O.zillii为XX/XY系统，马来亚罗非鱼O.mariae、奥利亚罗非鱼O.aureus、卡朗罗非鱼O.karongae和坦噶尼喀罗非鱼O.tanganicae为ZZ/ZW系统。在某些奥利亚品系罗非鱼中同时具有两个分离的基因座，且ZW基因座对XY似乎是异位显性(ZW/XY个体是雌性)[74]。在莫桑比克罗非鱼O.mossambicus中，性别决定位点位于LG1[75]。也有学者发现，在LG1和LG3上均存在性别连锁标记[32]。这些差异可能是由这些研究中使用的家系和品系不同的遗传背景决定的[75]。不同种间性别决定的差异表明，除环境因素的影响外，次要遗传因子与关键基因相互分离并相互作用[54]，暗示可以将性别决定作为一种数量性状来对待，并采用QTL检测进行研究[76]。

罗非鱼主要养殖品种为尼罗罗非鱼(吉富品系)[77]。大多数数据表明，LG1是该物种的性染色体[32]，最近通过对LG1上一个1～2 Mbp大小区域的RAD测序，进一步精确了性别决定区的位置[45]。然而，在尼罗罗非鱼及其杂交鱼(尼罗奥利亚)的LG3和LG23上也发现了其他与性别相关的标记[76]。同时，连锁分析表明，遗传因子与性别决定对温度的敏感性有关[78]。

在LG1上发现的与性别密切相关的基因组区域包含10个在其他物种中与性别决定无关的基因，以及2个对个体进行性别鉴定非常有用的SNP位点，对生产全雄性群体很有价值[45]。然而，这些标记中有一些标记与不同群体或品系的性别无关，因此，在应用之前需要对不同的连锁群进行多个标记的检查。目前，大多数关于尼罗罗非鱼性别决定的研究均以埃及曼扎拉湖原产的尼罗罗非鱼为对象，但现在尼罗罗非鱼已在全世界范围内广泛养殖，一些新的变异正在出现，这也进一步要求在对特定群体进行性别鉴定之前要检测性别连锁标记的可用性和有效性。

3.2 大菱鲆

大菱鲆显著的生长二态性促成了产业对全雌群体的需求。在分析有丝分裂和高分辨率减数分裂染色体后，均未发现性别相关的核型异型性[79]。这说明大菱鲆的性别决定区较小或不够大，无法用普通细胞遗传学技术检测到。相关研究中，用100个均匀分布的微卫星进行的QTL筛选鉴定了LG5近端区的主要性别决定区域，位于两个标记之间，间隔17.4 cM[80]。在对所有品系中Sma-USC30微卫星位点的分离分析表明，母本决定子代性别，说明其具有ZZ/ZW系统[80]，这与激素性转的父母本产生的后代的性别比例一致[81]。然而，Sma-USC30微卫星位点的性别关联性在不同的家系中也存在差异(84%～100%)，在LG6、LG8和LG21中也检测到其他较小的QTL。此外，温度对性别比例也有一定的影响[81]，雄性比例随温度升高而增加[53]。

利用Sma-USC30微卫星标记，在分析的4个家系中，有98.4%的个体可以正确鉴定[80]。这对于开发大菱鲆早期性别鉴定的分子工具至关重要。由于大菱鲆的性别要到成熟后才能确定，因此，早期的性别鉴定在育种程序中非常关键，可以用来估算所选后代的性别比例。这一分子工具对全雌群体的获得也是必不可少的。由于大菱鲆表现出一种ZW机制，获得全雌性种群需要一个三代谱系，从激素性转的ZW假雄鱼开始，直到在第二次杂交后代中获得WW超雌鱼，这些超雌鱼在与正常ZZ雄鱼杂交后，产生全雌性后代。

与性别决定密切相关的遗传标记的利用，可以通过剪鳍条在不造成损伤的情况下提前检测幼鱼的基因型性别，从而为生产全雌性后代节省大量时间。然而这项技术仍然存在较多缺陷，需要进一步完善。首先，100%雌性大菱鲆往往无法获得，因为大菱鲆的性别还取决于其他次要的遗传和环境因素。其次，由于Sma-USC30微卫星位点是一个性别决定基因的连锁标记，不是性别特异性的标记，故需要建立SmaUSC-E30与品系水平性别的关联。最后，由于标记和性别决定间可能发生交叉，一些被选出的ZW假雄性或WW超雌性个体不会显示出预期的遗传结构。尽管其不完善，但这一工具已被一些大菱鲆养殖企业使用，取得了不错的效果。

研究表明，包含约600个标记的更密集的遗传图谱的构建[82]，含有生殖和免疫基因的丰富数据库的获得[83]，以及最近组装的大菱鲆基因组[84]，使得性别决定区域的分析更加精细，可以识别性别决定基因，分析其与前期发现的可能QTL间的关系，并推进性染色体进化的研究[46]。精细图谱的构建已经将性别决定基因的定位精确到几千碱基，使得更多与性别决定基因密切相关的基因标记被发现，从而促进了性别的早期鉴定。此外，这些研究工作还为新品系中LG6、LG8和LG21上次要性别决定因子的存在提供了支持依据，并证明次要因子和主要性别决定 QTL间存在相互作用。

4 问题与展望

鱼类的性别决定受主要遗传因子的影响，其他一些遗传因子和环境因子也会通过一种复杂的相互作用来影响性别，因此，研究人员认为可以将性别视为鱼类的一种复合特征，并且不同的鱼类具体情况不同。在过去的十几年里，鱼类性别决定及分化相关基因的研究已取得了巨大进展，但鱼类性别决定及控制的应用研究方兴未艾，仍有许多值得深入研究的问题。

(1)表观遗传学在鱼类性别分化研究中的应用。不改变基因的序列，在通过对基因的修饰来调控基因的表达是当前转录水平基因表达调控研究的热点之一，目前已知的有DNA甲基化、基因组印记、母体效应、基因沉默、核仁显性、休眠转座子激活和RNA编辑等。基因表达的表观遗传调控为基因与环境的相互作用以及性别可塑性发育提供了一个新的研究方向。

(2)性别连锁分子标记的深入开发和优化。在生产上，目前也已经能够将基因组测序遗传连锁图谱构建应用到分子标记辅助育种中来加速获得目的性别的单性群体，推动水产养殖业发展。但目前开发的性别连锁分子标记在同一物种不同群体中的可用性、稳定性和有效性仍需提高，这个问题也必将成为未来相关领域学者关注的热点方向之一。

(3)遗传操作调控鱼类性别的应用研究。近年基因编辑技术的发展使得其在模式动植物中展现出显著的优势，尤其在作物性状改良方面效果显著，在水生动物中的相关研究工作也已经展开。国内外已有学者通过TALEN和CRISP/Cas9在罗非鱼中突变了许多对性别决定和分化至关重要的基因，并建立了基因敲除系。但该技术与罗非鱼商业生产的联系并不紧密，尚停留在实验室阶段，然而随着研究的深入，相信建立基因组编辑方法对提高养殖效率具有巨大潜力。

总的来说，开展性别分化机制和性别控制的研究对于鱼类尤其是具有显著雌雄二态性的鱼类基础研究和产业发展均有积极的推进意义。