大型海藻育种技术研究进展及其应用
2023-12-20王文磊纪德华谢潮添
王文磊,徐 燕,纪德华,谢潮添*
(1.集美大学水产学院,福建 厦门 361021;2.福建省水产生物育种与健康养殖工程研究中心,福建省发展和改革委员会,福建 厦门 361021;3.集美大学,农业农村部东海健康养殖重点实验室,福建 厦门 361021;4.集美大学水产学院,海水养殖生物育种全国重点实验室,福建 宁德 352100)
我国的大型海藻栽培产业是从20 世纪50 年代在老一辈海藻学家的努力下,先后突破了海带夏苗培育法、紫菜半人工和全人工育苗技术之后形成的[1]。如今,我国已成为海藻栽培生产大国,在产业规模、产量、产值、从业人员数量、栽培种类等方面均位居世界首位,为化工、海洋药物、水产动物养殖等产业提供了充沛的生产要素,也丰富了人们的健康食品来源,成为了“海洋牧场”和“蓝色粮仓”的重要组成部分,创造了显著的经济价值,同时在推动乡村振兴、提供就业岗位以及增加居民收入等方面也创造了极大的社会价值。
大型海藻作为海洋初级生产力,在生长过程中能大量吸收海水中的氮、磷和CO2,同时排出O2,在消除近海水域富营养化,调节海洋生态平衡,扩大养殖动物容量,增加碳汇等方面发挥着极为重要的作用。在国家海洋生态环境保护、海洋生态文明建设和国家双碳战略实施的大背景下,大型海藻产业的持续稳定发展将发挥良好的生态效益,有力支撑海洋产业的绿色低碳发展。
尽管60 多年来,我国的海藻产业实现了快速发展,但产业发展主要是建立在规模扩张的基础上,栽培良种培育率低和栽培品种退化仍然是产业面临的主要问题,不仅造成产量下降、病害频发、品质降低问题,而且严重制约了栽培产业的健康发展。优良品种是实现养殖业健康高效发展的基础,也是海水养殖产业核心竞争力的直接体现,通过良种实现高质量发展是我国大型海藻产业可持续发展的必然选择。为此,本文介绍了大型海藻产业的特点、近60 年育种技术进展和育种成果,并针对大型海藻育种技术现状和未来发展趋势提出了相关建议,以期为大型海藻育种研究提供参考。
1 大型海藻产业特点
1.1 全球最活跃的渔业产业之一
据统计,全球大型海藻产量超过3 200 万t (湿重),占海水养殖总产量的51%,且近20 年保持年均约4% 的增长率(2000—2020),是渔业整体增幅的2 倍以上[2],在沿海经济和社会发展中发挥了重要支撑作用。2022 年,我国的海带(Saccharina japonica)、紫菜(Porphyraspp.)、裙带菜(Undaria pinnatifida)、江 蓠(Gracilariaspp.) 以及羊栖菜(Hizikia fusiformis)等海藻的栽培总面积为134 978 hm2,年产量达到2 498 824 t(干品)[3],全球占比超过50%。从北到南,大型海藻栽培已经成为了我国许多沿海县市的支柱产业,吸纳了大量劳动力,为渔村振兴和稳定居民收入做出了提出贡献。
1.2 养殖贡献率高
我国水产养殖业已成为农业和食品产业中增长率最快的产业[4]。其中,大型海藻产品主要来源于人工栽培,占比接近100%,野生收获量近可忽略[3],远高于其他水产动物养殖对产品总量的贡献。
1.3 规模化养殖对象少
全球所产大型可食用藻类超过50 种,我国可栽培种类约20 种,但目前实现大面积规模化栽培(超过500 公顷)的大型海藻只有海带、条斑紫菜(P.yezoensis)、坛紫菜(P.haitanenesis)、裙带菜、龙须菜(Gracilariopsis lemaneiformis)、羊栖菜6 种,这6 个养殖对象的产量占大型海藻总产量的95%以上[2-3],其他大型海藻的人工栽培规模还有待进一步发展。
1.4 养殖区域集中
目前,亚洲是大型海藻的主要栽培地区,贡献了99.54%的全球海藻产量[2]。其中,中国和印度尼西亚的大型海藻产量分别占全球总产量的59%和27%,其他亚洲国家占比约12%。相比其他国家,中国大型海藻产量不仅规模最大,栽培对象的类型为也最为丰富,包括海带、裙带菜、长心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii)、龙须菜、坛紫菜-和条斑紫菜、羊栖菜、红毛菜(Bangia fuscopurpurea)、琼 枝(Betaphycus gelatinae)、浒 苔(Ulva prolifera)、脆江蓠(Gracilaria chouae)、细基江蓠繁枝变种(G.tenuistipitata var.liui)、菊花心江蓠(Gracilaria lichevoides)、长心葡萄蕨藻(Caulerpa lentillifera)以及石花菜(Gelidium amansii)等[1]。
1.5 发展前景广阔
相比于水产养殖动物而言,藻类栽培的主要区别之一是不需要“投饵”,反而可以作为鲍鱼、海参等重要养殖对象的主要饵料藻。其次,大型海藻可以快速吸收无机氮和磷,防止海水富营养化;同时,还可以通过光合作用改善海区贫氧环境。第三,大型海藻是蓝碳的主要物种,据统计,每年栽培海藻大约去除605 830 t 碳,70 615 t 氮和8 515 t 磷;捕获344 128 t 碳,产生2 533 221 t 氧气[5]。第四,不与陆地作物争夺土地资源,但可以提供优质植物蛋白,且发展栽培面积巨大。因此,大型海藻栽培业符合全球可持续发展的目标和要求[6]。按照近20 年平均4% 的增长率,预计到2050 年,全球海藻养殖产量将达到1.167 6 亿t,是目前产量的3.3 倍。而且,如果按照日本的海藻食用标准(每人每天5.3 g 干海藻),大型海藻栽培的增长潜力会更高[6]。由于大型海藻的多样化应用,2023 年“中央1 号文件”明确指出要培育壮大海藻产业(《中共中央国务院关于做好2023 年全面推进乡村振兴重点工作的意见》)。韩国也设置了“金种子计划”等项目,以增加对海藻新品种选育的研发投入[7]。有了政策和经费支持,大型海藻栽培产业的发展前景将越来越广阔。
2 大型海藻育种技术
我国是世界上最早开展海藻遗传育种理论、技术研究与育种应用的国家。20 世纪60 年代以来,国内多个科研院所在全球率先开展了以海带、紫菜为代表的藻类遗传育种研究,早期主要采用的是传统的选择育种技术,以群体或个体为研究对象,首先在自然群体中筛选个体大,色泽好,性状明显的个体为苗种进行采苗,以后发展到从栽培群体中筛选性状优良的个体进行留种栽培,经生产检验后推广。随着科学技术的发展和对海藻生物学特征认识的逐步加深,诱变育种、杂交育种和细胞工程育种等育种技术也逐步在海藻育种中应用,形成了较为完整的常规育种技术体系。
2.1 选择育种
选择育种技术是通过从野生群体或人工栽培群体中选取具有优良性状的叶状体作为亲本,并通过连续几代的栽培,重复选择性状优良的叶状体,直到形成新品种(系)。中国最早开展了藻类的选择育种,1962 年,方宗熙等[8]利用定向选择和连续自交技术选育了海带新品种“海青一号”。海带“海农1 号”是以2014 年从山东威海荣成俚岛海区海带养殖群体中藻体基部及中部平直的20 株个体为基础群体,以产量(鲜重)为目标性状,采用群体选育技术,经连续4 代选育而成,于2023年通过审定(http://www.moa.gov.cn/govpublic/YYJ/202307/t20230725_6432818.htm)。日本藻类学者以人工栽培群体为亲本,经过多次选育培育出了具有稳定遗传性状的紫菜良种“奈良轮条斑紫菜”(P.yezoensis f.narawaensis)和“大叶甘紫菜”(P.tenera var.tamatsuensis),这两个新品种的选育和推广加快了日本藻类产业的健康发展[9]。骆其君等[10]结合选择育种技术和细胞工程育种技术培育出的坛紫菜“浙东1 号”于2015 年通过审定,该新品种具有藻体厚、产量高的特点,主要在浙江和闽北沿海推广栽培。此外,韩国超过85%的大型海藻新品种培育以选择育种技术为主[7]。由此可见,选择育种是大型海藻育种研究最早、使用最广泛的技术,这主要是由于大型海藻藻体表型性状易于观察和挑选,同时选育过程在海区进行[11],可以有效地选育出区域特适新品种。虽然常规选择育种目前仍然是大型海藻新品种选育的主要技术手段之一,但是紫菜选择育种目前还无法依据性状的遗传学基础进行[12]。因此,大型海藻新品种的选育周期长且效率低。
2.2 诱变育种
藻类诱变育种技术是指利用物理和化学方法诱发藻体产生遗传变异,从而在短时期内获得有价值的突变体的育种方法。诱变育种操作简单、易产生性状突变,对于遗传多样性较低、种质资源少的物种育种工作尤为重要[13]。因而,诱变育种技术同样被广泛应用于大型海藻新品种选育过程中,已成为获得大型藻类新种质的重要技术手段。在诱变育种技术方法中,60Co-γ 射线物理诱变和N-甲基-N′-硝基-N-亚硝基胍(MNNG)化学诱变已被证实可以对紫菜叶状体进行有效诱变。严兴洪团队利用60Co-γ 射线诱变技术培育出了我国第一个紫菜新品种坛紫菜“申福 1 号”以及“申福 2号”[14-16]。坛紫菜“闽丰1 号”和“闽丰2 号”的亲本制备同样应用了诱变技术[17]。朱建一等[18]探究了诱变对条斑紫菜各个生长发育阶段的影响及其突变规律,并提出丝状体是最适合用于紫菜诱变的材料。基于此技术,江苏省海洋水产研究所联合常熟理工学院研究培育出了条斑紫菜新品种“苏通1 号”和“苏通2 号”[11]。集美大学谢潮添团队利用60Co-γ 射线诱变技术构建了坛紫菜突变体库,培育出包括长度、厚度、色泽等各具不同性状的突变体品系67 个[19]。在紫菜遗传操作技术体系不成熟的背景下,这一突变体库为紫菜重要性状遗传机制解析和亲本快速精准选择提供了难得的突变体材料。此外,诱变育种也是龙须菜新品种培育的主要育种技术。龙须菜新品种“981”和“2007”的培育均进行了化学(MNNG) 诱变处理。其中,“2007”是以“981”为基础材料经诱变选育获得,该新品种在耐受高温、琼胶含量和品质等方面均优于“981”[20-21]。
2.3 杂交育种
种内杂交 杂交育种是选育海藻新品种的重要而有效的方法之一,可以通过有目的地选择亲本,发挥杂交重组优势,从而实现父母本各自优良性状在子代上的聚合[22-23]。海带新品种东方红系列、“901”、“单海1 号”以及“荣福”等,紫菜新品种“苏通1 号”和“苏通2 号”,“闽丰1 号”和“闽丰2 号”,“申福1 号”和“申福2 号”,裙带菜新品种“海宝1 号”和“海宝2 号”均应用了杂交育种技术。例如,方宗熙等[24]利用海带雌性配子体与杂种海带雄配子体杂交后,经过4 代连续单株自交选育,培育出了第一个海带杂交新品种“单海1号”。陈昌生等[15]通过坛紫菜野生选育型和色素突变体进行杂交,培育出了高产、耐高温性强的坛紫菜新品种“闽丰1 号”,以及耐高温、优质和高产的“闽丰2 号”[17]。裙带菜新品种选育技术同样以杂交育种为主,主要包括配子体克隆杂交子一代的直接利用和配子体克隆杂交与累代定向选育相结合[25]。
种间杂交 藻类育种工作者还实现了大型海藻的种间杂交,例如,吴宏肖等[26]通过坛紫菜与印度产紫菜(Pyropia radi)的杂交,从杂交子代中选育出了具有生长快、品质好、壳孢子放散量大等优良性状的新品系HR-6。科研人员利用长海带(S.longissima)的雌配子体与“早厚成1 号”的雄配子体杂交,再经过连续5 代的自交,培育出了具有高产、耐高温以及抗衰烂等性状的海带新品种“901”[27]。张泽宇等[28]构建了包括6 种海带:日本群体海带(S.japonica)、鬼海带(S.diabolica)、利尻海带(S.ochotensis)、长叶海带、二石海带(S.angustata)和皱海带(S.religiosa)配子体在内的24个种间杂交组合,从中获得了18 组F1 代孢子体,其中有13 个杂交组合在叶片长度上表现出超亲优势,9 个组合在叶片宽度上表现出超亲优势。Druehl 等[29]评估了7 种东北太平洋海带间的杂交效果,结果显示,在Macrocystis integrifolia和Nereocystis leutkeana之间的杂交中,当Nereocystis leutkeana是雌性亲本时产生的假定杂交种具有强壮的柄,叶片光滑,边缘无明显刺凸;而Eisenia arborea和Lessoniopsis littoralis之间的杂交获得了最接近雌性亲本的假定杂交种,当E.arborea是雌性亲本时,假定的杂交种具有平坦的叶片,刺发育较弱;当L.littoralis是雌性亲本时,子代为由分生组织发育而来的具有较少分枝的藻体。这些种间杂交育种尝试为培育海藻新品种提供了理论参考。
远缘杂交 20 世纪80 年代末,中国海洋大学创建了海带物种间杂交以及远缘杂交育种技术,克服了海带种间远缘杂交不育,利用太平洋物种海带(S.japonica)雌配子体克隆与大西洋物种糖海带(S.accharina)雄配子体杂交后,经连续选育,培育出首个利用远缘杂交育种方法进行育种的海带新品种“远杂 10 号”,较普通品种增产约30%[30]。方宗熙等[31]等将中国海带种群雌配子体克隆与德国糖海带雄配子体克隆杂交后发现了较强的杂种优势,利用该杂种优势子代与海带品种杂交,经过连续2 代选育,培育出了海带新品系“单杂10 号”。此外,李晓丽[32]还尝试进行了裙带菜和海带的远缘杂交,通过海区实验筛选得到了具有明显生长优势的裙♀×海♂F1孢子体。由此可见,相比选择育种和诱变育种技术,杂交育种提高了藻类新品种培育的效率。
2.4 细胞工程育种
由于紫菜的减数分裂发生在壳孢子萌发时的第一次和第二次细胞分裂时期,因而最初的四个子细胞会“肩并肩”发育成线性嵌合体[33-34]。因此,无论是采用突变育种还是杂交育种方法,均需要对紫菜叶状体进行纯化,而纯化过程无疑增加了紫菜新品种培育的工作量和周期。幸运的是,紫菜叶状体容易产生色素突变体[14,35-38],而不同颜色可以作为标记鉴定嵌合藻体中不同遗传背景的藻块。之后再利用体细胞克隆技术制备获得纯系藻体,即将某一色块藻体进行酶解获得原生质体(n)[39-40],原生质体经饥饿诱导,即可诱发染色体自动加倍发育成双单倍体纯合丝状体(2n),丝状体成熟后放散出壳孢子,壳孢子经过减数分裂后再发育成叶状体[41]。为了确保获得纯系藻体,新品种选育过程中至少需进行四代纯化[17,42]。
同样,早在1973 年,方宗熙等[43]就发现,海带雌配子体在排卵后,可不经受精在第1 和第2 次细胞分裂期时染色体加倍,进而发育成孢子体,即孤雌生殖;而且海带雌配子体通过孤雌生殖产生的后代可以放散孢子,说明其后代是可育的,因此,雌配子体的这一特点可以被用于单倍体育种[44]。方宗熙等[24]利用孤雌生殖的孢子体作为母本与正常的雄配子体进行杂交,经过4 代自交选育后培育出了“单海1 号”海带新品系。相反,海带雄配子体细胞直接发育成孢子体的现象称为无配生殖。但戴继勋等[45]研究发现,海带雄配子体虽然可以发育成孢子体,但大多数是畸形孢子体,染色体数目仍保持单倍型,且高度不育。
2.5 多倍体育种
张泽宇等[46-47]利用切除假根培养的方法从裙带菜幼孢子体中诱导出2n 配子体后,将其与正常配子体进行杂交得到了裙带菜3n 和4n 孢子体。海区栽培实验结果表明,与正常2n 裙带菜孢子体相比,3n 裙带菜孢子体具有明显的生长优势,但4n 裙带菜孢子体生长速度不如正常2n 孢子体;同时,3n 裙带菜孢子体在繁殖期内无孢子叶形成,表现出不育的特性;4n 孢子体虽然形成孢子叶,但孢子囊形成的数量少,发育水平也很低。之后,李晓丽[32]优化了裙带菜2n 配子体的诱导条件,研究了裙带菜2n 配子体的生长发育特性及大量保存和扩繁的培养条件,得到了大量裙带菜2n 配子体,为裙带菜3n 孢子体幼苗规模化培育提供了技术支持。同时,该团队首次利用海带孢子体体细胞诱导获得了2n 雌雄配子体,以此为基础获得了海带3n 和4n 幼孢子体。这些研究为利用多倍体育种方法培育海藻新品种提供了奠定了基础。
2.6 分子育种
目前,在所有分子育种技术手段中,分子标记辅助育种(molecular marker-assisted breeding,MAS)已初步应用到大型海藻新品种(系)选育过程中。分子标记辅助育种是借助与性状紧密相关的分子标记对具有性状优势的等位基因或基因型的个体进行直接选择育种。目前,基因/标记已运用到我国大多数水产养殖动物的种质鉴定和品种选育研究中,取得了较大的进步[48]。但大型海藻分子标记辅助育种研究尚处于起步阶段。
海带、条斑紫菜、坛紫菜、龙须菜和裙带菜的基因组结构和功能已被成功解析。其中,中国水产科学院黄海水产研究所和中国海洋大学先后于2015 年和2019 年完成了海带基因组测序工作[49-50];中国海洋大学和宁波大学分别于2019 年和2022 年完成了坛紫菜基因组测序工作[51-52];日本国家渔业科学研究所和中国海洋大学分别于2013 年和2020 年完成了条斑紫菜的基因组测序工作[53-54];中国科学院海洋所和韩国成均馆大学分别于2020 年和2021 年发表了裙带菜基因组测序结果[55-56]。韩国成均馆大学还解析了龙须菜的基因组结构和功能[57]。这些经济海藻的基因组结构和功能解析为绘制相应海藻的高密度遗传连锁图谱,解析生长和品质性状遗传调控机制提供了强有力的数据支持。科研人员还构建了海带[58-60]、紫菜[61-62]和裙带菜[63-64]的遗传连锁图谱,并初步实现了部分性状的QTL 单位,开发了长度、重量、性别以及颜色等性状相关的分子标记。但由于这些经济海藻的染色体级高质量基因组解析晚又少、群体子代少、高通量表型精准测定技术缺乏等原因,所构建的遗传连锁谱图不够“密”(平均标记间隔为0.69~13 cM),获得的QTL 定位不够精细,因而筛选出的连锁标记尚无法应用于实际育种中。集美大学坛紫菜遗传育种与应用团队构建了坛紫菜双单倍体(DH)群体(包含480 个纯系子代),利用极端混池测序(BSA)和分子生物学方法鉴定到了与坛紫菜藻体长度、厚度以及颜色紧密连锁的分子标记,并利用厚度和颜色分子标记(未发表),结合常规育种技术选育出了一个藻体薄、野生色且生长速度快的新品系W28,目前正在海区开展生产性能测试[42]。此外,三海海带新品种通过杂交育种,以线粒体基因亲本鉴别技术和靶位区域扩增多态性(target region amplified polymorphism,TRAP)标记选择等核心技术,实现了叶片宽度性状和产量性状的有效改良,在综合生产性状方面取得了显著的遗传进展。总体来说,大型经济海藻分子标记辅助选择育种仍处于起步阶段,主要工作集中在育种群体材料的遗传多样性和遗传结构分析、亲缘关系分析和种质鉴定上[65],育种可用的分子标记非常少。
相比于分子标记辅助育种,大型海藻藻类基因工程育种研究尚处于探索阶段。在20 世纪 90年代初,王素娟等[66-67]利用电穿孔法实现了GUS基因在坛紫菜原生质体中的瞬间表达;同一时期,海带转基因系统也被初步建立,即以SV40 为启动子,CAT 基因为选择标记,通过基因枪法实现了在孤雌生殖海带中的成功表达。之后,条斑紫菜GUS 基因[68-69]、PyLHCI 基因[70]、碳酸酐酶γCAL1[71]等基因,海带绿色荧光蛋白GFP、瑞替普酶rt-PA 和鲎素基因tac 等基因[72],裙带菜瑞替普酶基因rt-PA[73]和β-半乳糖苷酶基因(lacZ)[74]等基因的表达系统逐渐被建立,为进一步完善大型海藻的转基因操作技术,研究紫菜基因功能提供了技术支撑。值得高兴的是,中国海洋大学Zhang 等[75]利用基因枪直接转化蛋白质核酸复合体的方法在龙须菜中实现了CRISPR/ LbCas12a 基因编辑,并证实了单链构象多态性分析有助于在大量野生型细胞中筛选编辑结果。但目前关于大型海藻基因工程的理论和技术研究及其育种应用仍有待加强。
3 大型海藻新品种选育
种业是农业的“芯片”,是国家战略性、基础性核心产业。作为增速最快、产量最高的渔业产业,近几年我国大型海藻的栽培面积逐渐稳定,维持在14 万hm2左右,但产量整体上在逐年增加[3,76-79],充分体现了大型海藻新品种和栽培新技术对产业的贡献度在逐渐增加。我国于20 世纪50 年代开始进行了海带、紫菜的生物学特征、遗传改良技术和苗种培育的研究工作,历经60 多年的发展,经历了基础理论研究、育种技术研发、新品种选育与示范推广等发展阶段,海藻育种工作者利用选择育种、杂交育种、突变育种和细胞工程育种等方法先后培育出了24 个海藻新品种(表1)。其中,共选育出12 个海带和7 个紫菜新品种。裙带菜和龙须菜育种研究相对较晚,于19世纪80 年代开始,目前分别选育出2 个和3 个新品种。
表1 我国现有大型海藻新品种Tab.1
日本紫菜、裙带菜的发展时期、轨迹与中国类似,目前已审批13 个紫菜新品种,但裙带菜并没有培育出新品种。韩国大型海藻育种研究起步较晚,于19 世纪80 年代开展了紫菜、海带和裙带菜的育种研究,2012 年将海藻纳入植物育种产权保护政策,经过了40 几年的发展,经历了栽培面积快速增加、产量下降,育种扶持计划实施,育种理论和技术建立等发展阶段,目前已成功选育出15 个海藻新品种,包括9 个紫菜、5 个裙带菜以及1 个海带新品种[7]。但近几年,日本和韩国从事大型海藻育种研究的团队逐渐减少,新品种(系)培育数量不多。此外,卡帕藻和麒麟菜主要产于印度尼西亚、菲律宾等东盟国家,虽然其产量位居全球藻类产业第二位,但是其育种研究较为薄弱,目前仍然以营养繁殖为主。整体而言,我国开展大型海藻新品种选育工作早、物种丰富、性状多元、推广面积大,处于国际领先水平。
4 大型海藻分子育种研究展望
尽管我国已经建立了较为全面和系统的海藻常规育种技术,并培育出了多个新品种以及一系列的地方品种和优良品系,在一定程度上促进了大型海藻栽培产业的持续快速发展。但与陆生作物和水产养殖动物遗传改良工作相比,大型海藻的良种培育技术水平仍存在较大的差距,品种培育仍主要依赖于选择、诱变、杂交等常规育种技术。现代生物技术尚未发挥其提高育种效率的重要作用,分子标记辅助育种仍主要用于纯度或杂交子代的辅助选择,全基因组分子育种技术还未见报道,转基因技术和基因编辑技术仍然处于前期探索阶段,还无法实现外源基因的稳定转化、基因编辑和育种应用。因此,大型海藻育种仍然存在着精度差、效率低、周期长等问题,急需进一步围绕种质资源评价与发掘、基因组结构和功能解析、经济性状表型高通量精确测定、遗传参数评估、分子调控机制解析和分子育种理论和技术研发等瓶颈问题开展研究,构建现代育种技术体系来进一步提升大型海藻的育种技术水平与能力,以进一步推动其良种化进程。
4.1 大型海藻种质资源评价与发掘利用
种业创新的关键在于拥有优异种质资源的数量与质量,我国大型海藻种质资源极为丰富,但目前种质资源的收集、保存和发掘利用还处于起步阶段,已有的种质保存工作比较零散、缺乏系统性和规模化。种质资源收集保存种类和数量还不多,表型测量、精准鉴定与系统评价范围和规模还不广,标准也不统一,表型和基因型联合数据库尚未建立,对种质资源进行高效挖掘和利用的效率还相对偏低。亟待统一标准开展系统深入的研究,构建以种质资源数据和基因组数据为核心的大数据平台,发掘优异种质,为海藻种业发展提供种质基础。
4.2 大型海藻高质量基因组结构和功能解析
高质量基因组是重要经济性状遗传解析和优异基因挖掘利用的基础。虽然海带、坛紫菜、条班紫菜、裙带菜、龙须菜以及红毛菜[80]等经济海藻的基因组均已发表,但由于微生物污染、高GC 含量、高杂合度等因素,这些已公布的海藻基因组仍然存在序列缺失、污染序列混杂、功能注释不清等诸多问题,基因组质量仍有待提升[81]。目前发表的大部分共生体系(如珊瑚和藻类)的基因组组学研究主要是通过抗生素处理、混合样品DNA 测序组装序列后,跟已有的数据库比对的方法去除“污染”序列,但由于数据库不全或者物种间关系较远等因素,组装后的基因组序列中依然包含着共生生物的“污染”序列。基于机器学习建立的Symbiont-Screener 方法不需要参考基因组或数据库比对,巧妙地基于家系或近缘物种信息,利用机器学习的算法区分出宿主的三代测序数据(如Nanopore、PacBio)或共享条形码测序数据(如stLFR,10× Genomics)[82]。该方法已展示出对藻类基因组数据良好的去污染效果,并且可以开源获取(https://github.com/BGI-Qingdao/Symbiont-Screener)。因此,将Symbiont-Screener 方法与Meta-Hi-C、T2T 等现代高通量测序技术相结合,为大型海藻高质量基因组解析提供了有效选择。
4.3 大型海藻高通量表型测定技术开发
传统的大型海藻表型测定方法比较简单,主要通过肉眼观察和简单测量获得藻体外部物理性状数据,如藻体长度、宽度、厚度、柄长、鲜重以及形态等,存在工作量大、效率低以及精度低等缺点。自动化表型采集技术主要依赖影像学以及遥感技术采集植物的数字化影像,经过人工智能技术快速转化成研究人员所能理解的表型信息,该技术在植物分子育种中发挥了重要作用。虽然大型海藻的形态构造简单(未有严格意义上的根茎叶分化),但可直接获取的表型性状较少,同时受海水影响,高通量提取大型海藻表型性状难度较大,这严重阻碍了大型海藻表型组学和分子育种学研究的进展[83]。目前市面上的基于叶绿素荧光、高光谱以及多光谱等原理制造的植物表型自动化测定系统并不适合大型海藻表型数据提取,例如,现有的室内植物自动化表型测定设备很难检测几米长的海带、龙须菜甚至是紫菜藻体。因而,创新大型海藻高通量自动化表型采集技术,开发大型海藻表型高通量测定系统,将有助于关键性状的精准评价、精细定位和关键功能基因的挖掘。
4.4 大型海藻育种群体构建和遗传参数评估
对各经济性状遗传参数的准确评估,遗传变异和表型全面准确的鉴定,以及清晰地描述二者之间线性或非线性关系是实现大型海藻分子育种的基础。无论是全基因组关联分析选择育种(GWAS)还是全基因组选择育种(GS),均需要构建性状遗传变异丰富的人工或自然群体,只有群体内积累足够多的重组和突变信息,利用全基因组进行分子育种的分辨率才会显著提高。同时,大数据科学提升了遗传变异检测的效率和准确性,并在筛选动植物功能变异中起到了巨大作用。随着高通量测序技术的快速发展,遗传变异检测目标已从单个SNP 转向了结构变异和插入/缺失的等位变异[84]。此外,由于可以同时检测多个生物分子指标,液相芯片已被广泛开发用于陆生动植物和水生动物的遗传多样性评价、种质鉴定和新品种培育等研究中。因此,在高质量基因组解析和规模化群体构建的基础上,开发高密度育种芯片提升遗传解析能力,同时结合遗传力、育种值等遗传参数评价,利用BLUP、贝叶斯和机器学习等方法等进行遗传参数的准确评估,验证评估参数和算法的可靠性,可以实现海藻分子育种遗传参数的准确评估。
4.5 大型海藻重要经济性状的遗传解析和关键调控基因鉴定
阐明重要经济性状的遗传基础及调控机制是开展分子育种的基础和前提。大型海藻的重要经济性状主要包括长度、宽度、厚度、色泽、鲜重、干鲜比等外观和产量性状,呈味物质组成、糖组分、脂肪酸组分等品质性状,温度、盐度、抗病等抗逆性状。这些性状均受到多基因位点的共同调控,并且性状表达显著地受到环境条件(光照、温度、盐度、营养盐、流速等)和生长发育时期的影响,调控机制复杂。应在高质量基因组结构和功能解析的基础上,通过GS 技术利用个体间亲缘关系矩阵进行高效的性状预测和个体选择。同时,综合运用组学、遗传学、系统生物学和计算生物学等手段[85],解析大型海藻各性状的调控因子与分子网络,研究性状的基因组变异与表观变异规律及其应对环境变异的机制,从而阐明性状精准调控的分子机制,鉴定性状调控的关键基因。之后,利用人工智能模型准确预测相关遗传位点,为大型海藻分子设计育种提供靶位点。
4.6 大型海藻基因编辑体系构建
基因编辑技术可以实现育种的快速、精准和高效定制。相较于体外定向进化技术,基因编辑原位定向进化技术能够定向进化多数关键功能基因,以达到生物改良的目的[86]。目前,只有在龙须菜中实现了基因编辑[75]。因此,急需开展大型海藻基因编辑理论和技术研究,构建稳定的大型海藻基因编辑体系,快速优化组合天然变异,引入人工合成变异,进而创制突破性海藻新品种。
最终,集成种质资源保存和评价技术、高通量表型和基因型测定及其关联分析技术、关键基因鉴定和功能验证等技术,构建大型海藻的分子育种技术体系。
(作者声明本文无实际或潜在的利益冲突)