【智惠农民】合成生物学：水产育种发展的“助推器”

随着全球人口的不断增长和鱼类资源的日益减少，水产养殖业已成为全球最重要的食品来源之一。水产育种技术作为水产养殖业中的重要环节，一直受到广泛关注。近年来，随着合成生物学技术的发展，基于基因编辑和基因合成技术的新型育种方法也逐渐成为水产育种领域的研究热点。

合成生物学是一门新兴的交叉学科，它将生物学、物理学、化学等多个学科的知识融合在一起，旨在构建新型的生物系统或制造生物产物。在水产育种领域，合成生物学技术可以被应用于优化品种特性和提升产量。

合成生物学可以在改造和优化天然表达体系的同时，将动物源和植物源的代谢路径构建到微生物体系中，重新合成全新的人工生物体系，最终实现目标代谢物的异源表达，将原料以较高的速率最大限度地转化为产物。

合成生物学在工程化策略指导下有目的地设计合成标准化生物元件，具有不同功能的生物元件按照一定逻辑构建基因线路，不同基因线路组装集成系统，获得具有特定功能的人工生命系统。

颠覆性使能技术是支撑合成生物学发展的关键，基因合成、基因编辑、蛋白质设计、细胞设计、高通量筛选等技术的发展对合成生物学的发展有着重要的支撑和推动作用，基因测序、DNA合成以及基因组编辑技术都是其核心使能技术。下面我们来介绍几个合成生物学在水产育种中的应用案例。

图片摘自 Hallerman et al. 2021. [1]

首先，合成生物学技术可以用于基因编辑。基因编辑技术可以针对目标基因进行精确的剪切和修饰，从而实现对鱼类品种特性的改良。例如，实验使用了CRISPR/Cas9编辑器，并实现了远高于经典转基因方法的靶向基因组插入率，且场外整合频率较低。养殖鱼类的基因组编辑实验集中在提高生长率和抗病性、实现生殖限制和其他有价值的性状[1]。

图片摘自 Hallerman et al. 2021. [1]

其次，合成生物学技术还可以用于基因合成[2]。为了遗传改良的目的，研究人员可以选择理想的遗传特征，整合一系列特征，或者改变一个物种的先天遗传特征，从而实现对鱼类基因组的重构和优化。在鱼类中，传统的选择育种是遗传育种的经典方法。主要目的是在个体或群体中筛选和选择所需的遗传特征。传统选择育种的常用方法包括群体选择育种、系谱选择育种、亲本选择育种和综合选择育种。

例如，科学家已经开始了翘嘴红鲌的全基因组测序工作。翘嘴红鲌基因组序列的获得，有助于解释这种新型杂交团头鲂杂种优势的分子机理及其它性状[3]。科学家还使用混合杂交方法获得了Gift罗非鱼，与亲代品种相比，Gift罗非鱼在生长和大小上都具有优势[4]。总之，基因组信息允许更快速和完整地了解经济上重要的性能性状，并为水产养殖新品种的开发提供基础。

图片摘自 Zhou et al. 2004. [4]

最后，合成生物学技术还可以用于构建新型的生物传感器。生物传感器可以对环境中的生物和非生物物质进行检测，从而实现对水产养殖环境的实时监测和控制。通过合成生物学提供的最先进的工具，可构建基于细胞的生物传感器，具有可定制的性能，以满足现实世界在灵敏度和动态范围方面的要求[5]。

随着技术的不断发展，这些新型育种方法将为水产养殖业的可持续发展提供有力的支持。同时，我们也需要注意在应用这些新技术时保障生物安全和环境保护，以确保水产养殖业的可持续发展。

参考文献

1. Hallerman, E. Genome editing in cultured fishes. CABI Agric Biosci 2, 46 (2021).

2. Beattie KL, Logsdon NJ, Anderson RS, Espinosa-Lara JM, Maldonado-Rodriguez R, Frost JD 3rd. Gene synthesis technology: recent developments and future prospects. Biotechnol Appl Biochem. 1988 Dec;10(6):510-21. PMID: 3069115.

3. Xu K, Duan W, Xiao J, Tao M, Zhang C, Liu Y, Liu S. Development and application of biological technologies in fish genetic breeding. Sci China Life Sci. 2015 Feb;58(2):187-201. doi: 10.1007/s11427-015-4798-3. Epub 2015 Jan 16. PMID: 25595050.

4. Zhou J, Wu Q, Wang Z, Ye Y. Genetic variation analysis within and among six varieties of common carp (Cyprinus carpio L.) in China using microsatellite markers. Genetika. 2004 Oct;40(10):1389-93. PMID: 15575506.

5. Hicks M, Bachmann TT, Wang B. Synthetic Biology Enables Programmable Cell-Based Biosensors. Chemphyschem. 2020 Jan 16;21(2):132-144. doi: 10.1002/cphc.201900739. Epub 2019 Oct 25. PMID: 31585026; PMCID: PMC7004036.

作者：王蕊（大连海洋大学水产设施养殖与装备工程研究中心研究生）

科学性审核：刘鹰（浙江大学生物系统工程与食品科学学院博士生导师）、傅松哲（大连海洋大学水产设施养殖与装备工程研究副教授、研究生导师）

策划：刘雅丹 武玥彤

校对：王嘉伟（实习）