襟江帶湖 碧水丹心—紀念中國科學院水生生物研究所成立90周年

殷 戰

(中國科學院水生生物研究所)

我們生存的星球, 廣袤的水面覆蓋著70%以上的地表。水孕育了生命, 也是人類賴以生存的必需條件之一。成立于90年前的南京, 最終扎根于千湖之省、東湖之濱的中國科學院水生生物研究所(以下簡稱水生所), 是我國、乃至世界認識水中生命奧秘、探究人類發展與水生態系統和諧共處的一支重要科研機構。世事滄桑, 社會經濟發展經歷了巨大變化, 經歷90年歷程的水生所人, 始終在為合理利用水中生物資源,維護人類賴以生存的淡水生態系統的健康和安全, 不斷探索、砥礪前行。

一、初創水生生物研究

1911年辛亥革命推翻了兩千多年的封建帝制, 思想的解放, 使現代生物學開始在中國逐漸扎根生長。1922年8月, 動物學家秉志和植物學家胡先骕等人在南京創建了我國第一個生物學研究機構——中國科學社生物研究所。隨后, 中國學術界關于創辦國家最高學術機構的呼聲也日益高漲, 1927年4月, 國民政府建都南京, 5月政府便決議設立中央研究院(以下簡稱中研院)籌備處, 6月中央研究院正式在上海成立。隨著中研院派遣的科學調查團工作, 以及自國外購回的標本增多, 中研院開始醞釀成立自然歷史博物館。1930年1月, 自然歷史博物館成立, 農學家錢天鶴為館長, 李四光、秉志、錢崇澍、李濟、王家楫為顧問。博物館主要工作為陳列從全國各地報送來的動、植物標本, 同時開展動、植物分類工作。館址設在南京市成賢街46號, 博物館內分設動物、植物二組, 植物部分負責人秦仁昌、動物部分負責人為伍獻文、方炳文。博物館成立之后, 曾派員至廣西、貴州、云南、江西、安徽、福建及渤海、黃海、南海等地開展生物調查。也曾參與科學社生物所等發起的“海南生物采集團”的工作。1934年7月, 自然歷史博物館被改組為中央研究院動植物研究所(以下簡稱動植物所), 聘在科學社生物所工作的原生動物學家王家楫前來擔任動植物所所長。1937年7月因日本侵華, 動植物所開始遷往內地, 輾轉衡陽、陽朔, 于1938年底抵達重慶北碚。動植物所在1944年3月, 分拆成為動物研究所和植物研究所, 分別由王家楫、羅宗洛任所長。抗戰勝利后, 1945年9月, 動物所、植物所搬回上海岳陽路320號, 直到全國解放。

研究人員在當時的階段, 主要工作是開展資源調查, 以維護祖國主權。期間, 相關的水生生物資源的調查工作, 是較為側重的領域。如王家楫、倪達書等開展的對南京、南海等地的各類原生動物的調查和鑒定工作, 其中在對纖毛蟲、甲藻等的分類學工作和新種的描述工作較為突出。伍獻文、方炳文等魚類學家則對渤海、南海、漓江等魚類生態、形態學和水產漁業資源等進行了較多的調查。饒欽止等針對各地的藻類資源分布, 新藻種類的鑒定與記錄等, 開展了大量的工作, 涉及綠藻、褐藻、紅藻等多個門類的藻類分類研究。后續隨著抗戰爆發的西遷, 研究人員進行大規模資源調查, 尤其是海洋生物的調查工作不得不停止,但一些小范圍的野外工作還在繼續, 例如西遷途中開展的對湖南、嶺南地區的水生生物調查, 以及到四川之后對長江上游、嘉陵江流域的水生生物, 包括魚類、甲殼類、蛙類、原生動物、藻類的資源調查研究。尤其難能可貴的是, 戰時工作出行困難, 小區域調查、駐點甚至室內的工作隨之開展, 促生了針對水生生物研究的新特點, 例如, 針對動物寄生蟲、著生藻等方面開展了研究, 為后來的魚病學研究鋪墊了一定的基礎。這期間, 突出的工作是來自一批對包括魚類在內的動物生理和繁殖方面的研究, 包括對四川省食用魚天然食料調查、嘉陵江鯉魚產卵場水質分析、鯉魚孵化率研究、飼料魚類的增產、經濟魚苗階段的鑒別,甚至還開展了鯽和鯉的雜交研究。其中, 最突出的體現在劉建康針對黃鱔表皮呼吸和性別逆轉的觀察研究,其有關硫酸鈉因子誘導斗魚泌氯細胞的發育研究工作發表在1944年的《自然》雜志。這些工作開創了魚類性別發育與調控、魚類滲透壓調控研究的新領域, 其機制在70多年后依然未得到清晰地解析。該階段劉建康、黎尚豪、倪達書、尹文英等相對年輕的學者已展現出開展水生生物研究的優秀潛質。在抗戰勝利后, 研究所搬回上海, 在繼續開展各類水生生物的調查和沿海各省漁業調查研究的同時, 繼續著魚類分類、形態、生理學等方面的研究工作。

從自然歷史博物館到動物所、植物所, 作為國立研究所, 生物資源調查研究關乎國計民生, 受到政府重視, 經費較有保障, 使研究所具有較好的穩定環境和吸引力, 尤其在抗戰前較好地體現了研究所章程所規定的“以實行動物植物學上之各項學理及應用問題, 促全國動物學植物學之進步為任務”。抗戰期間, 研究人員在盡力開展調查工作之時, 也注重應用研究, 結合水產動物資源等開展了魚類生理學等研究, 到訪的英國近代生物化學家、科學技術史專家李約瑟(Joseph Terence Montgomery Needham)“深覺其具有世界上最優良的試驗室之研究空氣”。當然, 在抗戰期間, 受戰時困難影響, 研究所已面對來自政府“擴充純理研究之外,加強國防建設以及復員準備之工作, 且研究結果決不可僅止于發表, 必須推及于實用以取得研究與行政上之聯系” 的要求, 因此, 一些研究工作已開始側重于向水產、種植等具應用潛力方向的探索研究。但總體而言, 當時受早期教育及經費所限, 該階段的研究仍以分類學和資源調查工作為主, 后期才開始注重在動物生理學、實驗胚胎學等方面開展工作。

二、引領淡水生物資源高效利用

1949年11月中國科學院成立后便開始整合調整下屬研究單元。決定以原中央研究院動物所的主體, 接受北平研究院動物研究所部分人員, 和原中研院植物研究所的從事藻類研究的科研人員, 研究對象擴大至動植物, 并以水生生物為主, 研究所更名為水生所, 所址上海。1950年5月19日, 由王家楫、伍獻文分別任水生所所長、副所長。1950年6月20日, 在中國科學院第一次擴大院務會議上, 竺可楨副院長宣布首批15個研究機構成立。水生所的研究方向為有關水生生物的基本學理, 以配合水生動植物生產的需要。其主要任務包括水生生物資源調查, 水生生物與環境的關系, 養殖與育種實驗。水生所下設太湖淡水生物研究室(以下簡稱太湖室), 室址江蘇無錫蠡園, 主任為伍獻文; 青島海洋生物研究室, 室址山東青島, 主任為童第周。1951年2月, 增設廈門海洋生物研究室, 主任沈嘉瑞, 后部分歸入太湖室。1952年農業部水產總局根據我國漁業和水產養殖業發展狀況, 與中國科學院會商, 建議水生所從上海遷至千湖之省的湖北省省會武漢。1952年, 中國科學院第42次院長會議同意水生所及太湖室遷武漢。1954年1月, 青島海洋生物研究室獨立,更名為中國科學院海洋生物研究室(現中國科學院海洋研究所)。1954年9月, 水生所及太湖室遷往湖北武漢。此番人員調整和更名, 在一定程度上對水生所后續70年的研究方向, 產生了深遠影響, 使原創立時自然歷史博物館涵蓋動植物研究的方向, 調整至僅針對水生生物的研究。但當時新組建的水生所的確體現出原中研院動植物所較為集中而突出的針對水體原生動物、魚類、藻類等研究的主要研究力量, 并且還整合了來自其他機構的人員, 這其中包括針對從事實驗胚胎學、藻類、魚類和甲殼類相關方向的杰出人員童第周、曾呈奎、張璽、沈嘉瑞、成慶泰、齊忠彥、劉瑞玉等, 尤其是中國近代生物學的推進者, 中國動物學主要奠基人的秉志。一時間秉志、王家楫、伍獻文、童第周等4位曾在1948年當選中研院院士的專家, 聚首在水生所, 使當時的水生所無疑成為我國水生生物學研究的翹楚。隨著水生所搬遷至內地, 海洋生物和內陸水體生物研究機構的分置, 使當年為時3年多的壯觀陣容難以再現。但作為當年中研院期間動植物所的主要專任研究員王家楫、伍獻文、饒欽止為主體的研究力量來到了武漢。由于定位于水生生物, 原中研院期間的陳世驤、鄧叔群分別調入中科院實驗生物所和沈陽農學院。朱樹屏1951年調任農業部水產實驗所(即今黃海水產研究所)任所長, 秉志于1955年調入中科院動物所任職。

建國伊始, 百廢待興。新政府的科學工作一改此前偏重基礎的研究取向, 轉而強調生產中的實際應用。1950年6月14日, 中央人民政府政務院文化教育委員會郭沫若主任頒布了《關于中國科學院基本任務的指示》。這份指示明確強調學術研究與實際需要的密切配合, 要求科學能真正服務于國家的工業、農業、國防建設、保健和人民的文化生活。按照科學院要求, 于1950年8月水生所太湖室正式成立, 其工作具體為: “進行魚類及其他生物研究, 并與食品工業部門配合”。更為具體地提出太湖室的工作內容: “工作范圍將大為擴充, 諸如湖水的物理性與化學性, 湖底沉淀物之性質, 與滋養物料釋放的性能, 硅藻及其他高等藻類、原生動物、水生昆蟲, 及其他浮游生物的類別及季節變化, 魚類及其他食用動物之生態, 水生植物之分布等問題, 均在研究之列。一待太湖的水質和生物環境相當了解之后, 當進而研究太湖生產力改進的方法, 如施肥、沉淀物之適當處理, 以及幼魚的繁殖與保護等問題。”還包括“淡水魚的養殖試驗, 亦為太湖室主要工作之一, 其中包括養魚的生殖力研究與人工繁殖試驗”。當時選定的主要工作開展地為太湖北部的一個湖灣——五里湖。結合國家在第一個五年計劃中確定的湖泊放養作為淡水養殖的主要措施之一的戰略, 太湖淡水生物實驗室便將五里湖的全面調查作為工作重點, 由太湖室主任伍獻文領導相關團隊開展了包括各類水生生物種群數量及分布、水體理化指標、水文、氣候、湖底沉積物、魚類繁育特征等全面調查分析的周年調查工作, 該次調查還邀請來自中科院地理所(籌備處)專家負責水體地圖測繪, 在此次較大體量水體的規模性調查組織中, 科學的確定采樣點、頻次、采樣方式的規范, 從而實現對水體生物生產力評估和管理。該項工作的開展, 以及該階段在長江中下游、淮河等流域湖泊開展的湖泊調查工作, 為我國后續湖泊資源調查的理論和技術奠定了基礎, 為厘清水體淡水生物資源狀況起到了引領和規范的作用。在此基礎上, 由饒欽止主持編寫出版的《湖泊調查基礎知識》一書, 成為我國后續湖泊調查的綜合性、指導性參考書。

浙江北部、太湖南岸的菱湖地區池塘養魚的歷史十分悠久。20世紀50年代初, 菱湖鎮是華東地區最大的淡水養魚區, 當地直接從事養魚者約有20萬人之多。1950年6—9月間, 菱湖魚塘爆發大規模魚瘟, 塘魚大量死亡。應當地魚農、浙江省水產局和浙江省吳興縣人民政府請求, 水生所組成調查團先后2次前往菱湖協助魚農防治魚瘟。調查團成員擬出了防治方法指導當地漁民試驗, 效果良好。調查人員將這兩次赴菱湖治魚瘟的過程和研究結果寫成了總結報告, 發表在當年的《科學通報》, 供全國各地養魚區參考。水生所專家此次赴菱湖治魚瘟的工作, 不但幫助當地解決了問題, 而且引起了各方面的重視。《光明日報》專門對此進行了報道。中科院院長郭沫若在政務院第70次會議上報告的《中國科學院1950年工作總結和1951年工作計劃要點》中也提及了這項工作。由此, 在1951—1952年, 結合各地養殖調查及需求, 數位過去從事水體原生動物, 并有一定寄生蟲研究背景的學者表示愿意結合魚病開展研究, 于是, 在1953年, 魚病防治成為水生所年度計劃中的三大工作之一。并確定了“采取防與治相結合的原則, 改進養殖技術, 研究藥物治療的方法”的工作方針。1953年, 水生所決定在浙江菱湖建立魚病工作站。以倪達書為站長的菱湖魚病工作站, 在上級部門的有效指導及各方的積極支持下, 該站曾建有大小魚池181個開展研究, 他們的研究有效遏制了菱湖當地及周邊地區的魚瘟泛濫, 并針對草魚、青魚的腸炎、青魚赤皮病開展較為系統的研究,確立了中國魚病防治的良好傳統, 開創了中國的魚病學科。隨著水生所遷往武漢, 以及全國其他區域對魚病防治需求, 菱湖站工作人員于1956年遷至武漢。水生所在建國初期開展的魚病工作, 體現出水生所從事基礎研究工作者, 面向產業需求所進行的卓有成效的研究方向調整。后續水生所也建立了相關魚病研究室,含多個學科組, 全面針對魚類病毒病、細菌病、寄生蟲病等開展研究, 自養殖技術優化、病原學、免疫學、病理與藥理學等多方面開展研究, 在草魚爛鰓病、草魚出血病等方面, 均作出了出色的工作。水生所科研人員及時總結編撰的《魚病手冊》、《湖北省魚病病原區系圖志》、《魚病防治手冊》、《養殖魚類疾病及其防治》、《水生病毒及病毒病圖鑒》等的出版, 也及時為產業和科技人員提供了有價值的參考。1985年, 由水生所魚病工作者發起的中國水產學會魚病研究會在武漢成立, 之后該會一直掛靠于水生所。水生所的魚病研究也為國內培養了眾多魚病防治人才。

在水生所遷至武漢之后, 大批人員便立即開始針對武漢附近的梁子湖進行全面的水生生物調查, 相比于前期五里湖的調查, 針對梁子湖的調查研究開展了更多魚類生物學的研究, 如團頭魴(平胸鳊)發現、湖沼學數據分析、鯉、鲌、鯽、鱖、密鲴等魚類的生長特征、食性、繁殖、行為、成熟時間等均進行了較為全面觀察, 按照不同特性, 對其養殖應用、放養和保護, 甚至未來生產價值均加以探討。另一方面, 水生所人員還高度關注養殖魚類的繁殖問題。 1953年劉建康等利用成熟的鰱、鯇進行人工授精, 獲得魚苗。1954年朱寧生等在宜昌用鯉的腦下垂體注射成熟的青魚和鳙魚, 都取得了提前產卵的效果。不過這些是利用的江中成熟的親魚開展的催熟試驗, 可惜由于向武漢的搬遷工作和接受去梁子湖進行調查工作的影響,1956—1957年水生所人員的催親工作受到延誤, 1958年6月水產部南海水產研究所率先以池塘中培育出性成熟的鰱、鳙, 并用腦下垂體注射, 獲得魚苗。至1960年, 水生所等單位也在鯇的人工繁殖上取得成功。由于前期已發現團頭魴具有生長較快和草食特點, 能在靜水中繁育, 使團頭魴馴化受到關注, 1964年團頭魴的人工繁殖與飼養獲得成功, 至1975年, 以倪達書、柯鴻文為首的團隊基本完成團頭魴的馴化工作, 目前團頭魴已成為我國淡水魚類養殖產量較大的品種。基于早期對魚類資源調查, 70年代初, 也對以水底腐植質、水生高等植物枝葉、硅藻和絲狀藻類等為主的細鱗斜頜鲴也進行了成功的馴化養殖。這些工作都為增加我國淡水養殖種類, 為綜合利用水體不同餌料資源, 提供了新穎的途徑。同時, 50年代中期的開展的各類魚類特性的觀察, 豐富了對養殖魚類中性別二態性的認識, 如在梁子湖鯉研究中發現成年雌鯉個體大于雄性個體, 為后續的全雌鯉性控和單性群體獲得技術提供了基礎和方向。隨著對魚類資源的調查繼續開展, 對養殖品種基礎生理、馴化、育種的研究, 便順理成章成為研究所日益重要的研究方向。

1961年水生所研究室的設置發生了一點細微的變化, 第一實驗室由水產資源研究室更名為魚類學研究室, 而同時增設了第二研究室為魚類生理研究室, 下設: 組織胚胎生理組、生殖生化組、生態生理-神經生理組。而在第三研究室魚類養殖研究室中設有魚類育種組。1963年第二、第三室合并成立了魚類生殖生理研究室, 其中除了設置有養殖營養生理組, 育種方面的學科組更加細化, 如引種馴化組、家魚研究小組、鯉魚研究小組、多倍體小組等。60年代后期的文革使科研建制被打亂, 至1972年, 當時的湖北省水生所在重新構建所內建制時, 將育種方面的研究設置為魚類遺傳育種研究室, 下設魚類生化組、體細胞組、鯽魚育種組、鯉魚育種組、甲殼動物育種組, 反映出在當時已對魚類育種研究的高度重視。在60—80年代的魚類育種研究開始重視魚類遺傳方向的研究, 由于在當時無法獲得魚類基因組信息, 因此育種方向多體現在種間、種內品系間的雜交育種, 或是通過倍體改變, 以圖獲得性狀的改良。在此方面水生所科研人員開展了鳙草間雜交、鯉的不同品種間雜交、利用理化方式誘導草魚和團頭魴雜交、草魚多倍體、鯪魚品種間、鲴魚品種間雜交等研究, 這些研究是在對魚類繁殖技術突破后, 進一步對魚類育種工作的推動。1980年, 在童第周領導完成世界上魚類第一例胚胎細胞克隆的基礎上，由我所體細胞組陳宏溪等通過核移植技術, 將鯽體細胞核移植到鯉去核受精卵內, 獲得了鯽鯉核質配合雜種成魚, 并繁殖了子代。這一成果實際是利用了已分化的體細胞的細胞核, 轉移至去核的異種去核授精卵中, 實現由核遺傳物質導致的克隆魚(論文發表于1984年)。當時是希望以此方式獲得雜種魚, 用以品種改良, 但卻是世界領先的動物體細胞克隆成果, 比1996年采用類似概念的英國多利羊的誕生早了16年。1982年, 水生所吳清江團隊成功研發了人工雜交全雌鯉的技術, 即利用人工雌核發育成單倍體, 加倍成雌性二倍體, 飼喂甲基睪丸酮使其轉為“生理雄性”散鱗鏡鯉, 用此作“父本”, 純系興國紅鯉作母本, 生產全雌鯉, 該技術運用了先進的雌核生殖、激素轉性培育偽雄魚、品種間雜交等集成育種技術。1981—1982年我所也發現了鯉、鯽的人工雌核生殖, 并以此建立近交系的技術, 該技術的突破為魚類育種提供了一種新的快速選育方式。1982年蔣一珪團隊便成功培育異育銀鯽新品種, 該品種是由黑龍江省方正縣銀卿為母本, 興國紅鯉雄魚為父本, 經人工授精和異精雌核生殖的子代。異育銀鯽既保待了銀鯽的性狀, 又有明顯生長優勢。1983—1985年進一步發現了異源精子刺激銀鯽雌核生殖子代以及精子在子代中的生物學效應, 1987年又開發完善了應用于選種銀鯽種內遺傳標記。1988年異育銀鯽第二代新品種——高背異育銀鯽選育成功。1989年, 水生所吳清江團隊成功培育了由興國紅鯉(♀)和散鱗鏡鯉(♂)的雜交而成的子一代的“豐鯉”新品種。而隨著對異育銀鯽的雌核生殖機制研究的進一步深入, 以及不斷的培育改良, 桂建芳團隊于2008年培育成功異育銀鯽第三代產品——中科3號, 并得到大規模推廣應用, 在全國新增漁業產值數百億。至此, 水生所40年3代育種工作者先后推出數代新品種, 使鯽魚品種的生長率得到成倍增加, 鯽魚由野生、套養、變成主養品種, 我國鯽魚養殖產量因此自20世紀50年代時的數萬噸增加到2010年的200萬噸以上, 現居我國淡水主養品種產量的第四位。異育銀鯽新品種的推出工作還在持續, 2019年由水生所推出的第四代新品種——中科5號又已通過國家水產新品種審定委員會認定。隨著對遺傳物質基礎的深入認識, 水生所朱作言團隊在1983年成功研制出世界上第一批轉基因泥鰍, 開創魚類基因工程育種研究先河, 相關研究一直處于國際前列。培育出快速生長的冠鯉和具有養殖推廣潛力的不育性三倍體吉鯉, 冠鯉生態安全評價與生殖控制對策及養殖模式等研究比美國的相關研究更超前, 實驗更充分, 數據更詳盡, 為國際同行所公認。21世紀以來, 水生所繼續在魚類基礎生物學和遺傳育種方面持續發揮引領, 成功解析草魚的全基因組, 并構建鳙、鰱、鯽等全基因組精細圖譜, 利用鯉科模式和養殖魚類, 成功構建了世界首例促進全魚生長、耐低氧、抗病等性狀的單基因突變魚類模式, 針對魚類主要經濟性狀改良和馴化的分子機制解析、優異等位變異發掘等開展研究, 獲得可用于分子設計育種的關鍵功能基因或分子標記60余個; 建立了鯉、鳙性別特異分子標記和鑒定技術、鯉單性養殖群體獲得技術; 研發黃鱔、鱘等基因組編輯等前沿育種技術; 并參與創制包括斑馬魚一號染色體單基因敲除突變等突變系,為進一步開展魚類的基礎生物學和代謝調控研究奠定了基礎。

解放以來, 為服務水產養殖產業, 從50年代的太湖室及菱湖魚病工作站的工作開始, 已強調對我國淡水漁業養殖技術加以系統整理和總結, 開始在健康養殖方法、魚類食性認識、餌料生物學、營養飼料等方面開展了大量的觀察研究工作。牽頭組成中國淡水養魚經驗總結委員會, 于1961年、1973年和1992年編撰、修編并出版了《中國淡水魚類養殖學》。至第三版, 該書已系統地總結了中國淡水養魚的經驗, 包括中國淡水漁業的歷史、中國的淡水魚類資源、飼養魚類的繁殖、餌料與施肥、魚苗的張捕和運輸、魚苗魚種的飼養、魚類育種與引種馴化、池塘養魚、湖泊河道養魚、水庫養魚、網箱養魚、稻田養魚、魚病防治、成魚捕撈、淡水魚類的加工利用等。著重介紹了中國特有的傳統養殖魚類青魚、草魚、鰱、鳙的人工繁殖方法, 以及魚苗的張捕、鑒別、計數和除害方法。總結了中華人民共和國成立以來的養魚經驗, 即“八字精養法”——水 (水深水活)、種(良種體健)、餌(餌精量足)、密(合理密放)、混(多種混養)、輪(輪捕輪放)、防(防除病害)、管(精心管理)。并在書末增添了 《水生生物的定量調查方法》和 《用魚類和溞類進行污水急性毒性試驗的方法》兩個附錄。至第三版的完成, 已反映了80年代中國淡水養魚科學研究與生產技術的先進水平。隨著該書的編撰過程, 適時將我所在解放以來, 對于淡水魚類養殖技術和模式的主要成果, 以及當時先進的其他科研成果, 包括養殖模式發展等均歸納、規范, 系統地加以總結。后續，水生所崔奕波等還對魚類生長變異的生物能量學機制開展了較為系統地研究, 通過代表性魚類在不同階段、不同內外源因素影響下的能量攝入與生長間的能量平衡研究, 尋找養殖魚類的能量代謝特征, 為實現未來精準營養養殖模式奠定基礎。 隨著水生所在漁業資源調查、養殖模式調查和總結、健康養殖模式和規范制定、新養殖品種的馴化、培育與配套推廣, 引領中國淡水養殖業自20世紀80年代末起, 成為世界第一大國, 而水生所所在的湖北省則自20世紀90年代中期后成為全國淡水養殖產量第一省。我國養殖業也正因為許多養殖魚種的人工繁殖技術的突破, 使我國淡水養殖魚種苗供應未受到河流大量水利工程開發的影響, 始終保持了穩定地增長。

如前所述, 早在中研院動植物所期間, 科研人員便已在國內開展了較大規模的浮游植物資源調查。建國以后, 藻類學研究依然是水生所特長, 無論在水體生物資源調查、水體生態狀態整體測評和天然生物生產力等研究方面, 都發揮著必不可少的作用。同時, 還積極開展了藻類光合作用和固氮作用的機制研究, 針對有關不同藻類的生態特征和光合作用關鍵藻膽蛋白的關聯、不同藻類固氮酶提取與互補作用、固氮藍藻細胞中除氧保護固氮酶機制等開展了研究, 為了解藍藻固氮機理的實質及固氮藍藻在農業上的應用, 也為化學模擬生物固氮, 提供了有價值的資料。同時為促進農業發展, 解放后水生所藻類學科也積極開展其專長研究, 為提供替代氮肥, 自50年代開始, 黎尚豪等開發了固氮藍藻資源作為水稻田肥源, 針對我國高效固氮藍藻的篩選、培養、生態生理學開展了研究, 并進行了水稻的肥效實驗。為促進藻類資源利用, 還開展了藻種培養選育、螺旋藻規模生產、藻蛋白作為飼料蛋白源利用、沙漠藻結皮形成機理及應用等研究。近十年來, 與國家投資集團合作共建的藻類生物技術研究中心, 研發利用三角褐指藻生產巖藻黃素工藝包等成套規模化培養與收集純化技術。

三、發展淡水生態理論與生態漁業

自20世紀50年代始, 水生所團隊開始的五里湖、梁子湖、長江等全面調查, 不僅是為了摸清我國漁業資源現狀, 以滿足湖泊等漁業增產的產業需求, 而且發表的眾多研究包括特定水體中各類水生生物的分布、食性關系、繁育特性、種群消長及其與水體理化因素互作的觀察與分析等, 也實際上成為我國針對淡水生態系統結構與功能研究的開創性工作, 為我國淡水生態學理論的發展奠定了基礎。1962年集中發表在《水生生物學集刊》的5篇在當年的太湖站開展的《五里湖1951年湖泊學調查》論文, 便是這方面開創性工作的經典代表之一。水生所團隊的這些工作既開創了我國淡水生態學理論研究, 也為科學指導湖泊、水庫等大水面漁業提供了依據。自70—80年代始, 水生所劉健康、曹文宣、梁彥齡、李鐘杰等團隊的科研人員在長江流域的眾多湖泊、水庫開展了大水面生態養殖模式研究及推廣, 如武漢東湖、麻城浮橋河水庫、沉湖、保安湖、洪湖、梁子湖群、三峽水庫等, 還包括黃淮海地區的封丘地區曹崗湖等水體。其中始于劉建康等1955年對東湖的生態學研究, 最具代表性。他們通過深入探討了東湖生態系統結構、功能及演變規律, 在世界上首次對亞熱帶地區淺水湖泊生態系統進行了綜合性和系統性研究, 并結合武漢東湖生態系統結構功能和生物生產力的關聯研究, 指導東湖漁業管理。這些研究工作產生的主要成果包括水體生物生產力評價、魚類種群管理理論、非經典生物調控理論等, 以及其支撐的水面養殖管理區劃管理、種群增養殖放養規劃、捕撈規格及強度規劃、魚種天然生態養殖網箱、生態圍網養殖等系統集成技術, 整體基于水體天然生物生產力決定增養殖規模, 通過養殖種群結構調整, 構建優質高效特色漁業發展模式。水生所基于生態理念的養殖模式, 更已在20世紀80年代就明確提出了大水面漁業必須以維護水質為前提, 對長江流域的許多湖泊群、水庫的生態養殖的良性發展, 起著重要的指導和示范作用。90年代中期, 水生所崔奕波等用嚴格的生物能量學方法分析湖泊群生物資源與漁業利用的關系, 建立了我國湖泊底棲動物、小型魚類、食魚性魚類生產力估算方法, 進一步完善了草魚放養管理的生物能量學模型, 建立用水草生長量評估河蟹養殖容量的方法, 既優化湖泊優質水產品結構, 又保護了生態環境, 使我國湖泊漁業管理基礎理論水平及應用達到國際領先地位, 為湖泊資源的量化管理奠定了理論和技術基礎。針對大水面的投餌網箱養殖對造成養殖水體富營養化的問題, 早在20世紀90年代, 水生所科研人員就已針對性地開展了網箱養殖容量科學評估的專門研究。這方面的研究也奠定了水生所近期作為農業農村部漁業漁政管理局“大水面生態漁業領導小組”的核心成員的工作基礎, 2019年水生所牽頭制定了水產行業標準《大水面增養殖容量計算方法》, 并獲頒布, 參與完成了三部委文件《關于加快大水面生態漁業發展的指導意見》的發布; 參與組建了“大水面生態漁業科技創新聯盟”并制定“大水面生態漁業科技創新規劃”。水生所科研人員還自70年代開始, 積極參與我國漁業水體水質標準、主要水產動物飼料標準及檢測等行業標準的研究工作和頒布, 縣域、省域漁業發展規劃的制定等。在養殖模式的總結與研究方面, 研究所科研人員在70年代初以“以漁支農, 以魚促稻”為指導思想, 開展稻田養草魚的試驗, 獲得了稻魚雙收的良好效果。隨后又在實踐中認識到稻魚之間在稻田生態系統中存在互利共生的關系, 具有良好的生態功能。探索了這一功能的作用, 并應用于指導生產實踐, 使其發揮更大的經濟和社會效益。這方面的工作也已成為現代漁稻模式發展的基礎。

20世紀90年代以來, 隨著我國水體富營養化的出現, 水體藻華頻發, 以水生所藻類科研人員為主的團隊,在淺水湖群生源要素的生物地球化學循環、富營養化過程以及藍藻水華暴發與成災機理、藻毒素的危害與機理等方面開展了系統深入的研究, 提出了淺水湖泊生態修復的原理, 發展了淺水湖泊富營養化控制的理論, 為我國淺水湖泊富營養化控制關鍵技術與管理奠定了基礎。

四、開創水環境生物學研究

內陸水體地勢低洼, 注定成為陸上產業活動廢棄物的收納處, 因此經濟社會發展必然會對周邊內陸水體的生態環境帶來影響。實際上, 為論證三峽工程建設可能對水體生態環境的影響, 水生所早在1958年便進行了工業廢水可能出現的80余種包含重金屬、有機磷、有機氯等常見毒物對四大家魚魚苗和白鰱魚種的毒性影響試驗, 該數據支撐了國家漁業水質標準的制定。在1959年也針對23余種工業廢水對魚類毒性開展了研究, 后續還開展了主要農藥在魚體中的吸收和代謝動力學研究, 以對相應的水質標準制定提供依據。隨著經濟建設的發展, 水生所科研人員在長期對水生生物與環境互作的觀察研究以及應邀參加其他相關工作的基礎上, 日益認識到集中開展水環境生物學工作的重要性和迫切性。因此, 在1973年3月, 組建成立了水污染生物學研究室, 結合水生所工作特色, 主要從事環境與生態毒理學、環境生物監測、廢水生物凈化和化學生態學等四個方向的研究。建室以來, 張甬元為首的團隊在對農藥廢水污染的鴨兒湖進行生態學調查的基礎上, 通過污染治理及農藥在氧化塘中的生化研究, 提出了鴨兒湖區域污染治理規劃, 興建氧化塘作為廢水的三級處理設施, 保護鴨兒湖和長江免受污染。研究室對官廳水系水源保護、采用抑制劑直接浮選磷礦選礦試驗研究等均獲得好評。研究室改進建立了多種涉水樣品采集的方法和裝置、檢測方法, 并以此開展了青海湖、長江、湘江、嘉陵江、漢江等區域的水生生物元素值和水環境背景值調查; 水生所曾經建立第一個通過國家計量認證的國內首家二噁英檢測實驗室; 采用多種生物處理方式, 對石化、造紙、銅礦磷礦選礦、紡織印染等產業廢水的處理改進以及采用生物塘技術處理生活污水等研究獲得好評。結合對水生生物特性的了解, 以水生生物為對象開展的水環境毒理學研究, 一直是該室的研究長項, 包括對各類重金屬、有機化合物農藥、持久性污染物的毒理學效應, 以及后續針對毒性效應機制的研究。沈韞芬團隊提出的采用微型生物群落變化的監測方法, 以反映水體生態環境質量, 評價生態凈水效率, 也曾是水環境生物學研究的一個亮點。自21世紀初以來, 吳振斌等不斷研發改進人工濕地系列技術, 獲得授權專利60余項, 其中發明專利37項, 形成了關鍵技術具有完全自主知識產權且擁有專利群保護的核心競爭力。研發的人工濕地系列專利技術已應用在北京奧林匹克森林公園人工濕地、杭州西湖水質改善與水生植被重建、海口美舍河鳳翔濕地公園等不同生態環境條件的工程中。設計、建設的人工濕地生態工程達數百項, 覆蓋22個省市自治區, 引領并推動了人工濕地在我國的廣泛深入研究和大規模工程應用。水環境改善正與水體的生態修復相融合。正是基于生態系統理念, 水生所在近期將水體環境的治理與生態修復有機結合研究,采取學科交叉、生物處理為主的系統調整和干預的方式, 在西湖、滇池草海、洱海、巢湖等地開展了水體修復或生態岸帶的示范研究工作, 有效改善了區域水生態環境質量, 為杭州西湖申遺、G20峰會及武漢世界軍人運動會等國家重要活動的水環境保障做出了貢獻, 取得了顯著的環境和社會效益。水生所水污染生物學研究室是國內第一個專門從事水環境生物學研究單元, 負責編撰《中國環境大百科全書·環境科學·環境生物學》, 1978年成立的中國環境生物學會, 也一直掛靠于水生所。

五、奠基多樣性水生生物研究和物種保護

開展綜合水生生物資源調查, 研究分析生物多樣性的形成及其特征, 并制定其生物多樣性保護和物種保護, 始終是水生所主要研究方向之一。在水生生物分類等學科基礎方面, 由王家楫、伍獻文、饒欽止等老一輩水生生物研究的開創者, 以及他們的傳承者主持編撰的《中國淡水輪蟲志》、《中國經濟動物志·淡水魚類》、《中國鯉科魚類志》(上、下卷)、《四大家魚的人工繁殖》、《中國鞘藻目專志》、《中國動物志節腳動物門甲殼綱·淡水枝角類》、《中國淡水魚類原色圖集》(第一集)、《中國淡水藻志·雙星藻科》(第一卷)、《中國動物志·鯉形目》(中、下卷)、《中國淡水藻志·絲藻目、石莼目、膠毛藻目、桔色藻目、環藻目》(第五卷)、《高級水生生物學》、《原生動物學》、《中國淡水藻志》(第六、七卷)、《鰱、鳙與藻類水華控制》、《長江流域湖泊的漁業資源與環境保護》、《中國淡水藻志·綠藻門》(第十七卷)、《長江流域的枝角類》等為開展水生生物多樣性的研究方面, 奠定了基礎。自1955年以來, 水生所科技人員, 便對長江流域、黑龍江流域、漢江、雅礱江等進行了較大規模的水生生物調查, 并針對其水生生物多樣性保護與水利工程建設規劃提出了寶貴的建議, 包括對葛洲壩、三峽、丹江口等水利樞紐對產卵場影響等, 進行了調查和科學預測。他們的研究及后續的水生生物多樣性持續調研工作, 也成為水利工程開展生態調度的科學依據。在1973—1976年進行西藏水生生物考察研究中, 陳宜瑜、曹文宣等通過對青藏高原裂腹魚類的起源和演化分析, 探討了青藏高原隆起的時代、幅度和形式, 推斷青藏高原在第三紀晚期以后曾經歷過3次急劇上升和相對穩定的交替階段, 并推測了3次隆升的幅度, 提出了可用于解釋云貴高原某些湖泊區系起源的同域成種的演化模式。這些運用歷史生物地理學的原理和方法, 探討了青藏高原魚類物種分化與高原隆升和水系發育間的關系, 豐富和發展了地學、生物學以及資源與環境科學的基礎理論和應用實踐。水生所對于長江珍稀保護動物白鱀豚、中華鱘、江豚、胭脂魚等都積極開展了研究, 白鱀豚“淇淇”在水生所白鱀豚館生存的22年, 成為白鱀豚與人類最后的一段絕唱式交流。在江豚的保護工作中, 認真吸取教訓, 及時開展棲息地保護、遷地保護和室內外小規模人工繁育等多種方式并舉的方式, 已取得一定的效果。基于我所科研人員對長江魚類資源的多年數據, 為了推動對長江野生魚類資源的保護, 曹文宣等經過十年呼吁, 得到相關部門的認同, 2020年已全面啟動在長江流域的“十年禁捕”行動。2005年, 曹文宣等還建議并推動了赤水河“國家級長江上游珍稀魚類自然保護區”的建立。2019年, 水生所也在赤水河啟動了“長江上游珍稀特有魚類保護及赤水河河流生態觀測試驗站”的建設, 希望能夠加強對長江上游珍稀魚類的保護, 進一步推動赤水河流域生態文明區的建設, 建立我國江河生態保護的示范。

多樣性的水生生物也為眾多生命科學的研究提供了獨特的研究模式, 其中最有影響力的莫過于斑馬魚,斑馬魚具有代時短、繁殖量大、卵生、遺傳信息全面、遺傳操作方便、飼養方便等優勢, 使其成為一種脊椎動物研究模式。自20世紀90年代斑馬魚引入中國以來, 引起中國學者重視。作為鯉科魚類的模式, 斑馬魚在我所主要作為開展早期胚胎發育、代謝調控、性別發育、抗逆和繁育調控等經濟性狀調控基礎性研究的模式材料, 目前水生所科研人員已成為國內斑馬魚模式運用開展研究的最大群體。同時, 利用斑馬魚和土著魚類稀有鮈鯽特有的敏感性開展生態毒理學的研究工作, 也取得了良好的成果, 稀有鮈鯽也成為我國環保部指定的生態毒性檢測的受試生物。單細胞原生動物四膜蟲作為真核單細胞動物, 易于培養觀察,也是許多生命科學中的重大問題的研究模式, 水生所科研人員在過去對水生原生動物研究的傳統優勢的基礎上, 近期以四膜蟲的組學研究入手, 發展其遺傳操作體系, 在動物性別等研究方面取得了良好的進展。而許多藻類作為單細胞原核、真核生物的研究優勢材料, 水生所研究人員在光合作用機制、DNA及蛋白質修飾、鞭毛的形成與功能調節、原生與次生代謝過程及抗逆機制等方面均開展了較為深入研究, 為回答解析重要的生命調控機制, 包括解答光合作用、藻華形成分子機制等提供了有價值的見解, 并探索藻類在空間飛行器中的應用基礎。

六、促進研究所發展與成長

歷經90年發展, 從建立自然歷史博物館時不到十位專任研究人員的規模, 至今水生所有正式編制職工330余人, 項目聘用人員、特別研究助理(含博后)各近百人, 在讀研究生規模達600余人。我們在面對各種社會和產業需求的同時, 始終維護學科發展為核心, 以需求促進了水生生物學理論和技術體系、研究平臺的建設和發展。研究所現擁有淡水生態與生物技術國家重點實驗室; 以及院部級重點實驗室3個: 中國科學院水生生物多樣性與保護重點實驗室、中國科學院藻類生物學重點實驗室、農業部淡水養殖病害防治重點實驗室; 另外還擁有國家、省部級工程中心: 國家淡水漁業工程技術研究中心、農業部鯽魚遺傳育種中心、湖北省水體生態工程技術研究中心、湖北省稻田綜合養殖工程技術研究中心、湖北省水生植物資源與利用工程技術研究中心、湖北省水產動物營養與飼料工程技術研究中心。研究所現也是國家水生生物種質資源庫的依托單位, 其中的國家斑馬魚種質資源中心現為國際第三大斑馬魚資源保藏中心, 保藏有各類斑馬魚品系1600多種, 凍存精子樣品12000余份; 其中近1/4為資源庫自創, 80%的斑馬魚品系資源為我國所有。下屬的中科院藻種庫現保藏9門180余屬的3000余株藻類, 為國際同類機構資源量第五位。水生生物種質資源庫下屬的白鱀豚館現保有人工環境下飼養的江豚6頭, 自2005年突破長江江豚繁育技術, 目前已實現全人工環境中繁育個體成功參與第二代長江江豚繁殖。研究所現擁有3個野外臺站: 東湖湖泊生態系統國家野外科學觀測研究站(國家級)、三峽水庫香溪河生態系統試驗站(所級)、長江上游珍稀特有魚類保護及赤水河河流生態觀測試驗站(所級)。研究所還設立有水生生物博物館, 以完整的鯉形目鯉科魚類收藏為特色, 具標本收藏與展示、科普教育功能。所圖書館現有藏書28萬余冊, 在2200多種館藏期刊中, 最早的西文期刊Annals of Natural History可追溯至1838年。有不少期刊, 如《水生生物學集刊》、《水生生物學報》、Hydrobiologia、Journal of Phycology、Sinesia等都是從第1期開始連續收藏的, 是研究早期生物資源的寶貴資料。研究所科研工作平臺還設有: 分析測試中心, 集中管理大型儀器設備, 以集中管理、開放共享、網絡化支撐和專業化服務的方式, 為科研提供精準、高效、優質的服務; 水生生物數據分析管理平臺,下設水生生物物種鑒定服務中心、水生生物調查數據管理分析中心、超級計算中心, 致力于提供水生生物數據資源匯聚、管理和深度應用于一體的科學數據平臺; 還有主要從事漁業和藻類培養的官橋實驗基地、武漢梁子湖生態漁業研發基地等。研究所目前也是中國科學院大學現代農學院水產系依托單位, 為中國科學院大學水產學科組織單位, 中科院大學水產學科在2016年全國學科評估中為水產學科A+學科。研究所現有生物、環境科學與工程、水產三個一級學科中的水生生物學、遺傳學、動物學、環境科學、水產學五個二級學科的博士學位培養授予點, 以及生物、環境科學與工程兩個博士后科研流動站。

解放以來, 水生所共獲國家級科技成果獎勵38項、中國科學院科技成果獎勵100多項、省、部、委科技成果獎勵100多項; 發表研究論文9000多篇、主持編撰專著155部、授權專利400多項、國家標準和行業標準15項。目前年均發表SCI刊源文章約400余篇(其中1/4位JCR領域前15%刊物)、獲批國家專利30項以上。自成果產出、項目承擔、領域人才集中度等方面考量, 研究所在水產學科中的水產基礎生物學、魚類遺傳育種、淡水生態、藻類生物學等領域具有國內領先地位。今天, 我們回想水生所組建初期的目標, 以及科學院響應國家水產總局動議的預期任務, 水生所在促進我國水產發展、保障我國人民動物蛋白的穩定供應方面, 向國家和人民交上了令人滿意的優秀答卷。

七、迎接健康淡水生態系統維護的新挑戰

按照習近平總書記近期在科學技術座談會講話提出的科研工作應“堅持面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康, 不斷向科學技術廣度和深度進軍”的要求, 作為我國專門從事內陸水體生命過程研究的綜合性研究機構和中國科學院“生態文明”特色所, 水生所應面向國家在水環境保護、漁業可持續發展和微藻生物資源利用方面的重大戰略需求, 針對相關領域的基礎性、戰略性和前瞻性關鍵科技問題, 著力重大理論創新和核心技術突破, 強化創新價值鏈的延伸, 發揮在水生態環境、現代漁業及水生生物資源保護和可持續利用等領域不可替代的作用。

新時期生態文明建設和綠色發展的國策, 使從事水體生態環境健康維護與水生生物資源可持續利用的我們迎來了新的機遇期, 面對淡水生態環境的健康維護、水產綠色轉型升級發展的迫切要求, 我們需要充分發揮自身專長, 鼓足干勁, 傳承過去近百年老一輩水生所科研人員在面對社會和科學發展需求轉換時的應變和創新能力, 在各自領域深化和提升自身開展創新研究的能力, 同時注重采用先進的理念和科研方式,進一步增強承擔和完成國家重大任務的能力。

首先, 我們需要繼續潛心深耕自身特色方向, 充分發揮我們各自開展研究的獨特資源和材料, 從而提供特色化科研合作。正如近期我所研究人員在利用衣藻模式開展表觀遺傳學機制研究、斑馬魚模式在深海魚類的生存機制研究等亮點成果, 便是保持自身突出研究優勢, 協同研究的具體體現。因此, 繼續緊扣各自在水生生物學科基礎研究的特色, 無疑將是我們每一個學科單元安身立命, 并謀求進一步發展的根本。

其次, 也正如我們所面對的水體生態環境問題的系統復雜性, 需要水生態、水環境以及漁、藻資源的利用與維護團隊, 在保持各學科自身獨特研究專長的基礎上, 開展有機合作。新時期的研究使生理和遺傳學研究需要許多組學分析手段的幫助, 而宏觀的生態環境研究也正進入大數據分析時代, 水生所既往長期的、大規模團隊式資源調查, 歷史沉淀下的數據為我們未來發展提供了得天獨厚的優勢, 科技數據匯交和共享不僅是科研的制度管理要求, 也是發揮團隊協作、共享資源優勢, 提升傳統研究所能力的一個重要手段。良好的運行、管理、共享的水生態數據分析平臺, 并與種質資源庫的基因組和表型組數據相連通, 整合開展數據分析管理, 將使我們在水生生物的宏、微觀生物學的研究能力如虎添翼。

當前, 我國水體正面臨較為嚴重的富營養化壓力, 生活污水和產業排放對水環境產生的危害問題突出。針對飲用水水源地環境保護、城市黑臭水體治理、長江生態保護與修復、農業農村污染治理和渤海綜合治理等全面推進的碧水保衛戰是國家和政府部門的標志性重大戰役。國家戰略對于我們是關鍵機遇,也是對水生態環境健康維護的國立專門研究機構的考驗和挑戰。水生所在過去的數十年曾圓滿地引領并完成了國家“解決人民吃魚難”的目標, 我們需在現階段為水產養殖業的綠色轉型作出貢獻, 提供新型養殖模式、品種、精準飼養及尾水處理方案。我們也曾先期部署水生態、水環境方面的研究, 我們應在現階段為碧水保衛戰和水生態服務價值體現, 提供具有示范和引領作用的水生所方案。期待我們繼續堅持學科發展科學理念, 積極面對國家戰略需求, 發揮在水生態研究方向上學科門類齊全、歷史積淀豐富的先發優勢,施展聰明才智, 積極建言獻策, 并致力于團結協作, 擔當敬業, 不負國家、人民和前輩們對我們的期待, 塑造水生所的百年輝煌。