魚類性別決定機制及其控制技術

蘇玉鳳 韓卓然

(天津農學院水產學院，天津 300384)

引言

魚類性別控制是水產動物遺傳學研究領域的重要分支，在魚類養殖管理、優良品種選育、提高養殖效益過程中發揮重要作用。在魚類雌雄混養期間，如出現成熟期早、繁殖能力增強等現象，會使魚類將大部分能量用于繁殖，從而降低種群總體生長率。部分經濟魚種雌雄個體間生長速率差異顯著，呈現性別的二態性[1]。此外，某些魚類的雌性配子或性腺具有重要的經濟價值，如歐洲鰉魚(Huso huso)的卵可制成售價不菲的頂級魚子醬。因此，利用性別控制技術選育生長速度快、經濟價值高的單性養殖品種是提高養殖效率及經濟效益的重要手段。

1 魚類的性別決定機制

魚類的性別分化在進化上表現為多樣性及易變性。特別是在硬骨魚類中，其性別表型具有高度可塑性，易受養殖溫度、密度、pH、外源性激素等外部環境因素的影響，并可與個體激素水平、遺傳和表觀遺傳相關調控途徑相互作用，不同程度參與調節魚類性別分化的方向。魚類性別決定機制是性別控制的基礎，開展性別決定相關研究有助于育種方案和性別分化方向的選擇及性別控制技術的實施。

1.1 遺傳性別決定機制

魚類決定性別的基因主要位于性染色體上，常見的性染色體一般包括XX-XY和ZW-ZZ 2種類型。攜帶XX-XY型染色體的雄魚可以產生相同數量的X和Y染色體配子，而雌性只能產生X染色體的配子；大多數魚類如鯉、鯽、鰱、鳙、草魚、虹鱒等都屬于這種類型。相反，攜帶ZW-ZZ型染色體的雄性魚類卻只產生1種配子，而雌魚所攜帶染色體則為不同型，會產生2種染色體配子，如日本鰻鱺(Anguilla japonica)。然而，大量研究結果表明，僅有少部分魚類性染色體存在異型現象，這可能是由于魚類性別分化程度較低，或傳統的細胞遺傳學技術無法識別小規模的差異。如，早期細胞遺傳學研究結果表明，三棘刺魚(Gastrosteus acureatus)無異型性染色體對，但利用現代遺傳學實驗手段研究發現，其Y染色體存在翻轉及缺失現象[2]；相似的，河豚(Takifugu rubripes)的X和Y染色體均存在單一SNP(單核苷酸多態性)變異[3]。

此外，魚類性別不僅由性染色體決定，還由分布在常染色體上的次要性別決定基因決定。研究發現，魚類性別分化趨勢呈性別基因含量依賴型，即雌性決定基因含量若高于雄性，個體則發育為雌性，反之亦然，如斑馬魚(Danio rerio)等[4]。

1.2 環境性別決定機制

環境性別決定是指在魚類發育早期階段的特定時期，其性別分化方向由溫度、光照或營養狀況等外界環境條件來決定的，其中，溫度是影響魚類性別比例的主要環境因素。最早報道的溫度依賴型性別決定(TSD)個體間差異與環境因子改變引起的波動有關，即在早期發育的敏感或不穩定時期，環境溫度的變化可影響性別表型和性別比例。在大西洋銀漢魚(Menidia menidia)中研究發現，該物種在野外和人工飼養條件下中都可表現出TSD特征[5]。同時，TSD也被認為存在于哈奇氏牙漢魚(Odontesthes hatcheri)中，該物種可以用提高養殖環境溫度來培育單一雄性種群[6]。

除溫度外，鹽度、pH、溶解氧等其他環境變量也會影響魚類的性別決定和分化。如，鹽度會影響歐洲鱸魚的性別決定，在性別不穩定時期，將歐洲鱸魚從低鹽度轉移至高鹽度養殖水體中會使其雄性性別比向雌性偏斜[7]。pH對性別決定的影響也已在鯛科魚類和箭尾魚中得到證實[8，9]，如與高pH值相比，低pH養殖環境可選育出更多的雄性西非短鯛(Pelvicachromis pulcher)個體[8]。低溶解氧濃度(缺氧)也可能使種群的性別比向雄性傾斜，如斑馬魚[10]。

在脊椎動物中，遺傳性別決定(GSD)和環境性別決定(ESD)具有不同的時間模式，即GSD發生在受精期間，而ESD發生在性腺發育之前和開始的敏感期。理論上講，與ESD物種相比，GSD物種不易受環境變化影響。然而，越來越多的研究表明環境也會影響GSD物種性別決定[11]。因此，溫度升高會導致一些遺傳性雌性分化出雄性表型，即發生性別逆轉現象。

1.3 性逆轉

魚類對環境因素的敏感性使性逆轉成為可能，這是一種表型性別在外界刺激后不再與基因型性別相對應的現象。如，養殖環境溫度升高后，具有ZW染色體的魚(基因型為雌性)可分化出精巢以及其他雄性特有的第二性征(表現型為雄性)[12]。部分在發育過程中具有易變期(也是敏感窗口或敏感期)的魚類，其性腺會出現向雄性或雌性狀態分化的現象，但當性腺完成分化，性別趨于穩定后，溫度、pH等環境因素的刺激則不會對性別產生影響。然而，自然變性的魚，其性腺直到成年前都可以對內源性或外源性刺激保持反應，如沿著大腦-垂體-性腺軸傳遞的刺激被認為可以誘導多種珊瑚魚成魚的性別變化[13]。

2 魚類性別控制育種技術

2.1 種間雜交控制性別

某些魚類的性別控制和孤雌生殖可以通過種間雜交實現。目前，在羅非魚屬中利用此方法實現性別控制的研究較為廣泛，如將奧尼亞羅非魚(Oreochromis aureus)和尼羅羅非魚進行雜交后，可獲得優勢性別為雄性的奧尼羅非魚；與親本相比(雄性或雌性)，雜交后代生長速度和抗病力均顯著提高。相似的，尼羅羅非魚和荷那龍羅非魚(Oreochromis hornorum)、尼羅羅非魚和巨鰭羅非魚(Oreochromis macrochir)、莫桑比克羅非魚(Oreochromis mossambicus)和荷那龍羅非魚間的雜交后代也可觀察到明顯的性別優勢及生長特性[14]。

2.2 人工誘導雌核發育控制性別

在許多經濟養殖魚類品種中，雌魚生長速度較雄魚更快且成魚體型更大；而雄魚在長至可銷售規格前性腺便已成熟，進而導致生長速率減緩。而混合養殖群體中的雌雄個體存在明顯的體型差異，會導致養殖品種整體產量下降。因此，將經濟效益高的混合養殖品種變為全雌養殖模式受到水產養殖業推崇。人工誘導雌核發育技術是通過物理或化學方法使精子失活，然后用失活的精子激活卵子，使卵子的染色體加倍，完全在母體遺傳信息的控制下發育。對于純合雌性配子種類而言，雌核發育產生的后代均為雌性(XX)，該技術在全雌性養殖魚類的選育中具有重要意義，也為研究魚類性別決定機制奠定了基礎。目前，國內外水產工作者正在通過人工誘導魚類雌核發育成功培育出雌核發育后代，包括金魚(Carassius auratus)、鲇魚(Silurus asotus)、鯉魚(Cyprinus carpio)、小體鱘(Acipenser ruthenus)、鯽魚等[15]。

2.3 溫度控制性別

在魚類中，不同的溫度可誘導多種魚類的性腺向雄性或雌性分化。大西洋銀漢魚是第一種被證明性別溫度下(繁殖季節后期)偏向雄性[16]。而溫度對南美銀漢魚(Odontesthes bonariensis)的性別決定影響更加顯著，在17℃(雌性促進溫度)和29℃(雄性促進溫度)的環境溫度下，其種群性別表型分別表現為完全雌性或完全雄性；在中等溫度下則會產生混合性別種群[17]。岳敏娟[18]利用不同溫度對未性分化的鯽魚仔魚進行培育，發現培育28d后低溫組(16±1℃)、較高溫組(30±1℃)和最高溫組(34±1℃)雌魚占比分別為40.8%、86%和68.2%，表明通過溫度調節可人工誘導鯽魚性別逆轉。

此外，在溫度決定期間，盡管許多魚類中都存在性染色體，但環境溫度的改變也可使性別發生逆轉，如在尼羅羅非魚分化的關鍵時期，當養殖水體溫度高于32℃時，可顯著提高種群雄性比率[19]。此外，Shigeho等通過高溫處理改變了尼羅羅非魚性腺中雌性性別分化基因cyp19a1a和雄性性別分化基因dmrt1的表達水平[20]，表明人工誘導性別逆轉導致尼羅羅非魚性別決定由GSD轉變為ESD。

2.4 性別分子標記輔助育種

魚類的性染色體分化程度較低，其性別很難通過性染色體形態學進行區分；同時，魚類的性別易受到溫度等環境因素影響，這往往導致魚類生理表型和性別基因型無法對應。因此，建立一種可靠、直觀的魚類遺傳性別鑒定法具有重要意義。目前，魚類遺傳學科學家利用AFLP(擴增片段長度多態性)、SNP、RAPD(隨機擴增多態性DNA)、SSR(簡單序列重復)和QTL(數量性狀位點)等多種技術已在多種魚類中成功鑒定到了大量的性別特異性標記，包括虹鱒(Oncorhynchus mykiss)、河豚、鯉魚、大西洋比目魚(Hippoglossus stenolepis)等[21]。近年來，通過高通量測序技術比較雌雄個體基因組差異成為尋找魚類性別分子標記重要途徑，為確定魚類遺傳性別和培育單性養殖魚類新品種奠定了基礎。

2.5 其他技術

魚類基因工程的發展為直接控制參與性別決定或生殖成熟的基因控制魚類性別提供了可能。其中，魚類基因轉移技術(gene transfer technology)和基因編輯技術(genome editing technology)是基因工程的主要技術手段，可通過靶向基因敲除、基因沉默等方式實現魚類性別控制，目前已成功應用到大西洋鮭魚(Salmo salar)、鯉魚、羅非魚、斜帶石斑魚(Epinephelus coioides)等經濟養殖物種中[22-24]。CRISPR-Cas9基因編輯技術是對靶向基因進行特定DNA修飾的技術，該技術成果已應用于魚類基因組精確修飾。在羅非魚中通過CRISPR-Cas9手段敲除位于雄魚Y染色體上的重要性別決定基因amh(抗繆勒管激素)，導致XY型羅非魚發生性逆轉，全部變為生理雌性個體[22]。同樣，在斜帶石斑魚中，過表達amh基因可誘導其發生由雌到雄的性別轉變[23]。此外，Zhai等利用靶向基因敲除技術獲得cyp17a1(17α-羥化酶)基因缺陷鯉魚，隨后選取具有XX基因型的雄性鯉魚與野生型雌性進行交配，所獲得的cyp17a1+/-XX雌性鯉魚性腺發育正常，且體重較普通鯉魚具明顯優勢[24]。因此，利用基因工程技術進行魚類性別精準控制在水產養殖魚類育種過程中具有極高潛力。

3 展望

目前，盡管由于遺傳信息和基因組資源的缺乏造成對魚類性別基因和性染色體的認識仍十分有限，但關于魚類性別決定機制及控制手段的研究仍取得顯著進展。這主要是因為高通量DNA測序技術的快速發展、基因組和轉錄組數據的大量積累以及比較系統發育方法的廣泛應用，極大地推動了魚類性別決定的遺傳基礎研究步伐；同時，許多性染色體特異性分子標記也已成功應用于水產養殖。此外，基因工程技術手段的開發及應用，使在魚類中對參與調控性別的相關基因的功能研究更具可行性。相信隨著基因工程技術及相關生物技術的不斷發展，研究性別差異和性別決定的遺傳基礎以及性別控制育種的生物技術方法將進入一個新的時代。