瞭望丨吃虾自由的育种突围
◇海洋所相建海、李富花团队破译全球首个高质量南美白对虾基因组图谱，不但推动我国对虾育种升级到全基因组选择育种新阶段，而且助推世界对虾育种进入精准快车道◇种业创新投资大、耗时长、公益性强，靠任何一家科研单位或企业单打独斗无法完成，培育更多具有自主知识产权的优质种虾，需深度整合产学研用资源，着重发挥企业主导作用
内蒙古乌海市海南区巴音陶亥镇的盐碱水对虾养殖园区工作人员展示养殖的对虾（2022 年 8 月 25 日摄） 刘磊摄 /本刊
从昔日的昂贵海鲜到如今餐桌上的常见美食，二十多年来我国对虾育种产业经历了从无到有，如今正加快形成世界级对虾繁育、养殖产业。对虾养殖业是我国乃至世界海水养殖的支柱产业，其中南美白对虾经济价值最高、养殖产量第一。全球南美白对虾养殖年产量650多万吨，中国产量最高。据《2023中国渔业统计年鉴》，2022年我国南美白对虾总产量约210万吨，约占全球南美白对虾产量的三分之一，亦超过我国各种虾类总养殖量的三分之一。尽管我国对虾养殖规模全球领先，但对虾种源一度受制于人。我国南美白对虾育种起步于本世纪初，由于育种难度大，在相当长一段时间内进口种虾占比超过80%。为扭转种源对外过度依赖，20余年来，在国家863计划、国家现代农业产业技术体系等支持下，科研人员围绕南美白对虾开展了基因组学、遗传学、免疫学等基础研究，不断实现育种零的突破。从2002年至今，我国培育出“科海1号”“中兴1号”等12个南美白对虾品种，基本实现种源自主可控，还培育出“黄海1号”等6个中国对虾品种，支撑起老百姓的吃虾自由。当前，以破译全球首个高质量南美白对虾基因组图谱为标志，中国的对虾育种自主创新按下了快进键，预计几年后就会有用分子育种技术培育的对虾新品种上市，进一步强化我国向海洋要食物的能力。
几经波折换来吃虾自由
我国对虾产业发展经历了从捕捞天然虾苗养殖，到实现本土虾——中国对虾工厂化育苗、养殖，再到引入南美白对虾开展自主育种的过程。上世纪80年代，中国科学院院士刘瑞玉、中国工程院院士赵法箴等科研人员通过摸清中国对虾的产卵习性和生活史，攻克了中国对虾人工育苗难题，实现了对虾工厂化育苗，从根本上改变了对虾养殖主要依靠捕捞天然虾苗的局面，敲开了对虾养殖产业化的大门。上世纪90年代初期，我国人工培育对虾苗种数量连续多年居世界首位。其中，中国对虾的养殖产量占全国对虾养殖总产量的70%以上。当时，育苗问题虽解决，但新品种培育尚未实现，更缺少基础研究支持，人工养殖对虾很难具备抗病性等优良性状。1993年，白斑综合征病毒暴发给全世界虾类带来巨大灾难，也给初生的中国对虾产业当头一棒。自1997年起，中国水产科学研究院黄海水产研究所（下称黄海所）科研人员通过外观表型挑选出性状优良的对虾进行遗传育种，经过6年选育出了具有生长速度快、抗逆性强及遗传结构稳定等特点的中国对虾新品种“黄海1号”。2003年，“黄海1号”通过全国水产原种和良种审定委员会审定，成为我国第一个经“国审”的海水养殖动物新品种。随着我国经济快速发展，对虾供不应求，但中国对虾产量已触及“天花板”。科研人员在继续培育本土对虾新品种同时，引进全球主流对虾品种——南美白对虾，开展新品种选育工作，开辟了对虾品种创制的新路径。
2002年，中国科学院海洋研究所（下称海洋所）研究员相建海课题组以生长速度为主要指标，在海南开展南美白对虾选育工作。他们发明了“养殖对虾阶段式种群选育方法”和“养殖对虾家系的建立和良种选育方法”，最终培育出“科海1号”。2010年，“科海1号”成为第一批通过“国审”的南美白对虾新品种。同一时期国内还相继选育出“中兴1号”“广泰1号”“壬海1号”“兴海1号”等多个南美白对虾新品种，但大部分种虾依然依赖进口。2016年，国外一家头部企业一度断供种虾，仅提供虾苗，敲响了我国加快实现对虾种业自立自强的警钟。为加快育种进程，科研人员完善群体选育、家系选育方法，通过群体选育挑选出多个性状优异个体，为每个个体建立家系，形成明晰的家族图谱，避免近亲交配导致性状衰退。到2022年，“海兴农3号”“渤海1号”等南美白对虾新品种通过国审。“新品种在生产性能上取得了突破性进展，拥有快长、多抗等多性状优势特点，能有效提升国内自主培育品种的市场占有率。”中国科学院院士、全国水产原种和良种审定委员会主任委员桂建芳说。“目前，国外进口南美白对虾种虾只占15%，国内种虾自主供给达85%，其中自主选育的12个新品种种虾占比35%，适合现代设施高密度养殖，剩下的50%是自留种的种虾，适合土塘养殖。我们自主选育的良种具有生长快、抗病等优势，抢占了国外进口种虾大部分市场份额。此前曾对我们断供种虾仅提供虾苗的那家公司，在我国虾苗市场占有率大幅下降。”国家虾蟹产业技术体系首席科学家、中山大学生命科学学院教授何建国告诉记者。
破译基因组 育虾更自主
为加快育种突破，我国科研人员持续加强育种基础研究。2019年，海洋所相建海、李富花团队破译全球首个高质量南美白对虾基因组图谱，不但推动我国对虾育种升级到全基因组选择育种新阶段，而且助推世界对虾育种进入精准快车道。相建海介绍，相较于传统育种方法以及分子标记辅助育种，全基因组选择育种能够精准选择特异性状基因用来育种，选育新品种有可能从此前的6年以上缩短至3～5年。“对虾抗病性状与多个基因相关，这些基因分布在整个基因组图谱中，按照传统育种技术我们难以找到与抗病性状相关的基因。”李富花向记者介绍，破译了对虾基因组图谱，将与抗病性状相关联的基因全部标记出来，再挑选携带这些基因的对虾进行育种，精准性将大大提高。对虾基因组较大，相当于人类基因组大小的三分之二，且组成十分复杂，简单重复的串联序列占到对虾基因组的23.93%以上，获取大片段基因组十分困难，拼成整个对虾的基因组图谱更是难上加难，相建海、李富花团队前后用了十余年时间。“就像拼图时，有大量形状、大小都一样的拼图碎片，如何正确拼接是一个难题。”李富花说，国际上多个团队都试图破译对虾基因组图谱，最后均因难度太大放弃了。
十余年间，李富花团队尝试了各种测序平台以及各种组装软件，直到2014年引进第三代测序仪器之后，突破进程加快，终于在2019年完成南美白对虾全基因组测序和组装，为对虾基因组育种和分子改良工作提供了重要基础平台，为我国高水平自主育种打下坚实基础。以破译的南美白对虾基因组图谱为基础，我国科研人员研制出基因芯片，推动分子标记辅助选育、全基因组关联育种和分子设计育种等新技术在对虾育种中的应用。所谓基因芯片，是将很多分子标记SNPs集聚在一起的组合，通过这个组合可以同时对大量基因和遗传信息进行快速精准的检测和分析，把具有某个性状优势基因型的对虾挑选出来进行精准育种。海洋所研制了“中科芯1号”“中科芯2号”“中科芯3号”3款高、中、低密度的基因芯片，开发了对虾全基因组育种的策略；黄海所孔杰研究员团队研制了“黄海芯1号”基因芯片。这些芯片的研制突破了我国对虾基因组育种缺乏低成本、高通量基因芯片的瓶颈，实现了优质高产和高抗对虾新品种的全基因组选育，已在国内对虾育种企业中应用。“预计几年后将会有使用基因芯片进行分子育种的对虾新品种通过审定。”李富花说。
亟待企业发挥主导作用
采访中，多位研究人员告诉《瞭望》新闻周刊记者，要培育更多具有自主知识产权的优质种虾，还需深度整合产学研用资源，着重发挥企业主导作用。目前，我国对虾育种领域尚存在如下堵点难点：一方面，在新品种培育过程中，企业长期面临风险大、缺少技术、投资高、收益少等问题。李富花给记者算了一笔账，企业在育种、繁殖虾苗、养殖对虾等三个环节的利润比例通常是1:5:5。由于育种环节投入高、利润低，企业通常进口种虾，培育出售虾苗，第二年再进口种虾，多数不愿意在育种环节投入大量资金。另一方面，国内多数科研院所没有养殖基地，难以扩繁虾苗进行中试、新品种推广，只能依赖与企业进行合作。“我们培育的新品种如果没有实现产业化，就像手上拿着的冰棍，不知不觉就融化了。”相建海说。种业创新投资大、耗时长、公益性强，科研单位或企业单打独斗无法完成。为破除科企合作障碍，黄海所提出联合育种思路，即育种平台—育种企业—种虾场—育苗场—养殖场一体部署。2017年，在农业农村部渔业渔政管理局引导下，由全国水产技术推广总站牵头，黄海所为技术支撑，多家水产饲料、种苗、养殖企业以等额资本入股，在山东成立邦普种业科技有限公司（下称邦普种业），这是我国首个南美白对虾联合育种平台。
在邦普种业的各大股东中，黄海所拥有世界领先水平的水产动物多性状复合育种技术体系，同时因为解决了扩繁环节的关键技术难题，能为种虾的规模化培育提供技术方案；三家水产饲料生产企业，在对虾饲料的市场占有率达到80%以上，覆盖国内主要养殖区；一家对虾种苗企业育苗技术行业领先，每年供给南美白对虾苗种总量超过500亿尾；一家公司拥有35万亩生态养殖池，是国内对虾养殖面积最大的企业。强强联合实现了资源整合，解决了南美白对虾育种资源分散、难以形成合力的难题。黄海所研究员、国家虾蟹产业技术体系岗位科学家栾生告诉记者：“与国外种源相比，邦普种业的种虾价格只有国外种虾的一半。目前，邦普种业已经培育出3个尚未经国审的对虾新品系，具有抗病性强、生长速度快等优势。”此外，深入推进水产育种联合攻关，需要企业深度参与，形成创新联合体。中国工程院院士、中国海洋大学教授包振民说：“尤其是在水产品种性状测定方面，我们与育种发达国家还存在差距。没有准确的性状测定，功能基因和分子位点的效应就不清楚，育种技术就很难走出实验室，难以满足产业需要。”他建议，建立由多家企业、科研院所参加的联合测试体系，鼓励在产业一线进行长时间、大规模、多区域的联合测定，以系统性完成这一育种基础性工作。
《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺 李志浩
本文来源：《瞭望》2024年第01期