海洋科学  2026, Vol. 50 Issue (2): 109-118   PDF    

文章信息

范鑫, 孙晓璇, 徐荣静, 成路遥, 秦搏, 徐文腾, 孟振. 2026.
Fan Xin, Sun Xiaoxuan, Xu Rongjing, Cheng Luyao, Qin Bo, Xu Wenteng, Meng Zhen. 2026.
星突江鲽精子诱导圆斑星鲽雌核发育和异源三倍体的研究
Induction of gynogenesis and hybrid triploidy in spotted halibut (Verasper variegatus) using starry flounder (Platichthys stellatus) sperm
海洋科学, 50(2): 109-118
Marine Sciences, 50(2): 109-118.
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20260119002

文章历史

收稿日期:2026-01-19
修回日期:2026-02-01
星突江鲽精子诱导圆斑星鲽雌核发育和异源三倍体的研究
范鑫1,2, 孙晓璇2, 徐荣静3, 成路遥2, 秦搏4, 徐文腾2, 孟振2     
1. 上海海洋大学水产与生命学院, 上海 201306;
2. 中国水产科学研究院黄海水产研究所, 山东 青岛 266071;
3. 烟台开发区天源水产有限公司, 山东 烟台 264001;
4. 中国水产科学研究院东海水产研究所, 上海 200090
摘要:圆斑星鲽(Verasper variegatus)雌性个体生长优势显著, 开展性别控制育种可充分发挥这一优势, 多倍体育种可获得不育群体, 有望提升生长速度, 二者均为提升养殖效益的重要途径。为建立高效的育种技术体系, 本研究以星突江鲽(Platichthys stellatus)精子为激活源, 成功诱导获得了圆斑星鲽雌核发育二倍体及杂交三倍体, 并对不同倍性胚胎的发育特征进行了比较分析。结果表明, 星突江鲽精子与圆斑星鲽卵子杂交亲和性较高; 在精液层厚度0.4 mm条件下, 精子遗传物质完全失活的最佳紫外线剂量为72.0 mJ·cm–2; 诱导杂交三倍体的适宜冷休克条件为受精后7 min开始, 于−1.8 ℃持续处理35~ 45 min, 此条件下三倍体率接近100%。胚胎发育比较显示, 不同倍性胚胎在发育时序、形态及孵化性能上差异显著: 单倍体组表现出典型的单倍体综合征; 杂交二倍体发育最快但孵化率较低, 尾鳍褶体表呈黄绿色色素; 雌核发育二倍体胚胎发育形态与对照组一致, 除单倍体组外孵化率最低、畸形率最高; 杂交三倍体孵化早于普通二倍体对照组, 尾鳍褶体表色素同杂交二倍体, 但初孵仔鱼畸形率较高。综上, 本研究建立了以星突江鲽精子诱导圆斑星鲽雌核发育二倍体与杂交三倍体的稳定技术体系, 为该物种的性别控制育种、多倍体育种及种质创新提供了可靠的技术支持与理论依据。
关键词圆斑星鲽    星突江鲽    雌核发育    杂交三倍体    胚胎发育    
Induction of gynogenesis and hybrid triploidy in spotted halibut (Verasper variegatus) using starry flounder (Platichthys stellatus) sperm
Fan Xin1,2, Sun Xiaoxuan2, Xu Rongjing3, Cheng Luyao2, Qin Bo4, Xu Wenteng2, Meng Zhen2     
1. College of Fisheries and Life Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
2. Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071, China;
3. Yantai Development Zone Tianyuan Aquatic Products Co., Ltd., Yantai 264001, China;
4. East China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200090, China
Abstract: Female spotted halibut (Verasper variegatus) exhibit a substantial growth advantage, which can be fully exploited via sex-controlled breeding to produce all-female populations. Meanwhile, polyploid breeding can generate sterile groups, potentially enhancing growth rates. Both approaches represent important strategies for improving aquaculture efficiency. Therefore, to establish an efficient breeding technology system, sperm from the starry flounder (Platichthys stellatus) was used as an activating source in this study. By optimizing key parameters, including ultraviolet (UV) irradiation for genetic inactivation and cold shock to suppress the release of the second polar body, gynogenetic diploids and hybrid triploids of spotted halibut were successfully induced. The developmental characteristics of embryos with different ploidy levels were compared. The results showed high hybridization affinity between P. stellatus sperm and V. variegatus eggs. Under a sperm suspension depth of 0.4 mm, the optimal UV dose for complete sperm genetic inactivation was 72.0 mJ·cm–2. Furthermore, the optimal cold-shock conditions for inducing hybrid triploids were a treatment initiated at 7 min post-fertilization for 35–45 min at −1.8 ℃, under which the triploidy rate approached 100%. Comparative embryological analysis revealed considerable differences among the ploidy groups in developmental timing, morphology, and hatching performance: haploids displayed typical haploid syndrome; hybrid diploids developed fastest but had lower hatching rates and developed yellowish-green pigmentation on the tail fin fold; gynogenetic diploids exhibited embryonic morphology consistent with that of the control group but demonstrated the lowest hatching rate and highest deformity rate (excluding haploids); hybrid triploids hatched earlier than normal diploid controls and shared the same yellowish-green pigmentation as hybrid diploids, but the newly hatched larvae presented a higher deformity rate. In summary, this study establishes a stable technical system for inducing gynogenetic diploids and hybrid triploids in spotted halibut using P. stellatus sperm, thereby providing reliable technical support and a theoretical basis for sex-control breeding, polyploid breeding, and germplasm innovation in this species.
Key words: Verasper variegatus    Platichthys stellatus    gynogenesis    hybrid triploid    embryonic development    

圆斑星鲽(Verasper variegatus, 俗称“花斑宝”)是我国北方沿海重要的冷水性经济鲆鲽类。随着人工繁育技术的成熟与推广, 其养殖已逐步实现规模化, 成为区域海水养殖产业的重要组成部分[1-3]。与多数鲆鲽类相似, 圆斑星鲽存在显著的性别二态性, 雌性个体在生长速度与体型规格上均显著优于雄性, 因此培育全雌或不育群体具有巨大的经济潜力[4]

染色体组操作技术, 特别是雌核发育与多倍体诱导, 是现代鱼类遗传育种的核心手段之一, 能够快速建立纯系、固定优良性状、创制单性或不育群体, 并为解析性别决定机制提供重要模型[5-6]。自Purdom[7]首次在鲽科鱼类中成功诱导多倍体以来, 早期建立并优化了以紫外线灭活精子结合冷/热休克抑制第二极体释放的经典路线[5], 针对海水鱼类卵子脆弱等特点, 静水压法因高效低损在大菱鲆等物种中得到成熟应用[8], 精子冷冻保存技术与雌核发育的结合也为异源精子诱导雌核发育开辟了新途径[9]。针对鲆鲽类, 通过雌核发育与定向选育相结合, 研究者成功将牙鲆双单倍体的可育比例从20%~30%提升至80%, 为克隆育种体系的建立奠定了基础[10]。这些进展为圆斑星鲽等经济鱼类的性控育种提供了重要的技术借鉴。

研究表明, 圆斑星鲽的性别决定类型为ZZ/ZW型[11-12], 且已鉴定出雌性特异性分子标记[13-14], 这为通过雌核发育技术快速构建诱导群体, 并利用分子标记进行早期超雌鱼(WW型)筛选奠定了遗传学基础。采用异源精子诱导雌核发育具有独特优势, 灭活的异源精子可确保子代遗传物质完全来自母本, 而未经灭活的异源精子可用于同步探索杂交多倍体育种。前期研究表明, 圆斑星鲽精子与褐牙鲆(Paralichthys olivaceus)[15]、条斑星鲽(Verasper moseri)[16]、星突江鲽(Platichthys stellatus)[17-18]等近缘物种卵子具有较高的杂交亲和性, 但圆斑星鲽卵子与近缘物种精子杂交的研究相对较少。

因此, 本研究以星突江鲽精子为异源激活源, 旨在通过优化精子紫外线灭活与冷休克抑制第二极体释放的关键参数, 评估不同倍性子代的胚胎发育、孵化性能及倍性, 建立一套稳定、高效的圆斑星鲽雌核发育二倍体及杂交三倍体诱导技术体系, 以期为该物种的性控育种与多倍体育种提供新的技术支撑。

1 材料和方法 1.1 亲鱼培育及精卵采集

实验于2024年3–4月在烟台开发区天源水产有限公司进行。所用圆斑星鲽亲鱼为4龄人工养殖群体, 体质量1 260~4 390 g; 星突江鲽雄鱼为4~6龄人工养殖群体, 体质量450~780 g。亲鱼培育条件为水温(11.5±0.5) ℃, 光照周期13 L∶11 D。通过人工注射催产激素诱导排卵, 分别采集2种鱼的精液, 用Ringer’s液稀释后置于4 ℃冰箱避光保存备用。

1.2 星突江鲽精子紫外线灭活处理

将星突江鲽精液按体积比1∶9(精液∶Ringer’s液)稀释, 于4 ℃保存。取稀释后精液平铺于直径9 cm的培养皿中, 液层厚度约0.4 mm, 采用紫外交联仪(Scient Z03-Ⅱ, 宁波新芝生物科技有限公司)进行紫外线照射处理。设置照射剂量梯度为0、36.0、43.2、50.4、57.6、64.8、72.0、79.2和86.4 mJ·cm–2。照射后精子与同一尾圆斑星鲽雌鱼的卵子进行受精, 统计各组受精率与孵化率。实验使用不同雌鱼的卵重复一次, 根据Hertwig效应曲线确定精子遗传物质失活的最佳照射剂量, 用于后续实验。

1.3 冷休克诱导条件的优化

为建立抑制圆斑星鲽第二极体释放的冷休克诱导条件, 在受精海水温度(10.0±0.5) ℃下, 采用同一尾雌鱼的卵子, 以未经灭活的星突江鲽精子受精, 通过冷休克法诱导杂交三倍体。分别对冷休克起始时间和处理持续时间进行优化, 每次实验仅改变1个变量, 其他参数保持恒定, 以评估三倍体诱导率。实验使用3尾不同雌鱼的卵, 以圆斑星鲽精子受精的普通二倍体作为对照组, 各重复3次。参考前期圆斑星鲽雌核发育冷休克诱导的研究结果[4], 实验设计如下:

(1) 起始时间组: 设定冷休克起始时间为3、5、7、9、11 maf (minutes after fertilization), 处理水温为−1.8 ℃, 持续时间为45 min;

(2) 持续时间组: 设定冷休克持续时间为25、35、45、55、65 min, 处理水温为−1.8 ℃, 起始时间为受精后5 min。

1.4 不同倍性胚胎制备与发育观察

取同一尾圆斑星鲽雌鱼的卵, 分成5组, 每份约10 g, 按照上述优化的冷休克条件进行实验, 设置以下5个处理组。

对照组(normal diploid, ND): 圆斑星鲽卵+ 圆斑星鲽精液(干法授精);

杂交二倍体(hybrid diploid, HD): 圆斑星鲽卵+ 星突江鲽精液(干法授精);

单倍体(haploid, HA): 圆斑星鲽卵+ 紫外线灭活星突江鲽精液;

雌核发育二倍体(gynogenetic diploid, GD): 单倍体胚胎经冷休克处理(抑制第二极体排出, 诱导染色体加倍);

杂交三倍体(hybrid triploid, HT): 杂交二倍体胚胎经冷休克处理(诱导染色体加倍)。

受精/冷休克处理后, 各组胚胎置于1 m3水泥池中直径15 cm、高20 cm的半漂浮圆形网袋内孵化。孵化水温为(10.5±0.5)℃, pH 7.8~8.2, 盐度30.5, 溶解氧 > 6 mg·L–1, 日换水量600%。自受精起(0 h)每30 min取样一次, 每次取卵约50粒, 以50%胚胎进入某一时期为该时期的发育时序。使用Nikon Eclipse E200显微镜及Nikon Coolpix4500数码相机进行观察与记录。胚胎发育分期参照王开顺等[19]对圆斑星鲽的划分标准。

1.5 受精率、孵化率统计及倍性检测

各实验组孵化率和畸形率统计时对初孵仔鱼和畸形仔鱼(体轴弯曲、卵黄囊异常、心脏水肿、尾部畸形等)全部计数。倍性检测采用流式细胞术, 每组随机检测30尾初孵仔鱼, 检测前使用二倍体对照样品校准仪器: 调节电压使FL4通道的荧光峰对应荧光通道值100, 设为二倍体参考标准, 具体方法参照Meng等[20]

受精率(fertilization rate, FR)、相对受精率(relative fertilization rate, RFR)、孵化率(hatching rate, HR)、畸形率(abnormality rate, AR)、三倍体率(triploidy rate, TR)统计方法如下:

$ F R=E_{16 \text {-cell }} / E_{\text {total }} \times 100 \%, $ (1)
$ R F R=F R_{\text {tr }} / F R_{\text {con }} \times 100 \%, $ (2)
$ H R=L_n / F E \times 100 \%, $ (3)
$ A R=A B_L / T_L \times 100 \%, $ (4)
$ T R=T_r / T_i \times 100 \%, $ (5)

式中, E16-cell为16细胞期正常分裂卵数, Etotal代表总卵数, 统计卵数为200; FRtr为各实验组受精率, FRcon为对照组受精率; Ln为各实验组全部孵化个体数, FE为该组受精卵总数; ABL为各实验组初孵仔鱼畸形数目, TL为初孵仔鱼总数; Tr为检出的三倍体个体数, Ti代表检测个体数。

1.6 数据分析

数据以均值±标准差表示。受精率、相对受精率、孵化率、畸形率及三倍体率等百分比数据经反正弦平方根转换后, 采用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析(ANOVA), 并用Tukey’s HSD检验进行组间多重比较, 显著性水平设为P < 0.05。

2 结果 2.1 星突江鲽精子紫外灭活处理的Hertwig效应

对照组的受精率和孵化率分别为55.66%±3.81%和59.53%±5.60%。需要说明的是, 本实验所用卵子来源于产卵初期雌鱼, 质量较产卵盛期略低, 导致对照组受精率绝对值偏低。为客观评估两物种的杂交亲和性, 采用相对受精率(杂交组受精率/对照组受精率×100%)进行校正。在此条件下, 星突江鲽精子与圆斑星鲽卵子杂交的相对受精率达95.67%±7.04%, 表明在相同卵子质量条件下, 异源精子的授精力与同源精子相当, 两物种具有较高的杂交亲和性。杂交胚胎可正常孵化, 但其孵化率(19.53%±5.58%)显著低于对照组(P < 0.05)。精子经紫外线照射后, 其受精能力随照射剂量增加而下降。当照射剂量低于79.2 mJ·cm–2时, 相对受精率与杂交组无显著差异; 剂量升至86.4 mJ·cm–2时, 受精率显著降低(P < 0.05)。各剂量组的孵化率呈逐渐下降趋势。在2次独立重复实验中, 剂量低于72.0 mJ·cm–2时, 各组均有正常杂交仔鱼孵出, 高于此剂量所有初孵仔鱼均表现为典型的单倍体综合征(图 1)。因此, 在液层厚度0.4 mm条件下, 采用紫外交联仪确定的星突江鲽精子遗传物质完全失活的最佳灭活剂量为72.0 mJ·cm–2

图 1 紫外线照射剂量对星突江鲽精子授精力与圆斑星鲽胚胎孵化率的影响 Fig. 1 Effects of different ultraviolet (UV)-irradiation doses on the fertilization ability of Platichthys stellatus sperm and the hatching rate of Verasper variegatus eggs 注: 折线表示受精率(左纵轴), 柱形表示孵化率(右纵轴)。折线或柱形上方不同字母表示组间差异显著(P < 0.05)。
2.2 冷休克诱导条件的优化

在冷休克水温(–1.8 ℃)与处理持续时间(45 min)固定条件下, 不同起始时间(3、5、7、9、11 maf)对杂交三倍体孵化率与三倍体率的影响如图 2a所示。孵化率随起始时间延长呈先升后降趋势, 其中5、7、9 maf组的孵化率显著高于3 maf和11 maf组(P < 0.05), 7 maf组孵化率最高, 达17.28%±2.17%。从7 maf起, 各组三倍体率均接近100%。综合考虑诱导率与孵化率, 确定冷休克诱导杂交三倍体的最佳起始时间为7 maf。

图 2 冷休克起始时间(a)和持续时间(b)对圆斑星鲽杂交三倍体孵化率与三倍体率的影响 Fig. 2 Effects of cold-shock timing (a) and duration (b) on hatching and triploidy rates in hybrid triploid induction of Verasper variegatus 注: 折线表示三倍体(左纵轴), 柱形表示孵化率(右纵轴)。折线或柱形上方不同字母表示组间差异显著(P < 0.05)。

在固定水温(–1.8 ℃)与起始时间(7 maf)下, 不同冷休克持续时间(25、35、45、55、65 min)的影响如图 2b所示。持续35 min和45 min的处理组孵化率(分别为14.91%±3.93%和16.28%±2.44%)显著高于其他各组(P < 0.05), 且三倍体率均接近100% (分别为98.90%±1.91%和98.73%±2.19%)。综合孵化率与三倍体率, 确定最佳冷休克持续时间为35~ 45 min。

2.3 不同倍性胚胎发育比较 2.3.1 受精率与孵化率

采用上述优化条件(紫外线灭活剂量72.0 mJ·cm–2, 冷休克起始时间7 maf、持续时间35~45 min、水温−1.8 ℃)诱导的单倍体、雌核发育二倍体、杂交三倍体及杂交二倍体与普通二倍体(对照组)的受精率、孵化率及初孵仔鱼畸形率见表 1。单倍体(HA)与雌核发育二倍体(GD)组的受精率显著低于对照组(ND)(P < 0.05), 而杂交二倍体(HD)与杂交三倍体(HT)组的受精率与对照组相近。孵化率方面, HD组显著高于HT与GD组, 但仍低于ND组(P < 0.05); HA组孵化率最低, 且所有仔鱼均呈现单倍体综合征。

表 1 各实验组受精率、孵化率、初孵仔鱼畸形率 Tab. 1 Fertilization, hatching, and abnormality rates of newly hatched larvae in each experimental group
组别 受精率/% 孵化率/% 仔鱼畸形/%
普通二倍体 86.8 ± 2.70a 67.4 ± 4.37a 3.5 ± 1.00a
杂交二倍体 82.8 ± 1.80a 41.2 ± 3.43b 6.1 ± 1.45b
单倍体 41.2 ± 3.17b 3.5 ± 2.21d 100d
雌核发育二倍体 43.6 ± 4.18b 26.0 ± 4.22c 12.0 ± 2.46c
杂交三倍体 86.4 ± 2.56a 29.9 ± 3.86c 8.4 ± 0.96b
注: 同列数据标注不同字母表示差异显著(P < 0.05)。
2.3.2 倍性鉴定

流式细胞术检测结果显示(图 3), 单倍体组(HA, 图 3a)DNA含量峰值约为普通二倍体组(ND, 图 3b)的一半; 雌核发育二倍体组(GD, 图 3e)与杂交二倍体组(HD, 图 3d)的DNA含量与ND组基本一致; 杂交三倍体组(HT, 图 3c)的DNA含量约为ND组的1.5倍。表明精子灭活彻底, 雌核发育与杂交三倍体诱导率均为100%。

图 3 不同倍性圆斑星鲽仔鱼的流式细胞术倍性分析 Fig. 3 Ploidy analysis of spotted halibut (Verasper variegatus) larvae by flow cytometry
2.3.3 不同倍性胚胎发育形态和时序

在温度为(10±0.5) ℃、盐度29.7、pH 7.8~8.2的孵化条件下, 圆斑星鲽各实验组胚胎发育时序见表 2。普通二倍体(对照组)胚胎经历了典型的卵裂(图 4, ND1-2)、囊胚(图 4, ND3)、原肠胚(图 4, ND4-6)、神经胚(图 4, ND7-8)至孵化(图 4, ND9-10)等阶段, 最终正常孵化, 初孵仔鱼体表色素丛呈棕褐色。

表 2 不同倍性圆斑星鲽胚胎发育的关键时间节点 Tab. 2 Chronological sequence of embryonic development in spotted halibut (Verasper variegatus) across the experimental groups
胚胎发育时序 普通二倍体/min 杂交二倍体/min 单倍体/min 雌核发育/min 杂交三倍体/min
受精时间 0 0 0 0 0
2细胞期 240 220 225 260 260
4细胞期 290 265 280 320 320
64细胞期 570 550 555 565 575
多细胞期 640 620 635 665 670
高囊胚期 720 695 705 725 730
低囊胚期 860 850 865 870 870
原肠早期 1 510 1 485 1 520 1 500 1 510
原肠中期 1 680 1 665 1 770 1 680 1 685
原肠后期 2 065 2 040 2 110 2 090 2 120
神经胚期 2 370 2 350 2 400 2 375 2 380
克氏囊期 4 280 4 240 4 655 4 285 4 250
出膜前期 8 120 8 080 9 510 8 860 8 070
出膜期 8 935 8 900 10 290 9 525 8 890

图 4 圆斑星鲽不同倍性组的胚胎发育形态比较 Fig. 4 Morphological comparison of embryonic development among different ploidy groups of spotted halibut (Verasper variegatus) 注: ND, 普通二倍体; HA, 单倍体; HD, 杂交二倍体; HT, 杂交三倍体; GD, 雌核发育二倍体。ND组展示完整发育时序作为参照, 其他组别仅展示代表性发育时期以突出关键差异。

杂交二倍体组(HD)发育速度最快, 胚胎形态与对照组相似, 但胚体相对细长(图 4, HD1-3)。其主要形态区别在于色素表现: 出膜前及初孵仔鱼尾鳍褶体表色素呈黄绿色, 而非对照组的棕褐色色素(图 4, HD4-5)。单倍体组(HA)发育迟滞且形态异常显著。卵裂期即出现细胞分裂不均、排列不规则(图 4, HA1); 囊胚期与原肠期胚盘较小, 胚环与胚盾结构发育不良(图 4, HA2); 出膜前期胚体粗短、色素沉积严重, 器官分化不全(图 4, HA3-4)。其初孵仔鱼呈现典型的单倍体综合征——体型严重弯曲、短粗(图 4, HA5), 孵化耗时最长(10 290 min)。雌核发育二倍体组的发育速度最慢。正常个体胚胎形态与普通二倍体相近, 但该组畸形胚胎比例最高, 表现为细胞分裂不规则、胚体模糊、器官分化不全等(图 4, GD1-2)。正常仔鱼体表色素与对照组一致, 呈棕褐色色素(图 4, GD3-5)。杂交三倍体组(HT)早期发育较慢, 但自卵黄栓期起速度加快, 孵化时间最早(8 890 min)。胚胎形态与杂交二倍体组相似(图 4, HT1-2), 胚体细长、体色素呈黄绿色(图 4, HT4-5), 但胚体发育畸形(图 4, HT3)数目明显高于对照组。

3 讨论

雌核发育与多倍体诱导技术是鱼类染色体组操作的重要手段, 在快速建立纯系、创制不育群体及利用杂交优势等方面具有广泛应用价值[7, 21-22]。本研究以星突江鲽精子为异源激活源, 通过优化紫外线灭活与冷休克参数, 成功建立了圆斑星鲽雌核发育二倍体及杂交三倍体的诱导技术体系。

远缘杂交的成功取决于杂交亲本间的生殖隔离程度及遗传兼容性。本研究结果表明, 圆斑星鲽卵与星突江鲽精子具有较高的杂交亲和性(相对受精率达95.67%), 且胚胎能完成全部发育过程并孵化。这与星突江鲽、条斑星鲽、圆斑星鲽等近缘物种间可杂交的报道相一致[16]。这种亲和性的细胞遗传学基础在于两者具有较近的遗传距离[23]。此外, 圆斑星鲽染色体核型为2n=46t(NF=46)[24], 而星突江鲽染色体核型为2n=48t(NF=50), 染色体数目、臂数及结构的相似性, 也为精卵原核融合后的染色体配对与正常细胞分裂提供了可能, 从而保障了杂交胚胎早期的正常发育。然而, 杂交二倍体组孵化率显著低于对照组, 且初孵仔鱼表现出独特的黄绿色体表色素, 这表明父母本基因组在早期胚胎构建上可以协同, 但在调控后期器官分化等复杂程序时可能出现不协调[25-26]

与同源精子相比, 采用异源精子诱导雌核发育在实践中具有多种优势。首先表现为子代遗传溯源的清晰性与安全性, 使用灭活的同源精子时, 一旦灭活不彻底, 产生的子代必须借助分子标记进行亲子鉴定[9]。而使用异源精子时, 若灭活不彻底, 子代将是遗传物质混杂的杂交二倍体, 这类远缘杂交二倍体即使能够孵化, 其性能通常较差, 或如真鲷与大菱鲆杂交组合一样在胚胎期便出现严重畸形, 这构成了有效的“生物学屏障”[27]。本研究中雌核发育二倍体在体色素等表型上与母本一致, 而杂交二倍体则表现为父本影响的特征, 这种直观的形态学差异为初筛提供了便利。其次, 异源精子技术为同步探索杂交多倍体育种提供了便捷路径, 可高效比较不同育种技术的效果。

紫外线照射是诱导鱼类雌核发育中使精子遗传物质失活最常用的方法, 其最佳剂量需要通过Hertwig效应来确定[5]。鱼类精子遗传物质灭活的照射剂量呈现物种特异性, 此外, 照射时的精液厚度、精子密度、温度以及紫外线设备本身的校准等物理参数都会显著影响照射剂量和灭活效果[28-30]。因此, 在报道和比较此类研究时, 对物理参数的明确描述(如液层厚度)可为后续重复实验提供重要参考。

抑制第二极体排放是诱导三倍体或雌核发育二倍体的关键, 冷休克法的效果受起始时间、处理温度及持续时间三因素制约, 其中起始时间最为关键[31]。抑制第二极体释放的最佳起始时间一般对应于受精卵第二次减数分裂(Meiosis Ⅱ)的中期至后期转换的关键窗口期。在此时期, 纺锤体微管对温度等物理扰动极为敏感, 冷休克能有效破坏其结构, 阻止染色体分离, 从而实现第二极体的保留[32]。本研究结果(7 min)略晚于大菱鲆[33]、牙鲆[34]、大西洋牙鲆[29]等多数鲆鲽类的起始时间(受精后3~6.5 min), 但与条斑星鲽[28]起始时间(7 min)一致。这种差异可能源于两方面: 一是物种特异性, 圆斑星鲽和条斑星鲽亲鱼繁殖及受精卵孵化水温(8~10 ℃)显著低于其他鲆鲽类, 低温导致的细胞周期进程可能略有不同; 二是激活精子的差异, 本研究所用星突江鲽精子的中心粒等细胞器可能参与了卵子细胞骨架的重组, 从而微妙地改变了卵子第二次减数分裂进程。已有研究表明, 异源精子受精后, 其中心粒可参与形成合子的微管组织中心, 影响纺锤体组装与细胞分裂时程[35-36]。值得关注的是, 与圆斑星鲽采用花鲈冷冻精子诱导雌核发育所报道的最佳冷休克起始时间(5 maf)相比, 本研究诱导杂交三倍体的起始时间(7 maf)更晚, 在大菱鲆四倍体诱导和有丝分裂雌核发育诱导起始时间中也同样观察到异源精子受精导致的细胞周期差异[20, 37], 证实了上述推测。

处理持续时间是影响三倍体诱导效率的关键技术参数之一。抑制第二极体的操作并非持续时间越长越好: 时间过短则无法有效阻止第二极体释放, 导致诱导率偏低; 时间过长则可能对受精卵造成显著损伤, 进而增加胚胎畸形与死亡风险。本研究结果(35~45 min)略短于Ji等[4]报道的诱导雌核发育所需的最佳持续时间(40~75 min), 但该研究中40 min与75 min处理组的初孵仔鱼成活率无显著差异, 提示40 min的处理已能达到较好的诱导效果, 这与本研究结论具有一定的一致性。

对不同倍性胚胎发育过程的比较, 有助于评估诱导效果并理解倍性影响发育的机制。单倍体组表现出典型的单倍体综合征, 发育迟缓、胚体畸形且无法存活, 其发育时序特征印证了“母型调控向合子型调控过渡”的理论[38]。杂交三倍体组孵化早于二倍体对照组, 可能与额外的染色体组提供的基因剂量优势有关[25, 39], 但其较高的仔鱼畸形率也提示基因组剂量不平衡可能干扰发育通路[31, 40-41]。除单倍体组外, 雌核发育二倍体组孵化率最低、畸形率最高, 可能与基因组高度纯合导致有害隐性基因表达有关[4]。杂交二倍体发育速度最快, 但孵化率低, 反映了远缘基因组在长期协同适应上存在局限[42]

4 结论

综上, 本研究建立了利用星突江鲽精子诱导圆斑星鲽雌核发育二倍体及杂交三倍体的稳定技术体系, 并明确了其关键参数。该体系具有良好的应用前景: 基于雌核发育技术, 结合已鉴定的雌性特异性分子标记, 可实现超雌亲鱼培育和全雌苗种的规模化生产; 后续对全雌及三倍体苗种养殖性能的系统评估, 将进一步为种质创新与养殖效益提升提供技术支撑。

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