基因编辑技术培育鲷鱼 肉量显著增加20％

台湾海洋大学水产养殖学系龚纮毅育种团队以基因编辑技术培育出取肉率高且饲料效率优于一般台湾鲷的“海大壮鲷一号”。此品系已经培育到F3子代，其肌肉显著增加，体高、体宽及体重也都优于原品系，取肉率比原品系提高约20%，而且不论雌雄，成鱼都不需要像传统吴郭鱼般一定要单雄性养殖才比较有经济效益。

“基因编辑”为新兴育种技术，台湾海洋大学水产养殖学系龚纮毅育种团队以基因编辑技术培育的“海大壮鲷”取肉率高且饲料效率优于一般台湾鲷。本期特专访龚纮毅老师以谈谈海大壮鲷的基因编辑。

龚纮毅认为基因编辑技术于水产养殖的发展重点为增加取肉率、生长速度、增强抗病抗逆力、提高营养价值等有益经济性状。

 

问：首先请老师先谈谈什么是基因编辑技术？

龚：基因体编辑(genome editing )又称“基因编辑”(gene editing)技术，是近年来新兴的基因体技术。第一代技术最早在2008年就有研究成果，最早都做在模式动物的斑马鱼。目前最流行的CRISPR-Cas9技术是在2013年研发出来。过往基因编辑技术是以蛋白质辨识DNA 的锌指核酸酶(zinc finger nucleases, ZFNs)及类转录活化因子核酸酶(transcription activator-like effector nucleases, TALENs)等技术为主，现在则是快速发展到以短片段RNA辨识结合DNA 的CRISPR - Cas 9 技术。基因编辑技术能利用这些定点核酸酶(site-directed nuclease, SDN)精准切割目标基因，产生双股DNA断裂而诱导细胞内DNA修复机制，在连结断裂端点时自然产生一小段DNA缺失或插入而达到标靶基因突变的精准育种。

问：基因编辑和传统育种方式比较，有什么差别？

龚：CRISPR - Cas 9 技术利用单一引导RNA(guide RNA)辨识目标基因，拥有精准、高效率、易于操作、成本低的优点，目前已被运用于加速水产生物育种的开发上。对于子代数目多、遗传多样性高的水产动物育种而言，基因编辑的精准基因诱变技术可产生更多种不同性状，并可同时进行多种经济性状的选育，大幅缩短选育时间。在选育新品种上，基因编辑技术比起传统育种可以缩短２～３年时间。以目前最新的基因编辑技术，甚至可以将多种想要的条件同时进行编辑，大幅缩减育种的时程。

台湾海大龚纮毅研究团队于2020年透过基因编辑技术建立高取肉率的台湾鲷－－“海大鲷一号”。

 

问：基因编辑用在水产养殖方面有什么优点？

龚：对养殖鱼类进行基因编辑精准育种的发展重点为增加取肉率、生长速度、增强抗病力、抗逆境、性别决定、不孕的生殖限制、提高营养价值及其他有益经济性状。近年在模式鱼种与多种经济鱼种进行精准育种的CRISPR-Cas9基因编辑技术，将单一引导RNA与Cas9 mRNA或Cas9蛋白注入一个细胞期受精卵进行标靶基因突变，具有便宜、快速且精准度高等优点，成为目前经济水产生物主要的基因编辑工具。

问：请你谈一谈海大壮鲷基因编辑技术的过程。

龚：做水产动物的基因编辑首先必须要自己能够人工繁殖，在适当时机取得一个细胞期受精卵进行基因编辑。我们的研究团队原本就已经有繁殖海大尼罗吴郭鱼NT1品系，因此选择这个鱼种做研究，并在2020年成功以CRISPR/Cas9精准突变尼罗吴郭鱼(Nile tilapia)肌肉生长抑制素b(MSTNb)基因。目前已经建立高取肉率的台湾鲷，并命名为“海大壮鲷一号”(NTOU Mighty Tilapia No.1, MT1)。

到2022年这个品系已经培育到F3子代，海大壮鲷一号品系的背部与腹部及两侧肌肉显著增加，体高、体宽及体重也都优于未经成长选育的原品系，取肉率也由原品系的约30％提高到52％，增加约20％。而且海大壮鲷一号不论雌雄，成鱼都明显具有大幅肌肉增生之高取肉率性状，因此不需要像传统吴郭鱼般一定要单雄性养殖才比较有经济效益。

精准育种高取肉率吴郭鱼品系已分别成功在阿根廷、台湾及中国大陆建立，最早其实是Aqua Bounty Technologies在阿根廷开发，但至今仍然没有看到商品化。海大壮鲷未来如果能够推广给业界，可以用提供种鱼方式或者与台湾鲷繁殖业者合作进基因编辑育种，以提高业者繁殖鱼种想要的生长性状。

海大壮鲷一号的骨骼比原品系粗大，判断可能因为要支撑较多肌肉所致。

 

问： 国际上采用基因编辑技术已经使用在哪些经济水产养殖品种上？

龚：经济水产生物基因编辑研究在各国开始蓬勃发展，以物种来看，除了硬骨鱼类的多种食用鱼与观赏鱼外，成功案例还有甲壳类、软体动物、棘皮动物、海藻等物种。根据2011年至今的研究报告，以基因编辑技术成功精准育种的食用鱼有25种：淡水鱼有黄颡鱼(Pelteobagrus fulvidraco)、尼罗吴郭鱼(Oreochromis niloticus)、莫三比克吴郭鱼(Oreochromis mossambicus)、鲤鱼(Cyprinus carpio)、南亚鲮鱼(Labeo rohita)、东北七鳃鳗(Lethenteron morii)、南方鲶(Silu rus meridionalis)、美洲鲶鱼(Ictalurus punctatus)、草鱼(Ctenopharyngodon idellus)、小体鲟(Acipenser ruthenus)、虹鳟(Oncorhynchus mykiss)、大型泥鳅( Paramisgurnus dabryanus )、团头鲂(Megalobrama amblycephala)、银鲫(Carassius gibelio)、黄鳝(Monopterus albus)、鲫鱼(Carassius carassius)、鳢鱼(Channa maculata)。

海水鱼有大西洋鲑(Salmon salar )、半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)、真鲷(Pagrus major)、虎河豚(Takifugu rubripes)、牙鲆(Paralichthys olivaceus)、太平洋黑鲔(Thunnus orientalis)、大黄鱼(Larimichthys crocea) 、巴鲣(Euthynnus affinis)。

甲壳类的有长臂虾属脊尾白虾(Exopalae mon carinicauda)、多齿新米虾(Neocaridina heteropoda)、中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)；软体动物之贝类的太平洋牡蛎(Crassostrea gigas)、太平洋鲍鱼(Haliotis discus)；头足类的长鳍近海鱿鱼(Dor yteuthis pealeii)；棘皮动物的马粪海胆(Hemicentrotus pulcherrimus)、紫海胆(Strongylocentrotus purpuratus)；海藻类的褐藻水云属(Ectocarpus)、绿藻石莼属浒苔(Ulva prolifera)等。

海大壮鲷背部与腹部及两侧肌肉显著增加，体高、体宽及体重也都优于未经成长选育的原品系。

 

问：透过基因编辑技术的养殖鱼种在市面上情况如何？

龚：据个人了解，目前已取得上市许可之基因编辑水产动物有阿根廷的吴郭鱼(Tilapia)、日本的高取肉率真鲷(Pagrus major)与快速生长虎河鲀(Takifugu ubripes)３种。

阿根廷的F LT-01基因编辑吴郭鱼为Intrexon公司与其集团下的AquaBounty Technologies共同开发，透过基因编辑的方式突变肌肉生长抑制素(myostatin-1)基因，可提高14％饲料转化率、提高16 ％生长速率，增加70％鱼片产量。因为不含任何外源基因，于2018年时经阿根廷国家农业生物技术咨询委员会认定，可免除基因改造法令规范，无须受法令监管，但目前尚未上市贩售。

日本的高取肉率基因编辑真鲷为京都大学与近畿大学合作团队所开发，也是透过基因编辑的方式突变真鲷的肌肉生长抑制素基因取得高取肉率。同一团队也利用基因编辑来突变食欲调节讯号瘦体素受体(leptin receptors)基因得到快速生长虎河鲀。该研发团队在京都市成立新创公司Regional Fish，将高取肉率基因编辑真鲷进行上市申请。于2021年９月获得日本厚生劳动省批准后，公司将两项产品分别命名为“22世纪鲷鱼”与“22世纪河豚”，并进行上市规划与销售。根据报导指出，“22世纪河豚”在后续销售中是以线上销售的方式，每月销售高达2,000包。

海大壮鲷一号的取肉率由原品系的约30％提高到52％，若加上头部肉则达约57％。

 

问：除了应用在增肉率以外，基因编辑还可以应用在哪些方面？

龚：水产病毒性疾病为水产养殖产业发展的重要瓶颈。以基因编辑精准突变病毒感染或致病的关键基因来进行抗病育种，可快速建立抗特定病原(specific pathogen resistant, SPR)的抗病品系以提高养殖存活率及减少药物使用。基因编辑在水产抗病育种具有极大发展潜力，目前已有基因编辑成功抗草鱼里奥病毒(grass carp reovirus, GCRV)的草鱼细胞株及稀有鮈鲫模式，以及抗感染性胰脏坏死病毒(infectious pancreatic necrosis virus, IPNV)的基因编辑大西洋鲑鱼细胞株来验证以基因体选育(genome selection)的抗IPNV大西洋鲑鱼品系之抗病毒关键基因成功案例。

问：目前世界各国对虾类病毒性疾病严重，未能透过基因编辑技术培育出抗病毒对虾品系吗？

龚：我们也很清楚对虾病毒性疾病的严重性，也很有兴趣做这方面的研究，但是对虾类的繁殖行为与鱼类不同，交配与受精并非同时进行，而是雌虾蜕壳后新壳未完全硬化前进行交配，等雌虾产卵时雄虾再将其存放于生殖辅助器内(位于第五对步足间)的精子释放出来进行体外受精。因此要在适当的时机取得一个细胞期受精卵进行基因编辑具有难度，对虾类的基因编辑育种为各国亟待突破的。

海大壮鲷一号头部(左边)与身体(右边)横切面可见其明显肌肉增生。

 

问：基因编辑有没有基因改造的疑虑？

龚：使用基因编辑技术在鱼类及其他水产生物进行精准的基因变异，不论判断基础是以育种过程(process-based)或最终产物(product-based)，都没有引进外源的DNA，因此科学上并没有基改生物(genetically modified organisms, GMO)的疑虑。

基因编辑技术的精准育种能增加动植物的产量、抗病力、抗逆境能力及营养价值，从而提高生产力、复原力及可持续性，以因应全球人口持续增加、全球环境变迁及极端气候频繁发生所造成的粮食与动物蛋白供应短缺危机，是符合联合国永续发展目标(sustainable development goals, SDGs)的新兴育种技术。

海大壮鲷一号目前已经培育到F3代子代，无论雌雄成鱼都能有养殖经济效益。

 

问：台湾及国际上对于基因编辑养殖动物的法令上做法是怎样？

龚：我们以日本为例，日本是基改法规严格管理的国家，但日本政府及学者都认为基因编辑技术在精准育种具有很大的产业发展潜力，因此日本已经制定明确且兼顾产业发展与生物安全的制度，并同时主动与民众沟通、宣导认识新兴科技。 2021年日本已经有３种基因编辑食物上市，包括高GABA营养素含量的基因编辑番茄、高取肉率的真鲷鱼及促进成长的虎河豚，都获得日本市场的正面回响。

台湾与日本同为水产消费大区，并且都拥有强大的水产养殖生物科技研发能量。我们的农业基因体学与分子遗传技术的研发有丰沛的基础量能，但仍未有前瞻性的基因编辑精准育种法规。日本政府及学者专家在精准育种法规制订上的前瞻性与推广经验，以及鼓励相关新创产业的发展，相当值得我们借镜与学习。

问：你认为台湾政府应该如何看待基因编辑水产养殖生物？

龚：国际间已有越来越多基因编辑技术衍生作物、水产品与食品上市，各国主管机关也都同意基因编辑技术其实是具有提升人类健康、食品与农业生产之潜能，但若监管政策无法跟上，则可能成为产业发展的阻碍。当国际逐渐认可基因编辑之精准育种对农渔牧产业发展具有巨大潜力且能兼顾粮食安全与民众食品安全，台湾应该赶上国际的发展趋势往前迈进。

台湾政府与产业界若能正面看待这项精准育种技术，进行法规制定与适当监管，才能促进精准育种动植物的开发、市场及新创产业，有效推动农渔牧产业生物科技人才，以增进台湾在水产养殖的国际竞争力。

(《养鱼世界》授权刊登）