问题描述

生殖干细胞移植是制备单性种质的前沿育种技术，然而供体生殖干细胞系难于长期培养、受体内源性生殖干细胞不易全部清除、传统移植方式存在非定向性迁移等诸多影响因素，限制了该技术在养殖鱼类单性种质创制中的广泛应用。建立“跨层级基因编辑介导生殖干细胞靶向移植”的育种技术体系，将有效提升生殖干细胞移植的效率，促进该技术在养殖鱼类单性种质创制中的广泛应用，为养殖鱼类单性种质规模化创制提供新思路。

问题背景

多数养殖鱼类雌雄之间在个体大小、生长速率等方面均存在显著差异，因此通过性别控制培育单性群体是提升鱼类养殖经济效益的有效途径。然而，养殖鱼类因性成熟时间较长、精巢与卵巢发育不同步、亲本保存的时间空间要求高等原因，苗种培育工作开展受到了严重制约，难以进行规模化生产。

生殖干细胞移植技术是制备单性种质的前沿育种技术，可以大大提高性控育种的进程。该技术是将供体生殖干细胞移植到受体中，待受体成熟后产生供体的配子，再经人工授精获得供体后代。进行生殖干细胞移植多采用的供体细胞是原始生殖细胞、精原干细胞和卵原干细胞，其中精原干细胞具有自我更新及多能性的干细胞特点、可分化为雌雄配子的潜力、细胞量大且易分离等优势，近年来成为生殖干细胞移植最为理想的供体细胞，成功应用于虹鳟、罗非鱼、鰤鱼、大鳞石脂鲤等多种养殖鱼类中。经过多年的发展，鱼类生殖细胞移植技术已趋于成熟，但仍有问题亟待解决，包括建立鱼类生殖干细胞体外长期培养体系，以保证供体生殖干细胞的持续供应；建立大规模制备不育受体的方法，以保证受体只产生供体来源的配子。

最新进展（截止问题发布年度）

日本学者将成年虹鳟的精原细胞分别移植到雌性和雄性受体中，产生卵子与精子；进一步，该团队建立了虹鳟精原干细胞体外培养体系，移植后可成功在不育受体中产生功能性的卵子和精子，移植效率接近组织分离的精原干细胞，证明体外培养的精原干细胞可用于移植实验，为供体细胞获得提供了新方法。我国学者将基因组编辑的稀有鮈鲫精原干细胞植入受体斑马鱼鱼苗性腺中，可产出稀有鮈鲫精子，并能与稀有鮈鲫卵子进行受精，成功获得了跨亚科物种基因组编辑的供体精子。基因组编辑技术在海水鱼类精准单性育种方面已取得重要突破，并成功运用于供体生殖干细胞特定基因敲除，但仍面临系统优化及生物安全问题的双重挑战。近年来，基于CRISPR/dCas9的表观基因编辑得到越来越多的关注，其可在不改变基因组序列的情况下，实现特定基因的重编程或细胞类型的转分化。例如，在哺乳动物细胞中进行成纤维细胞生长因子fgf21的表观基因编辑，启动子区去甲基化模式可在体外培养细胞中发生多世代维持，并改变靶基因的表达模式。表观基因编辑技术应用到细胞干性相关基因，有望实现生殖干细胞体外稳定传代。目前，中国水产科学研究院黄海水产研究所首次在海水鱼类细胞系水平建立了表观基因编辑技术，但是该技术在海水鱼类中尚无应用报道。生殖干细胞移植实验通常在幼鱼期、成鱼期，通过腹腔注射、“外科手术”注射性腺等方式进行。幼鱼期注射定植率高但对受体的伤害大，成鱼期注射受体成活率高但定植率降低。如何同时提高受体成活率和细胞定植率成为促进生殖干细胞移植技术完善升级的关键。细胞靶向技术是目前医学领域的研究热点，利用多价颗粒和靶细胞的受体特性实现靶位点识别。中国水产科学研究院黄海水产研究所近日开发了海水鱼类中首个特定组织靶向性多肽，并成功实现了双层膜结构外泌体的靶向定位，显示了该技术在海水鱼类中的良好应用前景。

重要意义

我国是世界第一渔业大国，在养殖鱼类中开展性别等优异性状的新种质规模化创制，是提升养殖经济效益并促进养殖产业绿色可持续发展的有效途径。通过生殖干细胞移植进行性别控制是未来单性育种的重要发展方向。构建体外生殖干细胞稳定传代体系、进行受体不育系高效制备、开展生殖干细胞靶向移植，有助于建立跨层级基因编辑介导的生殖干细胞精准移植技术体系，实现单性新种质的精准化、规模化创制，提高育种效率，大幅降低制种风险和成本，并为海水养殖鱼类单性种质规模化创制提供新思路。