桂建芳院士：鱼类精准育种的开拓者 | “循古道尔世纪之路：中国生物多样性研究与保护探索”专辑科学访谈

桂建芳 院士

鱼类遗传育种学家, 中国科学院水生生物研究所研究员、博士研究生导师; 中国科学院院士, 发展中国家科学院院士. 曾任中国科学院水生生物研究所所长(1999~2007年), 淡水生态与生物技术国家重点实验室主(2001~2011年), 国家水产原良种审定委员会副主任(2013~ 2019年)及主(2019~2025年)等. 现任中国水产学会副理事长, Water Biology and Security Aquaculture and Fisheries 主编; Science Bulletin, Science China Life Sciences,《中国科学: 生命科学》和《科学通报》编委等. 已发表研究论文570多篇, 出版专著和研究生教材11部. 长期聚焦于鱼类遗传育种生物学基础和相关生物技术研究及精准育种技术研发, 首创多倍体银鲫和全雄黄颡鱼遗传育种技术路线, 主持或合作培育水产新品种4个, 创制出既“无肌间刺”又不育的可用于养殖的无肌间刺异育银鲫. 荣获全国五一劳动奖章和全国先进工作者称号, 获国家自然科学奖二等奖、湖北省科技突出贡献奖和何梁何利基金科学与技术进步奖等30多项科技成果奖或荣誉.

《科学通报》专访桂建芳院士, 让我们从一尾鱼开始, 走进他为之倾尽近半个世纪的科研沃土, 聆听他探索路上的历程与心声.

问: 在漫长的科研生涯中, 有没有一件让您印象格外深刻、至今记忆犹新的经历或故事? 是什么促使您选择这一科研方向并数十年深耕不辍?

桂建芳:我的故乡在湖北省黄梅县, 那里水网交织、河湖密布. 儿时的我常驻足湖畔, 看碧波微漾、鱼群穿梭, 那些时隐时现的水中生灵, 构成了我对鱼类最初的记忆. 作为恢复高考后的首届大学生, 我有幸考入武汉大学生物系. 本科毕业之后, 又师从余先觉、周暾先生, 在武汉大学进行了三年的鱼类细胞遗传学研究. 在对30多种鱼进行核型分析后, 我观察到一个特别的现象: 一般二倍体鱼类只有48或50条染色体, 而鲫却不同, 它是天然的多倍体鱼类, 具有100、150, 甚至200多条染色体. 更为奇特的是, 银鲫天然种群几乎全是雌性, 宛如一个“女儿国”. 这是为什么? 它们如何繁殖后代? 种群中寥寥可数的雄鱼又扮演什么角色? 这些无声的谜题, 如同一颗颗火种, 瞬间点燃了我的好奇心. 此后, 受异育银鲫研究的开拓者蒋一珪先生的引荐, 我加入了中国科学院水生生物研究所, 正式开启了银鲫的研究之路.

当然, 除了这一奇鱼在遗传机制上的独特魅力, 能让我们团队持续数十年深耕鲫遗传育种的, 还有一个重要的现实动因: 鲫是我国重要的大宗淡水鱼类. 20世纪80年代, 市场上大鲫鱼每斤售价高达8~10元, 寻常百姓家难以承受, 解决“吃鱼难”这一民生痛点, 成为我持之以恒的动力. 自20世纪80年代初以来, 我们团队对鲫种质资源进行了系统的调查、揭示了雌核生殖银鲫雄性发生的遗传基础、发现并充分利用了银鲫独特的生殖潜能, 结合传统选育、雌核生殖、分子标记和细胞工程育种等技术培育的异育银鲫“中科3号”和“中科5号”等在内的5代异育银鲫系列新品种, 有力带动了我国鲫鱼产量的快速提升, 在产业中发挥了重要作用.

问: 作为我国鱼类遗传育种领域的领军科学家, 能否请您系统介绍一下团队近年来取得的标志性突破成果? 在推动基础研究向产业应用转化、服务我国水产种业振兴方面, 您和团队重点开展了哪些工作, 取得了怎样的实际成效?

桂建芳:近年来, 针对单性雌核生殖银鲫基因组特征不明, 遗传与克隆多样性机理不清等难题, 我们比较解析了有性生殖鲫和单性生殖银鲫的基因组, 首创“双三倍体”概念, 发现银鲫是经一次异源加倍再经一次同源加倍演化形成的双三倍体. 进一步, 将一套有性生殖鲫的二倍体基因组整入到双三倍体银鲫, 成功创制并鉴别出具有有性生殖能力的双四倍体雄鱼. 随后, 以双四倍体雄鱼与双二倍体鲫雌鱼回交获得了具有高度遗传多样性的新双三倍体群体. 研究发现, 从双三倍体到双四倍体, 然后从双四倍体到新双三倍体的倍性变化, 驱动了物种从单性到有性和从有性到单性的生殖方式转换, 从而导致了多倍体鲫复合种的遗传和克隆多样性. 这些发现破解了“单性物种如何获得与维持遗传多样性”的经典进化遗传学难题, 由此创建了基于生殖方式转换导致基因组重构产生优势克隆系的设计育种技术体系. 采用这一技术体系, 团队以“中科3号”为底盘品种, 创制出系列新种质, 筛选培育出具有高产、抗病、节粮三大优势性状的待审品种异育银鲫“中科6号”. 相对底盘品种“中科3号”, 生长速度平均提升25.0%, 养殖存活率平均提升66.5%, 饲料效率平均提升20.1%. 该品系有望成为集高产、抗病、节粮三大优势的首个突破性新品种, 具有重大的应用价值.

此外, 针对消费者普遍反映的鲫鱼肌间刺影响食用体验与深加工的问题, 我们建立了适用于多倍体鱼类的高效基因编辑方法, 之后联合华中农业大学团队, 鉴定出调控银鲫肌间刺发育的两个部分同源基因, 通过敲除其全部6个等位基因, 首次获得完全无肌间刺的银鲫新品系. 同时, 团队还在金鱼中鉴定出多个性状的因果基因, 将俯视金鱼的龙睛和白化性状在侧视金鱼中精准重现, 创造出遗传稳定、观赏价值高的“龙狮”“金兔”“玉兔”等十多个金鱼新品系, 部分已完成成果转化, 拓展了基因组设计育种在观赏鱼中的应用.

为规避基因编辑个体逃逸可能引发的生态风险, 我们团队从新形成的双三倍体雌性群体中鉴定出一个新的非减数融合生殖克隆系, 发现该克隆系兼具雌核生殖产生不减数卵子的能力与有性生殖进行精卵融合的能力. 将“非减数融合”生殖与基因编辑相结合, 创建了育性可控设计育种技术体系; 由此创制出既“无肌间刺”又不育的可用于养殖的无肌间刺异育银鲫. 该技术体系可从源头上杜绝养殖逃逸带来种质混杂的生态风险, 为基因编辑水产品产业化和生态安全监管提供了解决方案.

至此, 我们以一种鱼为载体, 贯通“生殖机制解析—育种技术创新—新品种培育—生态安全管控”全链条, 开拓出鱼类精准育种的技术体系. 2024年, 异育银鲫系列成果入选“中国科学院建院75周年75项标志性首创成果”之一, 标志着上述工作在基础科学探索与产业应用上均具有里程碑意义.

问: 您对我国水产遗传育种学科与产业的未来发展有何展望? 在您看来, 当前最需要突破的短板有哪些, 应重点开展哪些方向的前沿探索?

桂建芳:近年来, 我国水产遗传的基础研究和育种技术不断取得突破, 产生了一批原创性成果, 创建了多种精准育种技术. 截至2026年, 已有306个水产新品种获得农业农村部批准进行推广养殖, 另有涵盖鱼类、虾类、贝类等的30个水产新品种正在公示待批准. 这些新品种的诞生使我国水产产业逐渐摆脱对野生种的依赖, 特别是鲫、鲤等已基本实现良种化. 然而, 尽管优良品种培育成效显著, 研发层面仍存在明显短板. 这主要表现为: 多数研究聚焦于单一性状, 重要经济性状形成的遗传基础解析不足, 原创性发现和新理论较为匮乏, 具有自主知识产权且具备重大育种价值的基因资源稀缺; 在实际育种应用中, 仍以群体选育、杂交等传统技术为主, 育种的科学性与精准性难以充分体现, 多性状耦合协同改良的突破性优良新品种依然缺乏. 纵观全球水产遗传改良的发展趋势, 育种目标已明确指向生长、饲料转化率、抗病抗逆、营养品质等多个重要经济性状同步提升. 比如挪威围绕生长速度、性成熟年龄、抗病、肌肉中脂肪与氨基酸含量等多性状综合改良, 成功打造“挪威三文鱼”品牌; 美国培育的高产和抗桃拉综合征病毒的凡纳滨对虾良种, 已占据国际养虾业的主导地位.

基于上述情况, 当前水产种业前沿进展和未来发展趋势主要表现在以下三个方面:

一是推进多性状耦合的智能精准育种, 培育综合性状突破的新品种. 在高产基础上, 应加强抗病、抗逆、饲料系数、肉质等性状研究, 深度解析基因-性状-环境之间的调控网络; 集成基因组、表型组、环境参数等多维数据, 构建“先智能预测、再育种验证”的智能精准育种, 培育具有重大应用价值的多个优良性状耦合的突破性新品种.

二是加快基因编辑技术研发与产业化应用. 基因编辑技术自诞生以来, 已成为全球种业竞争的制高点, 引领包括分子设计育种、多重基因编辑与性状叠加、数量性状座位编辑、从头驯化、单倍体诱导、多倍体合成、人工无融合生殖等精准遗传改良技术的创新与育种新策略的变革, 催生新产业、新模式, 形成新质生产力. 据预测2027年全球基因编辑市场规模将达到157.9亿美元. 在水产育种领域, 基因编辑技术已取得重要突破. 以鱼类肌间刺为例, 在鉴定到调控肌间刺发育的关键基因runx2b 和bmp6 等的基础上, 华中农业大学、中国科学院水生生物研究所、中国水产科学院黑龙江水产所等单位, 已分别从团头鲂、异育银鲫和鲫中获得了无肌间刺突变体, 成为鱼类品质性状改良的重大标志性成果. 因此, 在加强鱼类等水产养殖动物功能基因组学研究、完善精准育种技术研发的基础上, 创建更精准的设计育种技术体系的同时, 应尽快发布农用动物基因编辑准则, 颁发评审流程, 尽快推动基因编辑水产养殖动物的研发与产业化应用.

三是深化产学研融合, 培育自主创新的种业龙头企业. 企业、科研院所和高等院校是全球科技研发的三大执行主体. 国际上重要的水产遗传育种成果多源自大型育种计划的长期布局. 例如, 挪威自20世纪70年代起系统部署鲑鳟选育, 扶持创建了大型跨国种业集团AquaGen, 几乎垄断了国际鲑鳟良种供应; 美国自20世纪90年代部署凡纳滨对虾育种计划, 后由对虾改良公司(Shrimp Improvement System, SIS)等主导自主良种研发与规模化经营, 几乎垄断了全球种虾市场. 著名的转基因鱼先锋公司AquaBounty Technologies, 其前身亦依托多伦多大学和纽芬兰纪念大学的技术支撑, 成功研发出AquAdvantage®转基因三文鱼并获得FDA批准上市. 国内方面, 水产行业龙头海大集团近期与华中农业大学及我所在团队合作开发无肌间刺鱼, 合同金额分别达5000万元和6500万元, 显示出科企融合的巨大潜力. 因此, 针对当前多数水产品种“有种无业、有业无市”的产业痛点, 建议深度推动产学研融合, 紧扣市场需求, 激发市场活力, 强化企业在技术创新与绿色发展中的主体作用. 鼓励企业牵头组建、高校和科研院所协同推进产业创新联合体, 加强科企深度融合, 培育一批具备自主创新能力的水产种业龙头企业, 全力推进水产种业的产业化升级.

问: 您的成果先后荣获国家自然科学奖二等奖、湖北省科技突出贡献奖、何梁何利科技进步奖等三十余项重要科技奖励或荣誉. 在这些荣誉背后, 您最深的感触与体会是什么? 对于当下投身科研的青年学者, 您最想给予哪些嘱托、鼓励与期望?

桂建芳:回顾四十多年的科研生涯, 我最深的体会可凝练为三个关键词: 好奇、坚持与传承.

好奇是求真拓新的原动力.求学时期对银鲫独特遗传特性的求知欲, 支撑我数十年来持续深耕其遗传机制研究. 染色体观察与基因组解析在旁人眼中或显枯燥, 于我而言却蕴含无穷探索之趣——团队历时近十年, 通过比较基因组学解析, 揭示银鲫为一种双三倍体(amphitriploid), 该术语亦由我们首次提出. 每一次遗传奥秘的阐明, 都是对科学好奇心最珍贵的回馈.

坚持是科学研究的底色.从基础发现到品种落地, 注定要经历漫长的周期. 选育一个水产新品种, 通常须经四代筛选, 而部分大型鱼类每代需4~5年方能性成熟, 仅四代选育便近20年, 其后尚需2年中试验证. 我主持培育的第一个水产新品种“中科3号”, 从研究启动至通过国家审定历时十余年; 无肌间刺银鲫的创制, 更是建立在数十年基因组系统解析和关键基因功能验证的基础之上方获突破. 科研之路, 从无捷径可循, 唯有脚踏实地、努力耕耘.

传承是科技进步的内在脉络.在我加入中国科学院水生生物研究所之前, 蒋一珪先生等已开创了银鲫雌核生殖研究的先河. 正因如此, 在“中科3号”品种命名之际, 我坚持将蒋先生等人早期培育的品种追认为1号和2号, 以示对前人开拓性贡献的尊重. 如今, 我的学生已成长为独当一面的科研骨干, 学术薪火代代相传. 科技的进步绝非一人一时之功, 而是一代代科研工作者承前启后、接续奋斗的结晶.

对于青年学者, 我寄予三点期望: 其一, 永葆对科学问题的好奇心, 勇于追问本质, 不盲从、不跟风; 其二, 耐得住寂寞, 沉心静气做好当下研究, 选准方向后持之以恒; 其三, 心怀“国之大者”, 将个人学术追求与国家重大需求、民生关切紧密结合, 把论文写在祖国的大地上. “做科研要像鱼一样, 敢于逆流而上”. 期待青年一代科技工作者在各自领域勇毅前行, 以扎实的学术积淀和深沉的家国情怀, 为我国科技自立自强贡献青春力量.

文章信息

张晓娟, 袁佳睿. 桂建芳: 鱼类精准育种的开拓者[J]. 科学通报, 2026, 71(28-29): 6594-6597.

https://doi.org/10.1360/CSB-2026-0932

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