生物技术在水产养殖中的应用

生物技术在水产养殖中的应用生物技术在水产养殖中的应用 摘要 生物技术是现代生物学发展及其与相关学科交差融和的产物 包 括基因工程技术 微生物工程技术 生化工程技术 细胞工程技术以及生物制 品等领域 生物技术的全面发展给水产养殖学科的产生和发展提供了更为成熟 的理论基础 不仅解释了水产养殖中一些理论基础 而且解决了很多水产养殖 中困扰已久的难题 越来越多的自然科学技术被应用到水产动物遗传育种 水 产动物营养与饲料 疾病诊断 免疫防控 水质调控以及水产品质量安全检测 等方面 关键词 生物技术 水产养殖 应用 我国水产养殖有着悠久的历史 远在 3000 多年前的殷末周初就有养鱼的 记录 至公元前 5 世纪的春秋战国时代 陶朱公范蠡根据当时的养鱼经验编写 了世界上第一部养鱼著作 养鱼经 经过几千年的养鱼实践 不断地积累了丰 富的技术经验 水产养殖业取得了长足发展 到了近代 生物技术的全面发展 对水产养殖业产生了深远的影响 几乎对水产养殖的每个方面都起到了积极的 指导作用 本文主要从水产动物遗传育种 水产动物营养与饲料 疾病诊断 免疫防控 水质调控以及水产品质量安全检测等几个方面简要论述生物技术的 应用 1 1 生物技术在水产动物遗传育种上的应用生物技术在水产动物遗传育种上的应用 1 11 1 分子标记技术分子标记技术 水产养殖业的发展一直受到种质退化的严重制约 将分子标记技术应用于 水产动物遗传育种的研究 不仅有利于防止种质退化 选育优良品种和对养殖 品种的遗传改良 而且还有利于野生种质资源的恢复 保护 从而使水产动物 健康养殖走上可持续发展的道路 目前 一些常用的分子标记如同工酶 AFLP 和微卫星等 已被广泛地应用到水产动物系统发育 遗传育种及疾病检测等领 域的研究中 梁利群等 2000 利用 RAPD 技术对荷包红鲤抗寒品系的基因组 DNA 进行分析 找到了用 RAPD 技术从分子生物学角度对荷包红鲤抗寒品系进行 鉴定的方法 2 1 21 2 人工雌核发育技术人工雌核发育技术 人工诱导雌核发育是指采用物理或者化学方法使精子遗传失活 再以这种 精子激活卵子 但精子不参与合子核的形成 卵子仅靠雌核而发育成胚胎的技 术 随着对鱼类天然雌核发育认识的不断深入 科学家也在不断探索人工雌核 发育技术及将其应用于鱼类遗传育种中的可行性 目前 已成功培育出红鲤 斑马鱼 尼罗罗非鱼 莫桑比克罗非鱼 稀有鮈鲫等多个人工雌核发育品系 为研究鱼类性别决定机制 单性养殖及养殖新品种的开发研究和生产实践提供 了宝贵素材 1 31 3 人工多倍体诱导技术人工多倍体诱导技术 人工多倍体是运用染色体组操作技术使之在正常的二倍体基础上再增加一 套或两套以上染色体的方法 因外加染色体是否同源而分为同源多倍体和异源 多倍体 多倍体的诱导方法有物理方法 化学方法 远源杂交和倍间多倍体等 鱼类染色体的特点之一是可塑性较大 易于加倍 如果在精子入卵而第二极体 尚未排出之时 对受精卵进行热休克 高温 冷休克 低温 高压或化学药 品等处理 阻止第二极体排出卵外 则可诱导出三倍体个体 如果抑制第一次 有丝分裂 则可获得四倍体个体 四倍体鱼再与二倍体染交 也可获得三倍体 鱼 种间杂交受精卵经三倍体诱导技术处理而培育出的三倍体称之为杂交三倍 体 三部体鱼往往是不育的 这对经济鱼类的养殖意义重大 它避免了性腺发 育阶段和产卵季节肉质下降及性腺发育时期的生长停滞和死亡率上升 减少了 养殖成本 利用其不育性还可以控制养殖鱼类的迅速繁殖和防止对天然资源的 干扰 人工诱导的主要目的在于利用三倍体具有生长快 肉质好 生命周期长 等特点 另外三倍体种群还具有较高的抗病力和抗逆性 1 41 4 转基因技术转基因技术 在一定条件下 借助基因工程技术将外源基因通过生殖细胞或早期胚胎导 入动物个体染色体上的过程称为转基因作用 所转移的基因即为转移基因 而 含有转基因的鱼类称作转基因鱼 1984 年中国科学院水生生物所朱作言等将 小鼠金属螯合蛋白基因与调控序列和人生长激素基因的 DNA 注射到鱼的受精卵 核内 培育出生长速度快的转基因鱼 从而证明了外源基因可以在受体鱼内螯 合 表达 促生长 并通过性腺传递给子代 建立了世界上首例转基因鱼模型 随后 美国 英国 加拿大等数十个实验室先后展开了鱼类基因转移的研究 并取得了一定成果 转基因鱼的研究成功展示了鱼类基因育种研究的广阔前景 并带来了多方面的潜在价值 1 51 5 细胞融合技术细胞融合技术 鱼类细胞融合技术指采用化学或物理的方法将两个或多个紧连的细胞融合 成一个细胞 它改变了以往的传统鱼类育种方式 可按照人们的主观意愿 把 来自不同组织类型的细胞融合在一起 鱼类细胞融合法在遗传育种 培育新品 种等方面具有广阔的应用前景 正日益成为生物技术和细胞工程中的热点 易 泳兰等把大鳞副泥鳅 鳗尾泥鳅 杂交囊胚细胞与大鳞副泥鳅卵电融合 培育出了融合鱼 其外形兼有双亲特征 余来宁等采用电融合结合继代移核法 将对草鱼出血病病毒 FRV 有抗性的草鱼肝细胞株 GLA 的细胞核移植到草鱼未 受精卵内 获得了一批不同发育期的胚胎和存活的仔鱼 1 61 6 细胞核质杂交细胞核质杂交 核移植核移植 技术技术 细胞核移植是应用显微操作 将一种动物的细胞核移入同种或异种动物的 去核成熟卵内的方法 将一种动物细胞核移植到另一种动物卵细胞 由此发育 成的杂种称核质杂种 细胞核移植的操作主要有供体和受体的准备 去卵膜 挑去卵核 分离囊胚细胞和移核等程序 严绍颐等将鲤鱼胚细胞核移植到鲫鱼 去核卵中 获得的核质杂交鱼具有较高的养殖价值 谢忠明等以鲤鲫移核鱼二 代为父本 黑龙江散鳞镜鲤为母本 经常规有性杂交获得第 1 代杂交种 颖 鲤 已在全国推广 1 71 7 无特定病原无特定病原 SPF SPF 技术技术 无特定病原动物是指无特定的病毒 微生物和 或寄生虫存在的动物 SPF 指特定病原体的具体现状 不针对病原体的抗性或未来病原体的状况 SPF 是 一个病原控制概念 核心技术是病原检测技术 该技术在对虾中的应用很成功 推广普及较为成功 SPF 对虾即为无任何特定病原感染的对虾 病原应符合 3 个标准 一是被可靠诊断的病原 二是可以被成功分离的病原 三是对产业可 形成重要威胁的病原 SPF 对虾的繁育工作遵循严格的病原监测和控制标准 采用一系列育种 养殖 成熟技术 完全将对虾的生命周期控制在人工条件之 下 结合良种选育手段对种质进行改良 从实质上来说 这一过程是一种严格 的接近理想状态的野生动物驯化过程 为对虾适应长期的人工养殖条件打下了 基础 SPF 对虾的主要贡献 一是能在人工控制条件下稳定保持一个或几个具有 遗传多样性的无特定病原的对虾种群 二是能向对虾养殖企业提供 SPF 亲虾和 SPF 苗种或高健康苗种 2 2 生物技术在水产动物营养与饲料中的应用生物技术在水产动物营养与饲料中的应用 近年来 生物技术发展迅速 在动物营养研究和饲料业中得到了广泛的应 用 利用生物技术生产的饲料添加剂 如酶制剂 微生物添加剂 寡糖 激素 短肽 核苷酸等 对促进养殖动物的生产性能 提高养殖动物的健康水平有重 要作用 利用生物技术可开发饲料源 扩大蛋白质饲料来源 提高饲料的营养 价值及利用率 促进养殖业的持续健康发展 2 12 1 基因工程技术基因工程技术 随着基因工程技术的发展和运用 很多有生物活性的多肽或蛋白质可以较 容易地被合成 且成本低廉 由于鱼类胃肠道对多肽和蛋白质的吸收能力较强 使得基因重组产品能较方便 快捷地对鱼类的生理活动进行调控 尤其是在促 进鱼体生长方面 例如 对银大麻哈鱼 鲻鱼和草鱼投以基因重组生长激素 可有效刺激鱼体生长 2 22 2 酶工程技术酶工程技术 酶工程是生物技术的一个重要组成部分 它是指在一定的生物反应器内 利用酶的催化作用 进行物质转化的技术 而酶制剂则是酶工程的代表性产物 酶制剂是从动 植物和微生物中提取制备的具有酶专一的高效生物活性物质 通常与少量载体混合而制成粉剂 目前 应用生物技术生产的酶有蛋白酶 脂 肪酶 糖化酶 植酸酶 纤维素酶 非淀粉多糖酶 果胶酶等 大多数酶来自 真菌类 葡聚糖酶 木聚糖酶和植酸酶等已经被克隆 水产动物饲料中添加 适量合适的酶制剂 有利于促进养殖动物对饲料的吸收 转化 提高养殖动物 的生产性能和健康水平 2 32 3 微生物工程技术微生物工程技术 微生物工程也称发酵工程 是一门将微生物学 生物化学和化学工程学的 基本原理有机地结合起来 利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质 的工程技术 该技术可用于饲料的青贮 改善饲料的营养价值 微生物饲料的 生产以及用微生物来净化有毒的物质 消除有毒气体和恶臭物质以及处理有机 废水 废渣等 还可用于生产抗生素 维生素 透明质酸 微生物蛋白 氨基 酸和一些食品添加剂 如柠檬酸 乳酸 天然色素等 等 饲料中添加氨基酸可 以平衡氨基酸的比例 提高蛋白质的利用效率 减少氮排出造成的环境污染 3 3 生物技术在水产动物疾病诊断中的应用生物技术在水产动物疾病诊断中的应用 3 13 1 核酸技术核酸技术 3 1 13 1 1 核酸探针核酸探针 核酸探针是指利用特定标记的 DNA 或 RNA 探针同病原生物中的与探针互补 的靶核苷酸序列进行杂交 以此来确定宿主是否携带病毒的一类分子生物学技 术 该方法以其灵敏度高 特异性强 简便快速等特点 在病原检测中倍受青 睐 如雷质文等采用原位杂交技术对中国对虾体内的自斑综合征病毒 WSSV 进 行了检测 结果表明此技术在对虾暴发性流行病的诊断方面具有很高的应用价 值 3 1 23 1 2 聚合酶链反应聚合酶链反应 酶链反应技术 PCR 是指在引物的指导下 体外酶促反应 迅速扩增 DNA 片段的一种方法 PCR 技术具有高度的灵敏性 但由于 PCR 受多种因素影响 需要进一步试验 如限制性酶切 探针杂交或核苷酸测序 加以验证 目前 PCR 在水产动物病原的操作中 已成功应用于毛蛤甲肝病毒 对虾桃拉病毒 白斑 病毒的检测等 3 23 2 免疫学技术免疫学技术 3 2 13 2 1 单克隆抗体单克隆抗体 单克隆抗体是指由单个细胞传代所产生的高纯度 高特异性的抗体 它与 常规血清抗体相比 具有更强的特异性与针对性 且制备简单 因而在病原检 测中得以广泛应用 20 世纪 80 年代后期 已成功研制出传染性胰腺坏死病毒 出血病毒等单克隆抗体 并用于鱼类多种疾病的诊断 近年来 有学者已成功 制备了抗鳗弧菌的单抗和抗嗜水气单胞菌的单抗 我国在单克隆抗体技术中 将其应用于检测草鱼出血病毒和对虾白斑病毒 均获得了较为满意的效果 3 2 23 2 2 酶联免疫吸附酶联免疫吸附 酶联免疫吸附检测 ELISA 是将抗原或抗体吸附在载体表面 通过酶与底 物显色来检测特异性抗原或抗体的技术 该技术具有反应迅速 特异性强 灵 敏度高等特点 应用十分广泛 如樊景凤等应用间接 ELISA 法检测凡纳滨对虾 红体病病原菌取得较好的效果 3 2 33 2 3 荧光抗体技术荧光抗体技术 荧光抗体技术是根据抗原抗体具有高度特异性的反应 把荧光素作为抗原 标记物 在荧光显微镜下检查呈现荧光的特异性抗原复合物及其存在部位 在 水产动物病原体的检测上得到了一定的应用 鄢庆枇等应用荧光抗体技术检测 牙鲆体内的弧菌 该技术的主要优点是特异性强 速度快 灵敏度高 但也存 在缺点如非特异染色问题难以完全解决 操作程序较烦琐 需要特殊的昂贵仪 器 荧光显微镜 和染色标本不能长期保存等 3 33 3 生理生化反应生理生化反应 细菌鉴定的基本原理是用数十个生理或生化特性去检测细菌 包括碳水化 合物的代谢试验 蛋白质和氨基酸的代谢试验 碳源和氮源利用试验 各种酶 类试验以及抑菌试验等 传统的细菌鉴定方法手工操作较繁杂 鉴定细菌至少 需要 18 24h 在此基础上发展起来的细菌自动鉴定仪解决了这些问题 可在 几小时内报告结果 ATB Expression 自动细菌鉴定仪已在水产养殖中应用多年 但从另一方面来讲 目前使用的细菌自动鉴定仪是以医学上的常见菌为基础 因此对于一些在水产养殖中特有的病原菌 如何更好地使用鉴定仪进行测定 仍需进一步摸索 研究 4 4 生物技术在水产动物病害免疫防控方面的应用生物技术在水产动物病害免疫防控方面的应用 4 14 1 免疫增强剂免疫增强剂 免疫增强剂主要是通过活化自身的免疫机能而显示机体的防御效果 具有 作用广泛 安全性高等特点 免疫增强剂的功能是多方面的 在鱼类中 可激 活嗜中性粒细胞及巨噬细胞的吞噬作用 激活淋巴细胞产生或分泌淋巴因子以 协调体液免疫和细胞免疫 刺激抗体的产生和补体的生成等 4 24 2 疫苗技术疫苗技术 疫苗是一类使动物体对特异性病原的感染产生免疫保护的制剂 已成为当 今世界水生动物疫病防治的主流产品 国外早在上世纪 40 年代杀鲑气单胞菌菌 苗就在鱼病防治方而开始应用 1975 年疖疮病疫苗在美国进入商品化生产 目前 挪威 美国 加拿大 荷兰等国鱼用疫苗产业化程度高 市场成熟 培 育出众多从事鱼用疫苗开发的跨国公司 如 Alpharma Aqua Health Intervet Bayotek 等 我国水产疫苗研究起步较晚 始于 20 世纪 60 年代 珠江所是最早开始开展水产疫苗研究的科研机构 并于 20 世纪 60 年代末研制 出我国第一个水产疫苗 草鱼病组织浆灭活疫苗 之后研制出具有国际先进水 平的 草鱼出血病活疫苗 我国目前获得国家新兽药证书的水产疫苗产品仅有 3 种 与先进发达国家有较大差距 珠江所以 广州普麟生物制品有限公司 为载体运作的我国第一个水产疫苗基地于 2007 年 12 月通过农业部专家组 GMP 验收 标志着我国水产疫苗将走向产业化的一个重要里程碑 该疫苗基地 建有细菌灭活疫苗 细菌亚单位疫苗 细胞弱毒疫苗 细胞灭活疫苗 4 条生产 线 适用于目前我国水产疫苗产品的熟化与产业化 5 5 生物技术在水产养殖水质调控方面的应用生物技术在水产养殖水质调控方面的应用 5 15 1 生物过滤技术生物过滤技术 生物过滤是指任何采用活体生物去除水中杂质的废水处理技术 主要包括 植物过滤 微生物过滤 动物过滤等 生物膜滤器因具有产生污泥少 运行管 理方便 动力消耗少等特点 在水产养殖废水处理中得到了广泛应用 生物膜 滤器存在生物膜熟化时间长 需要定期反冲洗 容易造成硝态氮积累等缺点 植物滤器结构简单 可以有效吸收养殖废水中溶解态的氮 磷污染物 并将其 转化为经济产品 但是单独使用对养殖废水中有机物去除效率较低 滤食性动 物可以有效去除养殖水体中的颗粒物质 大型海藻过滤 生物膜过滤和动物过 滤复合处理养殖循环水技术通过优势互补 达到水质净化和废物综合利用的目 的 复合生物过滤技术正逐步成为研究的热点 5 25 2 微生物调控技术微生物调控技术 微生物作为物质的分解者和转化者 在自然界的物质循环中起着重要的 不可替代的作用 目前在污染物的降解 转化 资源的再生 利用 无公害产 品的生产 开发及生态环境保护方面已得到了广泛应用 在水产养殖业方面的 应用也有不少报道 目前在水产养殖中应用广泛的有益性微生物群种类繁多 包括有益细菌和真菌等 有益细菌从其功能分 大致可归为两大类 光合细菌 和化能异养细菌 前者是一类能进行光合作用的原核生物的总称 目前应用的 是红螺菌科的菌种 后者包括 芽孢杆菌属菌种 硫杆菌属菌种 短杆菌属菌 种 硝化菌属菌种以及亚硝化菌属菌种等 这些细菌是从自然界中筛选 纯化 培养而来的 真菌类微生物研究较少 目前应用的有可以分解木质素和甲壳质 的真菌 假丝酵母和酿酒酵母等 还有黑曲霉和米曲霉等放线菌 有益微生物 群是水体物质循环的推动者 一些微生物可以作为指示物 来判断水体污染程 度 同时还可以净化水体为水产动物提供饵料 6 6 生物技术在水产品质量安全检测中的应用生物技术在水产品质量安全检测中的应用 6 16 1 微生物快速诊断检测技术微生物快速诊断检测技术 主要还是利用水产动物疾病诊断中涉及到的生物技术来快速检测水产品中 的有害微生物 例如 DNA 探针技术 PCR 技术等 6 26 2 药物残留检测技术药物残留检测技术 我国水产品出口遭遇绿色贸易壁垒主要缘于 氯霉素事件 这给我们的渔 药残留监控领域提出了警示 检测技术日益趋向于高技术化 系列化 速测化 便携化 酶联免疫法 ELISA 因其操作简便 灵敏度高 样品容量大 分析 成本低 是渔药残留分析的理想方法之一 6 36 3 水环境污染监控技术水环境污染监控技术 生物技术在环境污染监控中的应用拓展了生物技术理论和应用范围 应用 分子生物学技术研究污染物 重金属 多氯联苯 化学消毒剂等 对海洋生物基 因表达调控的影响 对污染环境中的生物群进行分子监控 分析污染生物效应 的机理 判断海水污染来源和污染程度 为有效地保护水环境 保护鱼类和人 类免遭损害提供了有效的依据 以实施相应的保护措施 生物芯片技术在环境 污染监测与评价中的应用研究是国家 863 计划于 1999 年底结合我国环境污染和 环保微生物技术研究的具体状况迅速启动的 8 项环保微生物技术预研课题之一 7 7 结束语结束语 生物技术是 20 世纪末人类科技史中最令人瞩目的高新技术之一 同时也是 2l 世纪世界各国科学技术发展的重要内容 生物技术在水产养殖业中的应用 无疑对水产行业的发展产生着深远而深刻的划时代意义 但在我国生物技术还 是一门年轻的学科 研究力度有待加强 另外 目前我国的水产养殖业基本上 还处于传统型 水产养殖从业人员 特别是基层工作者文化水平相对较低 科 技普及推广遇到一定阻滞 如何加快水产养殖人才培养速度 有效引进生物技 术或者其他交叉学科的新技术 推动水产养殖业的大发展 是水产养殖业亟待 解决的问题 参考文献参考文献 1 陈光荣 肖克宇 翁波 等 鱼类细胞工程遗传育种研究进展 J 水利渔业 2004 24 1 4 6 2 陈舒宁 保障水产品质量安垒疾病防控是关键 中国水产科学研究院珠江水产研究所 所长吴淑勤研究员专访 J 广东饲料 2008 17 5 9 12 3 丁理法 叶婧 生物技术在水产动物营养与饲料研究中的应用 J 水产科技情报 2008 35 5 229 232 4 樊景凤 梁玉波 凡纳滨对虾红体病病原菌间接 ELISA 快速检测方法的研究 J 水产学 报 2006 30 1 114 l17 5 冯定远 于旭华 生物技术在动物营养和饲料工业中的应用 J 饲料工业 2001 22 10 1 7 6 管敏强 生物技术在动物营养中的应用 J 兽药与饲料添加剂 2001 6 32 33 7 贾方钧 王剑伟 吴清江 异源精子诱导稀有的人工雌核发育 J 水生生物学报 2002 26 3 246 252 8 金丽 鱼类的人工繁殖技术 J 生物学教学 2005 30 4 2 4 9 康波 杨焕民 姜冬梅 生物技术在动物营养中的应用 J 现代畜牧兽医 2005 1 40 43 10 雷质文 史成银 PCR 法制备地高辛标记探针斑点杂交检测白斑综合征病毒 wssv J 青岛海洋大学学报 2001 31 2 201 204 11 李卢 人工雌核发育在鱼类遗传育种中的应用 J 水产科技情报 2006 33 2 56 58 12