水產養殖品種改良 Stock Improvement in Aquaculture

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1 水產養殖品種改良 Stock Improvement in Aquaculture

2 人類所要面臨的主要議題 確保糧食不虞匱乏 水產養殖產業已是人類重要蛋白質食物的重要供應者
水產養殖的產量勢必要提高數倍，以因應未來幾年中世人對食用魚需求量的大幅增加。

3 水產養殖產品種(馴養和育種) 水產養殖產業是一典型的傳統產業，有其悠久的歷史及經營的模式，主要是養殖有經濟價值的魚種
由於大海或其它水域孕育著多樣化的魚、蝦、貝類等水產動物，人們持續地在此豐富的水產資源中，選取值得養殖的水產生物，經馴養(domestication)及育種過程(breeding program)後，成為能量產的商業化養殖品種

4 傳統的遺傳操作技術與水產養殖品種改良 水產養殖品種改良的方法主要為傳統的遺傳操作技術(genetic manipulation)
種內(intraspecies)雜交育種(crossbreeding)技術加上選種策略(selection)以篩選出具上市價值的優良品種供繁衍養殖 種間(interspecies)雜種交配(hybridization)以產生雜交種後代(通常為不孕者)的技術

5 水產養殖產業面臨的困境 水產養殖產業在土地與人力資本大幅上揚
克服困境的方法是結合傳統育種技術及現代生物科技，以加速達成品種改良的目的並增加養殖密度以得到最高產值。

6 生物科技在水產養殖上應用發展緩慢的原因 水產養殖產業對現代生物技術的關注較少，造成起步較晚。
水產養殖生物的多樣性，不似畜產業的單純，因此在技術開發上有相當的困難度。 水產生物分子生物學知識的貧乏，所以生物科技在水產養殖上應用發展的進度緩慢，目前僅有少數的施用例。

7 水產養殖品種改良的必要性 天然漁業資源已達極限；水產養殖產業的重要性與日遞增。
全球天然捕獲水產品總量將有逐年減少傾向之下，水產養殖產業的穩定發展愈形重要。 然而水產養殖生物的生長速度，對環境的耐受性，以及各種疾病發生等問題都是水產養殖產業發展的限制因子。 近年來由於生物技術的開發與進步、水產生物基因體的定序計畫、以及將現代生物科技如分子標誌工具應用在傳統育種策略，加速了水產養殖品種改良與應用的發展。

8 生物技術與水產養殖品種改良 生物技術的平台技術如重組DNA技術、DNA晶片(DNA chips)、基因體學(genomics)、蛋白質體學(proteomics)等的應用，有助我們瞭解水產生物的生殖生長、疾病防禦等分子作用機制，及發現有利於水產養殖品種改良的相關基因。 若再透過基因轉殖(transgenic)技術生產高經濟價值的漁業新品種，將更有利於水產養殖產業未來的發展。 利用遺傳標誌(genetic markers)及遺傳作圖(genetic mapping)技術做為選育及鑑定水產養殖品種的分子工具(molecular tools)，將可加強選育效率及精確性，落實水產養殖品種改良。

9 水產生物基因體計畫發展現況 從功能性基因體學的研究中不僅可瞭解生物的生長、發育等基因的調控，更可從中鑑定出與各類疾病相關基因及其致病機制，而這些都是品種改良的必要知識。 在人類基因體初步定序已完成之際，一些魚種如斑馬魚(zebra fish)、河豚(puffer fish)、稻田魚(medaka fish)、吳郭魚(tilapia)及蝦等的基因體的定序計畫正在世界各地(美、英、法、澳、星、泰等)進行中。

10 斑馬魚 斑馬魚由於個體小、生活史短、可於小空間大量繁殖子代、體外受精、胚胎時期透明易於觀察、以及可得到及保有各種突變株，因此目前利用此模式生物進行的研究相當多，例如研究血球的生成(hematopoiesis)以及脊椎動物之內胚層、心臟及血管的形成及功能等。

11 河豚 河豚魚之基因體大小約400 Mbase，僅為哺乳動物基因體的1/8，但二者卻擁有大約相同數目的基因，由於同為脊椎動物，因此被視為研究人類基因的跳板。 河豚基因體序列中蘊含許多人類基因與疾病關連性的資料，此資訊將為人類基因體的研究帶來莫大的助益，且應是對抗遺傳疾病相關研究的有用工具。 水產生物基因體學具雙重價值，即加速人類基因鑑定及水產養殖品種改良。

12 基因圖譜(genetic map) 的建構與品種改良
水產養殖生物經常靠遺傳選種來改良品種，以增進其商業價值，因此需要基因標誌來追蹤及瞭解各株系及其特徵間的關係 水產生物如鯰魚、鱒魚、吳郭魚、白蝦(Penaeus vannamei)、草蝦(P. monodon)、斑節蝦(P. japonicus)、牡蠣等的基因圖譜建構計畫正在執行中。

13 蝦的基因圖譜建構計畫 蝦的基因體相當大(約為人類基因體的70%左右)且具高重複性(repetitive nature)，再者不同蝦種在基因體重複區(repetitive region)缺乏序列保守性(sequence conservation)，這些都是進行蝦類基因體研究所要面對的挑戰。 某一種蝦所找到的微隨體標誌(microsatellite markers)並無法適用於另一種蝦，因此擴增片段長度多型性(Amplified fragment length polymorphism, AFLP)定位法也常做為分辨蝦群的工具。 蝦種間缺乏合適的標誌會阻礙圖譜比對的研究發展。 構築草蝦分子輿圖(molecular map)國際性合作計畫，正建構者草蝦基因體擴增片段長度多型性及微隨體標誌圖。 將來預計建構草蝦遺傳性抗病毒力(heritable resistance to viral disease)以及生長等特質的連鎖輿圖，以期養殖戶能利用標誌選種工具(marker-assisted selection tool)來篩選出優質種蝦(high-performing broodstock)。

14 EST (expressed sequence tag)計畫
在EST計畫方面，由草蝦的消化組織、泳足及眼柄所製備的cDNA庫所建立EST 資料，目前已公佈於GenBank。 草蝦EST 的研究目的，是希望瞭解這些基因與蝦的生長、生殖及對疾病反應等特性的相關性。 與疾病反應有關的基因表現是目前的研究重點。

15 草蝦基因體定序計劃 草蝦是東南亞地區主要養殖蝦種，也是國際市場的主流產品(佔總市埸量的80%)，每年為東南亞國家帶來超過20億美元的外銷收入。 為了使本產業能永續經營，必須有池中養成的草蝦種蝦(pond-reared shrimp broodstocks)，並令其在合理的育種計劃下改善養殖草蝦的生存力與成長力，但目前控制草蝦在池中成熟及生殖的技術尚未成熟。 儘管馴養與傳統的育種計劃可以在沒有基因體分子資訊下完成，但不可否認的，若有此資訊，便可以提供寶貴的資料以增進育種計劃的執行效率。 有鑑於此，澳洲、台灣、與泰國的科學家目前正在組織國際草蝦基因體的研究團隊以執行草蝦基因體定序計劃，並擬將所得結果置於一個國際的公開資料庫中。

16 水產養殖生物功能性基因體學的應用 有效應用水產養殖生物功能性基因體學，來鑑定水產養殖生物之生殖、發育、生長、免疫、抗逆境及抗疾病等相關特質，並應用在養殖漁業品種改良是目前國際研究趨勢，也是解決水產養殖產業發展瓶頸的方法之一。

17 水產養殖品種改良之相關技術 遺傳選種(Genetic selection) 雜交繁殖與異種雜交
染色體套數與性別操作(Chromosome-set and sex manipulation) 微隨體、擴增片段長度多型性和數量性狀基因座分析等DNA鑑定及基因定位/作圖技術 配子、胚胎及幼體低溫保存 基因轉殖技術

18 1. 遺傳選種(Genetic selection)
由於自然界的水產生物族群蘊含豐富的多樣性，再加上子代數量大，因此由傳統選育方法培育出擁有優良性狀的品系，仍非常適用於水產養殖品種改良。 早在1920年代，科學家自一批罹患地方性癤病(endemic furunculosis)的北美溪鱒魚族群中，選出殘留者，經過三代的選育後，存活率由2%提高到69%。 近年來各國都有新的區域性和(或)全國性水產養殖改良品種培育計劃，其中包括澳洲、泰國、和美國的草蝦及其蝦種的培育計劃等，相信這些培育計劃所得改良品種的蝦苗在水產養殖業上將廣被使用。

19 2. 雜交繁殖與異種雜交 同物種不同品系間雜交的子代通常仍有生殖力，因此稱之為雜交繁殖以和子代不具生殖力的異種雜交區別(明確而言，異種雜交是為取得優良子代而非選育繁殖，因此不加繁殖二字)。 雜交通常可使子代呈現雜種優勢(heterosis)，無論是成長力亦或存活率、抗病力、與生殖力等特性都可顯現出雜種優勢。 河鯰、虹鱒、鯉魚、及太平洋牡蠣等都有透過雜交繁殖而取得商業化的改良品種，它們的生長率都大幅提升。 異種雜交，也成功地應用在多種魚類(如鯉魚、鯰魚、鱸魚及鮭魚等)、貝類(如牡蠣等)及蝦類(淡水螯蝦)的品種改良。 異種雜交除了做為品種改良的工具外，也可是控制性別比例以及使子代失去生殖能力的方法，所以其在水產養殖品種改良上的應用仍然相當重要。

20 3. 染色體套數與性別操作 (Chromosome-set and sex manipulation)
水產養殖業若要擴展成世界性的產業就需要有能適應區域性養殖狀況的品種與幼苗，而且在養殖時萬一被逃脫時，也不至於改變天然族群的基因歧異度(genetic diversity)，因此使這些可能被養殖之改良品種失去繁衍能力是有其必要性的。 性別控制法常用於防止繁殖失控外，也可用來生產不同性別魚苗以應養殖業的需求。 利用激素處理直接造成性別轉換(sex reversal)的技術，或合併激素與遺傳操作(combined endocrine and genetic manipulations)以達全雌化(gynogenesis)、全雄化(androgenesis)及人工誘導性多倍體(induced polyploidization)等的間接技術都是可行的性別控制法。

21 4. 微隨體、擴增片段長度多型性和數量性狀基因座分析等DNA鑑定及基因定位/作圖技術
微隨體、擴增片段長度多型性和數量性狀基因座(quantitative trait loci; QTL)分析等DNA鑑定及基因定位/作圖技術(確定染色體的基因位置及相互距離的技術)，目前主要是應用在種苗鑑定(stock identification)、選育(breeding selection)、以及重要的特性如生長力的加強和疾病的抵抗力等遺傳標誌的鑑定。 由於利用分子標誌技術與數量性狀基因座的分析，使我們能定位及了解數量性狀基因的特徵。 目前有幾個研究群，正在應用這項技術以找出虹鱒和其他魚類基因體中與病毒/細菌抵抗力具關聯性的基因座(genetic loci)。

22 5. 配子、胚胎及幼體低溫保存 水生動物的配子低溫保存的技術在過去二十年中有重大的進展。
對軟體動物來說，這項科技已能將晚期胚胎及早期幼體在低溫狀態下保存。 在配子低溫保存尚未發展成嚴謹的遺傳技術前，本技術就已在野生資源和瀕臨絕種的野生或養殖品種的遺傳保育(genetic conservation)上扮演重要角色。 自低溫保存的魚類精液可以經由全雄化生殖而復得瀕臨絕種或已絕種品系的完整基因組 。

23 6. 基因轉殖技術 基因轉殖技術是高效率品種改良策略，因此成為許多現代農業生物科技產業的背後推手。
基因轉殖技術同樣也會對水產養殖業帶來利益，若非許多安全性及社會因素考量，基因轉殖魚可能早已廣被產業運用。

24 基因轉殖技術的應用 基因轉殖技術應可有效應用在 (1)提高魚類的成長率 (2)控制生殖細胞的形成、不孕和性別的變異等
(3)藉增加對疾病抵抗力來提高存活率 (4)適應極端的環境，如嚴凍/寒冷的抵抗力 (5)改變生物化學特性以加強營養價值或肉質口感 (6)改變新陳代謝的途徑以增加飼料利用性。

25 基因轉殖技術 基因轉殖技術有多種選擇 顯微微量注射法(microinjection) 電穿孔法(electroporation)
基因槍(gene gun, particle bombardment-mediated gene transfer ) 精子媒介之基因轉殖法(sperm-mediated gene transfer)等

26 基因轉殖技術在漁業品種改良上之應用 基因轉殖在水產養殖品種改良上之應用，目前多著眼於可提高生長速率及抗逆境基因的轉殖
生長激素(growth hormone)基因的轉殖 抗凍蛋白(antifreeze protein, AFP)基因的轉殖由 於生長激素基因最常被用來進行基因轉殖，因此相關的研究亦較為詳盡。 雖然生長激素基因的轉殖的確提高了生長速率，亦增加了營養價值(蛋白質含量提高，脂質含量降低)，但同時衍生出食品、遺傳及生態上的安全問題，以致於延緩了在產業上的應用。

27 大致等效原則 (substantial equivalence principle)
基因轉殖應用在水產養殖品種改良上的最終目的是增加人類食物的供應，因此我們不能忽略生物技術食品的安全性評估。 歐洲經濟發展合作組織(Organization for Economic Cooperation and Development, OECD)提出的大致等效原則(substantial equivalence principle)已普遍被大眾接受 基於此原則，全魚(all-fish)基因轉殖是發展商業化基因轉殖魚的趨勢(其它水產養殖品種類比推知)。

28 全魚(all-fish)基因轉殖 全魚基因轉殖是指所有欲轉殖的基因及所使用的各項調控因子均取自魚類(盡量是同種或近似種)，因此轉殖成功的魚類只是改變了部份基因的調控表現出優質的特性，但卻不帶有任何其它生物的基因片段，如此就能符合大致等效原則的第一等級安全性。 目前世界各地已有許多全魚基因轉殖成功的例子，例如將鮭魚的生長激素基因與來自紅鮭(sockeye salmon)的金屬硫基蛋白質(metallothionein)基因啟動子結合序列轉殖到大西洋鮭魚，結果基因轉殖鮭魚成長率較正常鮭魚提高11倍。 為了加速全魚基因轉殖的發展，水產生物學家不可僅談表面技術的開發而偏廢基礎理論科學。

29 遺傳及生態安全性 在遺傳及生態安全性方面，雖然研究顯示在自然的生殖狀況下基因轉殖只會在同種魚類間傳遞，而不會在異種間傳遞，但仍是操作基因轉殖魚時所必須思考與注意的問題，因此生產具無生殖能力的基因轉殖魚應可將其對生態的影響降至最低。 而過去以多倍體操作技術生產無生殖能力子代的技術，或可應用在基因轉殖魚的育種方面。 此外由於基因轉殖魚對於自然界中已經過長時間演化篩選的魚種的影響仍有許多未知之處，因此相關的應用須格外慎重。

30 基因轉殖在水產養殖品種改良上之應用例 加速生長的品種改良 抗逆境之品種改良 抗病害之品種改良 改變代謝途徑以增進對食物的吸收轉換效率

31 加速生長的品種改良 養殖漁產品時，大約有一半費用是花在飼料上，所以培育生長快速之基因轉殖魚的目的除了希望加快生長速率外，亦期望提高飼料換肉率以大幅降低成本。 生長激素基因轉殖鮭魚體型通常是一般鮭魚的3-5倍大。在成長階段的早期，有些基因轉殖個體的體型甚至是同期正常鮭魚的10-30倍。 雖然在一些體型較大的基因轉殖魚身上會有一些如末端肥大的畸形情況出現，但是中等體型的基因轉殖魚並不會有類似情況出現，而且具有高繁殖能力，可以繼續生產出下一代的基因轉殖魚。

32 野生種 選育馴養種 基因轉殖魚 非基因轉殖魚 轉殖生長激素基因對於野生種(生長緩慢)及馴養種(生長快速)虹鱒的影響。由圖中顯示經基因轉殖的野生種鱒魚生長速度遠高於野生種的非基因轉殖魚(控制組)，但生長快速的馴養種鱒魚在基因轉殖後生長速度並未顯著提高。本研究顯示改變虹鱒的生長速度可藉由選育或基因轉殖達成，但兩者未必有加成(additive)的效果。 (本圖以Nature 409: , 2001之圖一照片為藍本按相同比例重新繪製而成) Devlin, R. H., Biagi, C. A., Yesaki, T. Y., Smailu, D. E., and Byatt, J. C. (2001) Growth of domesticated transgenic fish. Nature 409,

33 抗逆境之品種改良 培育抗凍基因轉殖魚是抗逆境之品種改良最佳代表例。
許多冷水域海水魚生存於冰封的環境之中，為了避免凍結，數種魚種可產生一群獨特的蛋白質—抗凍蛋白質AFPs或抗凍醣蛋白質(antifreeze glycoproteins, AFGPs)，它們可與冰晶作用，並有效地降低冰凍溫度。 大西洋鮭魚是重要養殖的魚種，但它不含AFPs或AFGPs基因，故無法忍受低溫，這對於北大西洋沿海地區的海洋箱網養殖(sea pen culture)是一大問題，因此若能培育出耐寒性鮭魚，對於產業將會有所助益。 前驅試驗証實若直接將寒帶比目魚的AFP注射至海水馴化鱒魚中，可使鱒魚有效抗低溫，這結果顯示接續基因轉殖研究具有意義的理論基礎。

34 抗病害之品種改良 雖然目前仍未有轉殖成功的抗病毒或抗細菌性疾病的基因轉殖魚，但生產抗病基因轉殖漁業品種的策略或有多種選擇，例如轉殖下列任一DNA都可能使基因轉殖品種增加抗病能力 (1)可轉錄出反義RNA (antisense RNA)的DNA (2)可轉錄出核酶(ribozyme)的DNA (3)抗病毐基因 (4)抗微生物(antimicrobial)基因 (5)宿主免疫防禦反應相關的基因等

35 改變代謝途徑以增進對食物的吸收轉換效率 某些養殖魚類由於遺傳特性的差異，缺少一些生化代謝過程中的某些酵素，而造成其碳水化合物的利用率以及食物轉化率偏低，換言之養殖魚類需要更多的飼料餵養才能達到理想的生長狀態。 利用基因轉殖的方法，使這些魚類也具有原來缺少的酵素，將可用更少的飼料以及更短的飼養時間來達到預期的成長以獲得最佳產量。

36 結語 國際上非常成功的水產養殖品種改良計畫都是在仔細的規畫下，整合了遺傳學家、水產育種及養殖專家、各種漁業品種的生理、生化、及分子生物學家，有系統地朝目標前進，逐步完成工作。 漁業品種改良常耗時、耗力，需歷經長時間才可能產生具穩定遺傳特性的新品種，所以一開始就要有周延/嚴謹的計畫。過去由於沒有分子工具以鑑定水產生物的帶原性，因此在選育種過程中忽略病原體(尤其是病毒)的篩檢，以致於在冗長的選育及馴養過程中或成功基因轉殖後，因疾病的爆發而功虧一簣。 近年來魚、蝦病毒症篩檢工具發展神速，水產生物的生活環境複雜與和特質與陸上生物不同，故其病害的防治較為困難，因此在品種改良上，病原體的掌控亦顯得非常重要，所以病毒(或其它重要病原體)的篩檢以及無特定病原體(specific pathogen free; SPF)的漁業品種的經營管理已是品種改良過程中的重要項目，而對特定病原體具抗性品種的開發，也成了漁業品種改良的重要目標。 在此必須強調的是如果國內要進行水產養殖品種改良計畫，就必須借鏡國外的成功案例，瞭解自已的優勢，訂下明確的短、中、長程目標，在充分的人力整合下，將會有計畫地達到目標。我國水產養殖產業發達，養殖生物種類繁多，相關研究領域廣，對於各重要養殖生物已累積相當豐富的生物學研究經驗及知識，若再能推動及充分應用水產生物基因體計畫研究成果，應能使我國在特定領域迎頭趕上國際漁業品種改良的研究水準，並對水產養殖產業有所貢獻。

37 草蝦品種改良策略圖 野生種蝦的馴養 SPF種蝦的選育及標記 田間試驗 病毒篩檢 SPF且具優良特徵品系 的選育及保存
IHHNV WSSV 草蝦品種改良策略圖 YHV TSV SPF且具優良特徵品系 的選育及保存 分析養殖蝦群指定特徵優劣狀況 生長速度 換肉率 存活率 個體差異係數 抗逆境能力 抗病毒能力(SPR) 生殖能力 …等 品種鑑定 病毒(或其它重要病原體)的篩檢是漁業品種改良過程中的必要項目。漁業品種改良由開始就要用無特定病原體(SPF)的生物，以免功虧一簣。另外抗特定病原體的品種(specific pathogen resistant, SPR)的開發，也都是漁業品種改良的重要目標之一。