广义的海洋生物技术是指利用海洋生物及其组分生产有用的生物产品以及定向改良海洋生物遗传特性的综合性科学技术(AttAwAy etAl.1993)。海洋生物技术作为新的高新技术领域，进入90年代以来，在海洋水产养殖、海洋天然产物开发和海洋环境保护三方面成为世界各国竞相发展的热点。美国基础科学委员会与美国科学技术委员会联合编写的报告《21世纪的生物技术：新地平线》中，列举了农业、环境生物技术、制造与生物加工和海洋生物技术与水产养殖四个优先发展的重点领域。在海洋生物技术与水产养殖领域中确定的研究开发重点是： 1.海洋中的改进或新的产物，如药物、酶、生物分子材料、生物检测器、生物杀虫剂和用于能源生产的生物物质。 2.来自海洋中的改进和新的制作方法，如生物补救和生物制作。 3.水产养殖，包括增强繁殖与发育，改进生长、发育和营养，改进健康与安乐，提高养殖产品的数量与价值，保存遗传资源和提供生物医疗模式。 4.了解与保护海洋，包括判明生物体和其生态位，生物多样性，海洋生态和确定海洋对全球环境的影响。 我国“863”计划海洋生物技术系统工程的制订与实施，将使我国的海水养殖业在继续保持国际领先的同时，迈上新的台阶，成为高新技术产业，加速我国原有的海产加工业产品结构的改变以及海洋生物技术药物产业的形成，并在海洋环境保护方面发挥重大作用。 向海洋要食物、要蛋白、要药物是我国生存和发展的重要出路，对21世纪中国的经济发展和社会进步具有战略意义。建国以来，我国的海水养殖业已取得了举世瞩目的成绩，产量跃居世界首位，1997年达到783.5万吨。海洋渔业的产值已占我国海洋经济总产值的一半以上。但在发展的同时，也存在不少问题，种质和种 苗、病害、养殖环境三大问题是当前制约我国海水养殖业发展的主要瓶颈，如不认真加以解决，我国的海水养殖业不仅难以健康发展，还有可能发生严重滑坡。海洋生物技术正是促使海水养殖业向优质、高产、持续、健康的方向发展的关键技术。 一、应用海洋生物技术培育高产、优质、抗逆养殖新品种 1.高产、优质的经济海藻的良种化 海藻养殖的中心是“种”的问题，包括种质和种苗两个方面。60年代我国在大型海藻的传统育种方面曾取得国际瞩目的重要成绩，高碘、高产品种的研究与推广，促进了海带养殖业和海藻化学工业的发展。80年代生物技术的兴起，给海藻的育苗育种研究注入了活力。由于植物细胞在发育上具有全能性，给细胞工程育苗育种创造了很好的条件。我国在国际上率先开展了海藻细胞工程育苗的实用化研究，从组织、细胞水平到原生质体的杂交，取得了可喜的进展。十多年来，我国在藻类三个门类、近三十个种进行了上述水平的育苗育种研究，取得了丰硕的成果。中国科学院海洋所在紫菜、裙带菜等品种的组织、细胞选育上以及品系的克隆中取得了很好的成绩。如通过选育获得了较自然种群增产50—60％的两个紫菜优良品系，在我国江浙一带形成的养殖规模就是一个很好的例子。 90年代以来，国际上藻类基因工程开始起步，我国科学家也在海藻遗传转化方面取得了很好进展，曾呈奎教授及其学生在海藻蛋白高效表达基因的分离与纯化、外源基因的导入及检测技术取得突破的基础上，获得了转报告基因的海带。此外，利用生物反应器高效规模化生产苗种的技术也在我国孕育着一场突破。海藻养殖可望在上述基础上进一步发展，培育出大量的优良种苗，同时通过遗传改良获得优质、高产、抗逆的海藻新品种。用生物技术手段改造传统的海藻育苗业，将使我国海藻养殖业的产量、规模继续保持国际领先地位，在产品质量上有大幅度的提高，使产业的技术水平迈上一个新的台阶。 2.海养动物的生殖与遗传操作 由于海水动物的养殖形成产业化的历史较短，目前基本上无品系可言。加上与植物不同，大多数动物除生殖细胞和早期发育的部分细胞外不具全能性，动物的遗传改良难度较大。改变这种状况，必须采用海洋生物技术，通过生殖和遗传操作来达到。 生殖操作包括性成熟的人工调控、配子精子和卵子排放的人为控制，人工受精的实施和性别转化或性比的控制等。显而易见，它是确保高效育苗和遗传操作顺利进行的必要条件，而性比的人工控制还可能实施经济效益很高的单性育种与养殖。许多海洋养殖鱼类，如石斑鱼和鲷科鱼类具有性逆转现象，通常的人工育苗由于很难同时得到适当比例的雌雄亲本，给人工育苗带来极大的困难，人工性别控制技术的应用可直接推动鱼类人工育苗业的发展。国外对海水养殖动物性别控制的研究非常重视，近几年来在大麻哈鱼科的几种鱼和罗非鱼研究上已取得了多项实用性成果，如：英国已有公司专门出售全雌虹鳟鱼苗供水产养殖用。加拿大BC省养殖中70％的奇努克大马哈鱼，是来自人工培育的全雌鱼苗。日本也已研究成功全雌牙鲆培育技术，并应用于养殖生产中，获得了可观的经济效益。自然界中雌性对虾远较雄性的个体大并生长很快，我们的实验证明可将中国对虾的性比由自然种群的1∶1人为改变到4∶1左右，培育雌虾占绝对优势的群体的实用化甚至产业化是完全可能的。目前，全雄罗非鱼、罗氏沼虾和全雌牙鲆等都是科学家研究的目标。 遗传操作包括杂交、多倍体诱导、雌雄核发育、细胞融合、核移植和外源基因导入等。细胞工程育种是在细胞和染色体水平上进行遗传操作改良品种的育种新技术，与传统育种相比，它具有速度快、效率高和目的性强等优点。为了推动海洋水产养殖业的迅速发展，满足人类对于食品和蛋白质的需求，近二十年来，世界上许多发达的海洋国家在海洋水产养殖动物细胞工程育种的研究方面做了大量的工作，包括多倍体诱导、雌雄核发育等技术的细胞工程的应用研究已在某些动物的品种改良上获得了可喜的成功。如美国、日本、英国、加拿大等，在牡蛎、扇贝、鲑、鳟鱼等养殖种类上，大量开展了多倍体诱导研究，有的已达到商品化，进行了大规模生产与推广。自1981年美国学者斯坦利诱导牡蛎多倍体成功以来，至1989年，牡蛎三倍体已形成产业化，美国西雅图的海岸牡蛎养殖公司养殖的太平洋牡蛎中50％以上的是三倍体，其个体较二倍体增重60—70％。近两年，国外连续报道了贝类四倍体成功诱导的令人鼓舞的结果。实验证明，四倍体与二倍体杂交可产生几乎100％的三倍体。 我国在珠母贝、牡蛎三倍体诱导研究中已取得很好成绩，目前牡蛎和栉孔扇贝三倍体规模化育苗和珠母贝四倍体育种的关键技术已正式列入海洋863计划。对虾多倍体的研究具有国际优势。实验证明三倍体对虾较二倍体可增产15—20％，只要突破对虾人工受精难关，就有可能使对虾三倍体实用化，同时雌核发育也成为可能。我国对牙鲆、梭鱼等鱼类三倍体诱导的研究已有了良好的开端，应再进一步深入开展，突破关键技术，迎接产业化的到来。 由于多倍体海水养殖动物的良好应用前景，刺激和推动了该领域的研究，围绕着研究开发细胞工程高技术的竞争也在加强。除了加快产业化、实用化步伐外，一些新的支撑技术，如染色体快速鉴定、四倍体异源多倍体的诱导、新型低毒诱导剂的筛选等新技术也在不断研究开发中。 值得一提的是雌雄核发育，这是利用遗传失活的精子卵子与卵子精子受精，再利用染色体加倍技术使受精卵恢复为二倍体，但该二倍体个体的染色体来源完全出自卵子或精子，所以称之为雌雄核发育。利用这种技术，可以大大加速品系纯化的过程。由于精子的保存技术已不难解决，利用雄核发育还可以保护甚至恢复濒危珍稀物种。 近些年，基因水平的遗传改良进展很快。目前国际上转基因鱼类的研究开发进展十分迅速，加拿大已获得批量的转全鱼生长激素基因的大马哈鱼。在大西洋冷水鱼类的转生长激素基因的实验证明可比对照提高产量4—5倍乃至十多倍。有人预言，基因工程将导致鱼类养殖的一场革命。我国同加拿大合作，在海洋鱼类的转基因研究中也已取得了重要进展，可望在按期内有所突破。 3.抗逆品种的培育 生物生长的逆境包括的范畴很多，当前在海水养殖中最受重视的是危害甚烈的病害、寒冷和盐碱。 在国外，病害给水产养殖造成很大损失，通过免疫技术和其他防治技术可以使情况大大改善，但更积极主动的办法是选育培养抗病品种。对于鱼类的免疫对策来说，诸如溶菌酶（Lysoｚyme）等具有广泛、非特异性抵抗病原体能力的产物十分重要。溶菌酶是14K的单肽链酶，它的原始氨基酸序列，三级结构及作用机理等已经研究得非常清楚，并作为研究酶机制的经典范例。溶菌酶主要作用于细菌的细胞壁，使细菌细胞裂解并可能刺激机体内吞噬细胞的噬菌作用。因为它的抗菌活性，特别是对革兰氏阳性菌的抗性，以及在高等脊椎动物中刺激免疫系统而导致其抗病毒及赘生性细胞的能力，使溶菌酶基因成为在转基因鱼抗病研究中可选用的重要抗病基因。近年来，已有科学家在从事转溶菌酶基因鱼的研究工作。 对虾的病毒病害在中国已肆虐多年，给养虾产业带来巨大损失，每年减少经济收入数以亿计，不少群众已到了谈“病”色变的程序。从长远角度考虑，要从根本上解决对虾的病害问题，其根本途径是使用现代分子生物学和基因工程的手段，培育出抗病害的对虾。尽管目前对虾的分子生物学和分子遗传学的研究还不十分深入，有许多方法和技术尚待进一步开发和完善，但长远来看，必须尽早加强对虾分子生物学方面的研究，扩大相应的理论技术储备，建立和完善对虾基因工程研究的方法和手段，并在此基础上开展遗传改良工作，培育出抗特定病原(Specific pAthogens ResistAnce SPR)对虾新品种，才是确保我国养虾业稳定、持续发展的根本途径。 抗寒对于北方海水养殖鱼类有着重要意义。目前，主要由于海水鱼类越冬困难，制约了北方海水鱼类养殖业的发展。培育出抗寒品系，就可以大大减少越冬成本，使海水鱼类养殖迅速形成产业。加拿大的科学家已从海水鱼类中分离提纯了抗冻蛋白基因，并试验将其转入其他鱼类。我国科学家利用这种基因，导入金鱼体内，传宗接了4代，为最终培育出抗寒新品系打下了良好基础。 中国沿海有很大面积的盐碱地带，此外还有3千多万亩的滩涂尚未较好利用。采用细胞和基因工程培育出耐盐的蔬菜、牧草或粮食作物，发展海上农业，对于解决我国21世纪的农业问题具有很大意义。 4.良种鉴定与保存技术 建立海水养殖生物优良种质库，势在必行。陆地种植业市场种子站的建立，大大推动了农业生产的发展，畜牧业中的良种场成为畜禽养殖中的中心环节。当前，我国建立海藻种质库的条件基本成熟，但还需要发展新的种质保存技术。海洋动物细胞系和配子，贝、虾等的胚胎幼体冷冻保存是建立动物种质库的必要前进和关键技术，急待突破。除此之外，研究与开发与种质资源库相关的支撑技术，如配子质量的判定、种质的鉴别等，也是非常重要的。 养殖个体遗传上的差异可以作为一种遗传标记，分子遗传标记可用于：A．品种的鉴定；b．谱系(Pedigree)的确立和分析；c．近亲繁殖的监测；d．标记辅助选育(MArker –Assisted selection or MAS)；e．养殖产品的区分和鉴别。发展鉴别种质的mtDNA、RFLP、PAPD、DNA印迹等技术，对分析种群遗传结构，监测遗传漂移，保护遗传多样性和实现定向选育都有很重要的意义。其中，标记辅助选育对于将那些确实在遗传上具有所需优良性状的个体挑选出来是大有用场的。如果标记与控制数量性状的位点（QuAntitAtive trAit loci or QTLS），例如影响生长速率的位点与某种标记存在连锁性，那么选育就可以集中在标记上而不在数量性状本身的检测上，从而大大提高选育的速度。 二、诊断病原、控制病害，实现健康养殖 1.重要流行病病原的快速诊断和检测技术 在缺乏必要的检疫手段的情况下，养殖品种的盲目引进和交换是造成重大流行病发生和发展的巨大隐患。快速简便的诊断技术在生产上的应用，可以防患于未然，并为治疗提供科学依据。 目前免疫荧光技术，单克隆抗体技术，酶联免疫技术(如：ELISA、DOT-ELISA)及DNA探针技术在鱼类尤其是淡水鱼类病毒及细菌诊检方面已比较成熟。对虾病毒病的研究重点还是在检测诊断上，美国的Lighter等(1994)综述了国际上对虾病毒病的研究发展现状，除传统的组织病理学检测、电镜观察外，免疫荧光抗体、ELISA技术外，DNA探针、PCR技术也开始应用于对虾病毒的检测上。国外有关对虾BP、IHHNV和MBV等病毒检测的DNA探针已研制成功，在美国检测IHHNV病毒的DNA探针已进入商用阶段。我国对虾病毒病的研究虽起步较晚，但也取得了相当进展，特别是对我国对虾危害最大的皮下及造血组织坏死杆状病毒(HHNBV)的研究上，已成功研制出特异性和灵敏度高的PCR检测技术。只有检测技术逐渐有所突破，流行途径及防治技术的研究才有可能随之深入。 重要病原体的体外培养及保存技术是研究病原诊断和病害防治的必不可少的技术基础。国外已经培养和建立了一些海水养殖鱼类的细胞株，美国和我国台湾省在斑节对虾细胞培养方面已取得了一些进展，并利用培养的对虾细胞成功地进行了病毒MBV的体外感染。我国大陆在这方面基础比较薄弱，但在淡水生物方面，在欧共体援助下，已建成具有标准病毒、标准抗血清及现代化实验设备的病毒和免疫实验室，拥有数十种鱼类细胞株，并已开展海洋生物病害的研究。 2.无特定病原(specific PAthogens Free SPF)苗种生产技术 对虾是我国海水养殖的当家种类之一。对虾养殖业的兴起为我国沿海农村经济的发展作出过重大贡献。但由于对虾养殖规模的盲目扩大，使有限的环境容量难负重荷，加上对虾养殖的管理水平一直不高，对于虾苗的引进和南北交流基本上是放任自流，加之对虾病害基础研究的忽视使我们又缺乏必要的技术储备，因而面对1993年对虾病害的大爆发无计可施，损失十分惨重。优质健康种苗的培育也缺乏深入系统的研究，这显然是我们控制对虾病害的一个最薄弱的环节。 无特定病原(specific PAthogens Free SPF)虾苗种生产技术的应用是控制病害发生的有效手段。近年来，美国采用培养无特定病原SPF虾，生产了不带IHHNV、HPV、BP病毒，微孢子虫、簇虫、线虫和绦虫等特异性病原的南美白对虾种苗，使对虾产量在不增加养殖面积的基础上增产了一倍。我国也应采用快速诊断和检测技术，严格挑选亲体和苗种，建立不带特异性病原如造成重大病害的病毒的种苗生产系统，除对虾外，鱼类和贝类都要逐步推广SPF苗种生产。 3.高健康养殖系统（Hhigh HeAlth Shrimp System,HHSS） 高健康养殖系统（Hhigh HeAlth Shrimp System,HHSS）是几年前由美国首先提出的，它是对虾养殖和虾病控制的系统工程，涉及到种苗培育和供应，虾病检测与控制、环境质量控制以及养殖技术的改进等几个环节。美国高健康对虾养殖系统已实施数年，该系统将先进的病毒性疾病监控与培育高度健康、优质、无特定病毒病原的虾苗及环境质量监控、养殖操作技术改良融于一体，已经达到持续受益的效果。所谓高健康的虾，Pruder等定义为从育苗场产出的没有特定病原的虾。为了了解虾苗离开育苗场后的状态，建立了病原连续监控系统，包括新病原的不断发展。美国主要对虾养殖种类是南美白对虾(P.vAnnAmei)，对其主要致病病毒包括传染性皮下及造血组织坏死病毒(IHHNV)、对虾杆状病毒(BP)、肝胰腺细小病毒(HPV)及TAurA综合症病毒(TSV)进行了详细研究，除新近发现的TSV外，其它主要致病病毒如IHHNV，BP及HPV的基因组已部分克隆，建立了核酸探针杂交技术包括斑点杂交及原位杂交及PCR检测技术，并常规应用于P.vAnnAmei的病毒病检疫及诊断，同时对这些主要致病病毒的理化特性、致病性及传播途径的研究也已非常深入。这保证了美国P.vAnnAmei高健康育苗系统的成功，而其它国家尚无成功范例。 对虾病毒病害的防治是一个综合课题，其中病毒病原学研究包括病毒分离鉴定、致病力、流行传播途径及检测技术的建立是基础，与优质、高产、抗逆对虾苗种培育及环境质量监控改善等结合在一起，采取生物高新技术综合防治系统工程，才能从根本上解决困扰养虾业的病毒病害问题，使我国对虾养殖业恢复世界领先地位，并能保持长久、健康的发展。 4.重大流行病的免疫预防技术 虽然鱼、虾、贝类，尤其是虾、贝类等无脊椎动物特异性免疫机能不够健全，但在抵抗疾病感染的过程中非特异性免疫机制仍发挥作用。近年来，有关鱼的防病疫苗和虾类的免疫激活剂如肽聚糖等多糖的研制已取得了很大进展，有的已经商品化如挪威鱼类弧菌疫苗已得到广泛运用，并在生产应用中取得了显著的预防效果。国内在鱼、虾免疫防治药物和疫苗的研制中也取得了一些进展，开展海水养殖鱼、虾、贝类免疫激活剂和重要疾病的疫苗研制，有效药物的筛选和缓释高效型药物的高新技术研究应引起足够的重视。 三、高效全价饵料生产及水产品加工技术 制约海水养殖发展的另一因素是人工饵料的贫乏，各种动物的幼体不同阶段需要成分各异、形式特殊的饵料。鱼虾的养成，更需要大量营养丰富、效价较高的饵料。国外已发展了适合不同动物不同幼体阶段的开口饵料及育幼饵料，养成饵料特别注重转换率、稳定性。加拿大的鲑鳟鱼养成饵料转换率接近1∶1。 生物活饵料，包括植物性的单胞藻，动物中的轮虫、卤虫以及小型桡足类等是水产养殖中必不可少的优良饵料，不仅含有各种必需的营养成分，还具有适口性和不易败坏水质等优点。大规模、高效率生产各种活饵料涉及到很多生物技术，如利用生物反应器大规模培养单胞藻或轮虫，以藻膏形式保存和运输单胞藻，营养强化单胞藻或轮虫，遗传选育小型或超小型轮虫以满足特殊养殖动物开口饵料的需求等。水产品的加工是提高附加值、高效利用资源的重要手段，除了加工机械外，加工工艺也至关重要，如挪威利用酶试剂来去掉水产品的皮膜，日本根据海珍品的特殊风味，利用低值水产品生产海珍品的仿制品等。我国的科学家和企业家对此予以高度重视，螺旋藻的深加工和粗制鱼油加工成高度不饱和脂肪酸EPA、DHA就是成功的范例。 四、育苗及养殖环境改善及优化技术 确保海水养殖业持续发展的另一个重要问题是养殖环境的改善与保护。首先要从大生态系的角度防止海水养殖环境的污染与恶化，此外从养殖生态系本身的改善，构建良性的人工生态系统，实施高产、稳产。两个方面都需要借助生物技术手段，建立起环境监测与污染防治的生物工程系统。海洋环境的监测与改善需要若干高新技术，考虑到大环境的问题在别的主题已有考虑，本文仅就育苗与养殖的环境进行论述。 众所周知，育苗与养殖环境已成为制约海水养殖和造成病害的重要因素，当前国际上围绕着该问题正在开发若干新技术。首先是环境的自动监测与预警系统，要动态地反应出育苗与养殖环境的变化，尽早地对不可承受状态提出预警，国外除采用各种传感器来测定环境的理化、生物因子外，还利用贻贝等生物作为指示器来预警预报。在治理上，针对赤潮生物、过多的重金属离子和过多的营养盐等进行控制，给育苗和养殖创造一个最佳的生存环境，大幅度提高了育苗成功率和养成产量。此外，育苗与养殖海水的封闭循环，是减少污染、节约能源与用水的重要举措，各国都在加紧开发。 21世纪，有人预言是海洋世纪，在合理开发利用海洋生物资源、发展海洋经济和保护海洋环境中，海洋生物技术是大有作为的。  |
