一條武昌魚大約有120根小刺，為了找到控制魚刺發生的關鍵基因，科學家花費了十年時間，構建分析了68個基因的功能，最終成功培育出100％沒有小刺的武昌魚…
出品：格致論道講壇
以下內容為華中農業大學水產學院教授、副院長高澤霞演講實錄：
大家好，我是來自華中農業大學的高澤霞，非常榮幸今天能夠在這裏分享在我們實驗室誕生的無小刺魚的故事。
不知道大家喜不喜歡吃魚，古人有言：寧可居無竹，不可食無魚。在我們中國的各大菜系當中，水產品占的比重是非常大的，有將近一半的菜品都是水產品。
我不僅喜歡吃魚，還在開展跟魚相關的工作。我研究的這條魚就是大家所熟悉的武昌魚。大家可能都熟悉這句詩：才飲長沙水，又食武昌魚。武昌魚很好吃，但讓我們非常苦惱的是，武昌魚肌肉裏的小刺特別多。
我們認真數了一下，一條武昌魚背部的肌肉，包括尾部肌肉裏面的小刺大概有120根，這讓人們吃魚的時候有點不愉快。
不知道大家有沒有吃魚被刺卡過喉嚨的經歷，我也有過。在一些傳統佳節，當親朋好友相聚之後，往往在第二天甚至是當天晚上，醫院裏就會出現排隊拔魚刺的火爆場面。
是不是只有武昌魚才有小刺呢？當然不是。我們統計過各種魚類的產量和產值，大家看上圖，灰黑色部份就是有肌間刺的不同門類的魚類，它的產量和產值大概占到了所有魚類的75%。只有紅色那麽一小部份才是沒有小刺的魚類。所以中國和世界主養的魚類裏大部份都有影響食用和加工的小刺。
小刺是怎麽來的？
這些魚為什麽要長小刺呢？針對這個問題，不同的學者有不同的看法，直到今天都還沒有一個明確的答案。
從魚類演化的角度有這樣一個規律：剛開始的時候，軟骨魚類肌肉當中沒有這種小刺存在，比如中華鱘。當慢慢前進演化到早期真骨魚類時，比如大家所熟悉的青、草、鰱、鱅、鯉、鯽等魚類，它們身上就有了小刺。
後面隨著有肌間刺魚的演化，到了晚期的真骨魚類，我們發現這種肌肉裏面的小刺慢慢地沒有了，或者說種類慢慢變少了。
從魚類系統演化的角度來說，有科研工作者覺得肌間刺是遺傳和演化的痕跡。隨著魚類從早期物種到晚期物種的演化，小刺慢慢地就沒有了。那在現今的世界當中，有沒有一種魚也在發生著從有刺到無刺的過程呢？
▲無肌間刺的大蓋巨脂鯉
確實存在這樣一種魚類，它就是巴西的大蓋巨脂鯉。這條魚在自然界中是有100多根小刺的，但是在一個養殖群體裏面，突然發現了有十幾條完全沒有小刺的魚。這表明在養殖的過程當中，這種魚正在發生一種從有刺變成無刺的變化。這個現象也激勵著我們，是不是可以讓其他主養魚類的小刺消失呢？
在開展這個課題的過程中，有很多關鍵的步驟需要我們來解釋，而最關鍵的是如何找到控制魚刺發生的關鍵基因。我們需要解析肌間刺發生發育的演化規律，掌握分子調控的機制，在這裏面找到關鍵的基因，再把這個基因套用到經濟魚類上，嘗試培育沒有肌間刺的一些魚類新種質、新品系。
為什麽科學研究裏會把小刺命名為肌間刺呢？我們看，左邊的第一張圖是魚的橫切面，中間這個圖是放大的肌肉組織。可以發現，肌肉組織裏面的肌膈骨化出肌間刺。觀察右邊的超薄切片可以發現，它是由肌膈組織當中的肌腱組織細胞分化形成的。
▲單細胞測序分析
肌腱組織細胞是怎麽樣一步一步分化出肌間刺出來的？我們開展了細胞學分類和分化上的研究，了解到在魚的肌肉組織裏面，大概有18個細胞型別。在這18個細胞型別裏面，有非常關鍵的分化出肌間刺形成的成骨細胞類群。
▲肌間刺來源成骨細胞是由肌腱細胞分化而來
剛開始，肌肉裏面的肌腱細胞會分化，一部份會朝著成熟的肌腱細胞分化，另一部份會朝著成骨細胞分化。隨著它朝著成骨細胞分化，肌間刺就在肌肉當中形成了。在這個分化的過程當中，到底有哪些關鍵的基因在調控呢？
什麽基因控制著魚刺的形成？
透過分析細胞分化的關鍵基因，我們找到了其中的一些候選基因。接下來就需要一個一個明確這些基因在肌間刺發育的過程當中發揮著怎樣的作用。
從2012年我們課題組開始關註肌間刺方向，到2022年，我們實驗室一共構建和分析了68個基因的功能。剛開始，我們在斑馬魚上開展基因功能的驗證工作。斑馬魚是一種模式魚類，它三個月就能性成熟，一年可以繁殖多次，讓我們可以一代代篩選和獲得基因功能缺失的突變品系，而且也可以構建基因改造的斑馬魚，看到右圖肌肉當中一根根小的肌間刺，也就能在活體的條件下篩選沒有小刺的斑馬魚。
在實驗過程中，我們一共找到了3個跟刺發生發育的關鍵基因。
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scxa基因缺失，可減少肌間刺數目70%以上，但會導致肋骨發育缺陷（藍框）
發現的第一個跟肌間刺相關的基因是scxa，2017年我們發現這個基因的時候非常激動，因為前面做了五六年實驗都沒有找到一個基因。我們發現，這個基因的缺失可以讓肌間刺的數目減少70%以上，但非常遺憾的是，即使這條魚能存活，它的肋骨發育會有缺陷，讓我們覺得不是很完美。
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bmp6基因缺失，可減少肌間刺數目30%以上，但牙齒發育和生長速度受到一定影響
後面我們又發現了bmp6這個基因，它可以讓肌間刺的數目減少30%以上。非常好的是，它不會導致肋骨等主軸骨骼的缺陷。但是我們再細致研究它的生長、遊動速度和牙齒數目之後，又發現它對牙齒發育和生長存在著一定的影響。
最關鍵的是，朋友們都告訴我，如果只讓這個刺的數目減少一點點，那他們在吃魚的時候還是不那麽放心。因為不知道哪塊魚肉裏還有根小刺，還是存在卡喉嚨的風險。最好是找到一個能夠完全控制肌間刺產生的基因。
非常驚喜的是，在2018年，我的學生非常高興地來到我的辦公室告訴我：「老師，我們終於發現了，這條魚裏面一根小刺都沒有了。「我到了實驗室，趕緊把這條魚好好觀察了一遍。
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發現1個基因突變個體完全沒有肌間刺
這條魚無論從它的左側還是右側、背側還是腹側，確實一根小刺都沒有。我非常興奮，趕緊拿了上百條這個基因突變品系的其他魚去觀察、核定和驗證。但是很遺憾，除了這一條魚，其他突變品系都還存在小刺。
這是一個有點遺憾的小插曲，後面我們發現這個基因雖然跟刺沒有關系，但是跟魚的牙齒有關聯，非常有意思。這個基因缺失之後，魚的牙齒數目是顯著減少的，我們就把它跟海馬關聯起來。
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SCPP5基因缺失，魚類牙齒數目減少
海馬也是一種非常有意思的魚類，它一顆牙齒都沒有，因為它的基因組裏SCPP5呈假基因的狀態，不發揮作用。我們在斑馬魚上驗證了這個基因缺失之後，牙齒的數目也是顯著減少的，所以這個插曲也有它的科學意義。
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2020年，找到調控魚類肌間刺發育的關鍵基因runx2b
到了2020年，我們終於真真正正找到了調控魚類肌間刺發生發育的關鍵基因runx2b。但因為有了前面那個插曲，我們在實驗室發現這個基因之後非常謹慎。
▲runx2b的缺失抑制了肌腱細胞向成骨細胞的分化
在2020年，我們給這個基因構建了很多突變品系的個體，也繁殖了很多下一代，真正明確了這個基因缺失之後，肌間刺確實沒有了。從細胞的數目上，我們可以非常明顯地看到，這個基因的缺失會讓肌肉裏面的成骨細胞數目顯著減少。成骨細胞數目少，就不足以支撐在肌肉裏面產生肌間刺了。
▲runx2b的缺失完全抑制了肌間刺的形成
無論我們用Micro-CT的方法，用茜素紅染色的方法，還是有肌肉組織切片的方法，都印證了這個結果：這個基因缺失之後完全抑制了肌肉當中肌間刺的形成。
我們也順利獲得了國內以及國際（美國）第一個授權的沒有肌間刺魚類培育的發明專利。
無小刺主養淡水魚類培育
我們在斑馬魚上發現這個基因之後，就希望能夠套用到經濟魚類上。
▲2022年，培育100%「無小刺武昌魚」
所以在2022年，我們非常成功地培育了100%沒有小刺的武昌魚。
▲上：有肌間刺武昌魚
下：無肌間刺武昌魚
大家可以非常明顯地看到，上面的肌肉裏面有一根一根的小刺，下面這條魚裏面一根小刺都沒有了，但是主軸骨骼，包括它的脊椎骨、肋骨、血管棘、神經棘以及其他骨骼組織都是完美存在的。之前有新聞報道說這是無骨魚，借此機會我也想澄清一下，它們不能叫無骨魚，只是肌肉裏面沒有小刺，其他骨骼組織都是完整的，能很好地支撐了這條魚的生長發育，所以應該叫無小刺魚。
無小刺魚和普通魚的外部形態有什麽差異呢？很遺憾的告訴大家，從外部形態上，我們是沒有辦法去看出這條魚到底是有小刺還是沒有小刺的，因為它們沒有太明顯的差異。
很多朋友會問，這個魚沒有小刺之後好不好吃呢？營養價值好不好呢？在2023年2月，我們課題組順利吃上了自己培育的沒有小刺的武昌魚。當時是在我們的實驗基地，條件比較簡陋，盤子還不夠盛條魚，但大家吃起來的心情是非常喜悅和開心的，因為終於可以大塊吃武昌魚的魚肉了。
後面我們也測了它的肌肉裏面脂肪酸和胺基酸的含量，目前看來是沒有顯著性差異的。
當然，這個技術除了套用在武昌魚方面，我們也希望能套用到更多其他有小刺的主養經濟魚類上。
我們跟桂建芳院士合作，在2022年成功培育出了無肌間刺的銀鯽。目前，我們課題組也在針對中國養殖產量第一的魚類——草魚培育無小刺的草魚。今年我們已經繁育了無肌間刺草魚F1代選育群體，希望後面我們可以在這個群體裏把沒有小刺的草魚個體給篩選出來。
講到這裏，無小刺魚的故事已經告了一個段落。但仔細想來，我們還有很多工作要繼續開展，比如更進一步地細化肌肉品質和有利於加工的一些元素。我們也要去評估沒有小刺之後，它的遊動能力、抗病抗逆能力是不是也可以得到比較好的選育，包括養殖模式等方面的構建。這都是我們課題組接下來要進行開展的工作。
我要特別感謝實驗室的研究生同學們，因為這個工作10年的堅持，離不開實驗室一批批同學們的付出。也要感謝很多支持著、關註和關心著我們這個課題進展的朋友們，我也希望能夠盡快讓無小刺魚主養魚走上餐桌，為中國的水產種業和產業的發展做出我們的貢獻和努力。
謝謝大家！
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