一条武昌鱼大约有120根小刺，为了找到控制鱼刺发生的关键基因，科学家花费了十年时间，构建分析了68个基因的功能，最终成功培育出100％没有小刺的武昌鱼…
出品：格致论道讲坛
以下内容为华中农业大学水产学院教授、副院长高泽霞演讲实录：
大家好，我是来自华中农业大学的高泽霞，非常荣幸今天能够在这里分享在我们实验室诞生的无小刺鱼的故事。
不知道大家喜不喜欢吃鱼，古人有言：宁可居无竹，不可食无鱼。在我们中国的各大菜系当中，水产品占的比重是非常大的，有将近一半的菜品都是水产品。
我不仅喜欢吃鱼，还在开展跟鱼相关的工作。我研究的这条鱼就是大家所熟悉的武昌鱼。大家可能都熟悉这句诗：才饮长沙水，又食武昌鱼。武昌鱼很好吃，但让我们非常苦恼的是，武昌鱼肌肉里的小刺特别多。
我们认真数了一下，一条武昌鱼背部的肌肉，包括尾部肌肉里面的小刺大概有120根，这让人们吃鱼的时候有点不愉快。
不知道大家有没有吃鱼被刺卡过喉咙的经历，我也有过。在一些传统佳节，当亲朋好友相聚之后，往往在第二天甚至是当天晚上，医院里就会出现排队拔鱼刺的火爆场面。
是不是只有武昌鱼才有小刺呢？当然不是。我们统计过各种鱼类的产量和产值，大家看上图，灰黑色部分就是有肌间刺的不同门类的鱼类，它的产量和产值大概占到了所有鱼类的75%。只有红色那么一小部分才是没有小刺的鱼类。所以中国和世界主养的鱼类里大部分都有影响食用和加工的小刺。
小刺是怎么来的？
这些鱼为什么要长小刺呢？针对这个问题，不同的学者有不同的看法，直到今天都还没有一个明确的答案。
从鱼类演化的角度有这样一个规律：刚开始的时候，软骨鱼类肌肉当中没有这种小刺存在，比如中华鲟。当慢慢进化到早期真骨鱼类时，比如大家所熟悉的青、草、鲢、鳙、鲤、鲫等鱼类，它们身上就有了小刺。
后面随着有肌间刺鱼的演化，到了晚期的真骨鱼类，我们发现这种肌肉里面的小刺慢慢地没有了，或者说种类慢慢变少了。
从鱼类系统演化的角度来说，有科研工作者觉得肌间刺是遗传和演化的痕迹。随着鱼类从早期物种到晚期物种的演化，小刺慢慢地就没有了。那在现今的世界当中，有没有一种鱼也在发生着从有刺到无刺的过程呢？
▲无肌间刺的大盖巨脂鲤
确实存在这样一种鱼类，它就是巴西的大盖巨脂鲤。这条鱼在自然界中是有100多根小刺的，但是在一个养殖群体里面，突然发现了有十几条完全没有小刺的鱼。这表明在养殖的过程当中，这种鱼正在发生一种从有刺变成无刺的变化。这个现象也激励着我们，是不是可以让其他主养鱼类的小刺消失呢？
在开展这个课题的过程中，有很多关键的步骤需要我们来解释，而最关键的是如何找到控制鱼刺发生的关键基因。我们需要解析肌间刺发生发育的演化规律，掌握分子调控的机制，在这里面找到关键的基因，再把这个基因应用到经济鱼类上，尝试培育没有肌间刺的一些鱼类新种质、新品系。
为什么科学研究里会把小刺命名为肌间刺呢？我们看，左边的第一张图是鱼的横切面，中间这个图是放大的肌肉组织。可以发现，肌肉组织里面的肌膈骨化出肌间刺。观察右边的超薄切片可以发现，它是由肌膈组织当中的肌腱组织细胞分化形成的。
▲单细胞测序分析
肌腱组织细胞是怎么样一步一步分化出肌间刺出来的？我们开展了细胞学分类和分化上的研究，了解到在鱼的肌肉组织里面，大概有18个细胞类型。在这18个细胞类型里面，有非常关键的分化出肌间刺形成的成骨细胞类群。
▲肌间刺来源成骨细胞是由肌腱细胞分化而来
刚开始，肌肉里面的肌腱细胞会分化，一部分会朝着成熟的肌腱细胞分化，另一部分会朝着成骨细胞分化。随着它朝着成骨细胞分化，肌间刺就在肌肉当中形成了。在这个分化的过程当中，到底有哪些关键的基因在调控呢？
什么基因控制着鱼刺的形成？
通过分析细胞分化的关键基因，我们找到了其中的一些候选基因。接下来就需要一个一个明确这些基因在肌间刺发育的过程当中发挥着怎样的作用。
从2012年我们课题组开始关注肌间刺方向，到2022年，我们实验室一共构建和分析了68个基因的功能。刚开始，我们在斑马鱼上开展基因功能的验证工作。斑马鱼是一种模式鱼类，它三个月就能性成熟，一年可以繁殖多次，让我们可以一代代筛选和获得基因功能缺失的突变品系，而且也可以构建转基因的斑马鱼，看到右图肌肉当中一根根小的肌间刺，也就能在活体的条件下筛选没有小刺的斑马鱼。
在实验过程中，我们一共找到了3个跟刺发生发育的关键基因。
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scxa基因缺失，可减少肌间刺数目70%以上，但会导致肋骨发育缺陷（蓝框）
发现的第一个跟肌间刺相关的基因是scxa，2017年我们发现这个基因的时候非常激动，因为前面做了五六年实验都没有找到一个基因。我们发现，这个基因的缺失可以让肌间刺的数目减少70%以上，但非常遗憾的是，即使这条鱼能存活，它的肋骨发育会有缺陷，让我们觉得不是很完美。
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bmp6基因缺失，可减少肌间刺数目30%以上，但牙齿发育和生长速度受到一定影响
后面我们又发现了bmp6这个基因，它可以让肌间刺的数目减少30%以上。非常好的是，它不会导致肋骨等主轴骨骼的缺陷。但是我们再细致研究它的生长、游动速度和牙齿数目之后，又发现它对牙齿发育和生长存在着一定的影响。
最关键的是，朋友们都告诉我，如果只让这个刺的数目减少一点点，那他们在吃鱼的时候还是不那么放心。因为不知道哪块鱼肉里还有根小刺，还是存在卡喉咙的风险。最好是找到一个能够完全控制肌间刺产生的基因。
非常惊喜的是，在2018年，我的学生非常高兴地来到我的办公室告诉我：「老师，我们终于发现了，这条鱼里面一根小刺都没有了。「我到了实验室，赶紧把这条鱼好好观察了一遍。
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发现1个基因突变个体完全没有肌间刺
这条鱼无论从它的左侧还是右侧、背侧还是腹侧，确实一根小刺都没有。我非常兴奋，赶紧拿了上百条这个基因突变品系的其他鱼去观察、核定和验证。但是很遗憾，除了这一条鱼，其他突变品系都还存在小刺。
这是一个有点遗憾的小插曲，后面我们发现这个基因虽然跟刺没有关系，但是跟鱼的牙齿有关联，非常有意思。这个基因缺失之后，鱼的牙齿数目是显著减少的，我们就把它跟海马关联起来。
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SCPP5基因缺失，鱼类牙齿数目减少
海马也是一种非常有意思的鱼类，它一颗牙齿都没有，因为它的基因组里SCPP5呈假基因的状态，不发挥作用。我们在斑马鱼上验证了这个基因缺失之后，牙齿的数目也是显著减少的，所以这个插曲也有它的科学意义。
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2020年，找到调控鱼类肌间刺发育的关键基因runx2b
到了2020年，我们终于真真正正找到了调控鱼类肌间刺发生发育的关键基因runx2b。但因为有了前面那个插曲，我们在实验室发现这个基因之后非常谨慎。
▲runx2b的缺失抑制了肌腱细胞向成骨细胞的分化
在2020年，我们给这个基因构建了很多突变品系的个体，也繁殖了很多下一代，真正明确了这个基因缺失之后，肌间刺确实没有了。从细胞的数目上，我们可以非常明显地看到，这个基因的缺失会让肌肉里面的成骨细胞数目显著减少。成骨细胞数目少，就不足以支撑在肌肉里面产生肌间刺了。
▲runx2b的缺失完全抑制了肌间刺的形成
无论我们用Micro-CT的方法，用茜素红染色的方法，还是有肌肉组织切片的方法，都印证了这个结果：这个基因缺失之后完全抑制了肌肉当中肌间刺的形成。
我们也顺利获得了国内以及国际（美国）首个授权的没有肌间刺鱼类培育的发明专利。
无小刺主养淡水鱼类培育
我们在斑马鱼上发现这个基因之后，就希望能够应用到经济鱼类上。
▲2022年，培育100%「无小刺武昌鱼」
所以在2022年，我们非常成功地培育了100%没有小刺的武昌鱼。
▲上：有肌间刺武昌鱼
下：无肌间刺武昌鱼
大家可以非常明显地看到，上面的肌肉里面有一根一根的小刺，下面这条鱼里面一根小刺都没有了，但是主轴骨骼，包括它的脊椎骨、肋骨、血管棘、神经棘以及其他骨骼组织都是完美存在的。之前有新闻报道说这是无骨鱼，借此机会我也想澄清一下，它们不能叫无骨鱼，只是肌肉里面没有小刺，其他骨骼组织都是完整的，能很好地支撑了这条鱼的生长发育，所以应该叫无小刺鱼。
无小刺鱼和普通鱼的外部形态有什么差异呢？很遗憾的告诉大家，从外部形态上，我们是没有办法去看出这条鱼到底是有小刺还是没有小刺的，因为它们没有太明显的差异。
很多朋友会问，这个鱼没有小刺之后好不好吃呢？营养价值好不好呢？在2023年2月，我们课题组顺利吃上了自己培育的没有小刺的武昌鱼。当时是在我们的实验基地，条件比较简陋，盘子还不够盛条鱼，但大家吃起来的心情是非常喜悦和开心的，因为终于可以大块吃武昌鱼的鱼肉了。
后面我们也测了它的肌肉里面脂肪酸和氨基酸的含量，目前看来是没有显著性差异的。
当然，这个技术除了应用在武昌鱼方面，我们也希望能应用到更多其他有小刺的主养经济鱼类上。
我们跟桂建芳院士合作，在2022年成功培育出了无肌间刺的银鲫。目前，我们课题组也在针对中国养殖产量第一的鱼类——草鱼培育无小刺的草鱼。今年我们已经繁育了无肌间刺草鱼F1代选育群体，希望后面我们可以在这个群体里把没有小刺的草鱼个体给筛选出来。
讲到这里，无小刺鱼的故事已经告了一个段落。但仔细想来，我们还有很多工作要继续开展，比如更进一步地细化肌肉品质和有利于加工的一些元素。我们也要去评估没有小刺之后，它的游动能力、抗病抗逆能力是不是也可以得到比较好的选育，包括养殖模式等方面的构建。这都是我们课题组接下来要进行开展的工作。
我要特别感谢实验室的研究生同学们，因为这个工作10年的坚持，离不开实验室一批批同学们的付出。也要感谢很多支持着、关注和关心着我们这个课题进展的朋友们，我也希望能够尽快让无小刺鱼主养鱼走上餐桌，为中国的水产种业和产业的发展做出我们的贡献和努力。
谢谢大家！
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