兩年前，在挪威沿海地區，青皮的Ro Fjell與海洋農場1並駕齊驅，這是一個鋼網筆，相當於一個城市街區大小。船上的船員將一根沉重的真空軟管連接到鋼筆上，開始將壯壯的成年鮭魚從水裡抽到甲板下面的水箱中。後來，他們在一家主要的鮭魚養殖公司SalMar擁有的岸邊加工設施上卸下了魚類。
2018年的收穫標誌著全球最大的110米寬的近海魚筆的首次亮相。SalMar的地標性設施使飼養在平靜的沿海水域中的典型鋼筆相形見,，可以容納150萬條魚，其中22,000個傳感器監視其環境和行為，最終將這些魚運往世界各地。由於穩定，有利的溫度，海洋農場1的魚比平均大10％。深水和強流意味著它們沒有寄生海蝨。
就在半個世紀之前，大西洋鮭魚的貿易在很大程度上是區域性的事務，僅依賴於野外捕撈的魚類。現在，鮭魚養殖已成為一項全球性業務，年銷售額達180億美元。育種是水產養殖繁榮的關鍵。海洋農場1的銀色居民的生長速度大約是其野生祖先的兩倍，並且因抗病和其他特質而繁殖，使其非常適合農場生活。鮭魚的這些改善僅僅是一個開始：基因組學的發展有望通過幫助改善多種物種和性狀來顯著重塑水產養殖。
基因工程在水產養殖中進展緩慢。只有一種轉基因鮭魚（轉基因鮭魚）已經商業化。但是，公司和研究機構正在利用基因組學見識和諸如基因晶片之類的工具來支持傳統育種，從而加快鑑定具有所需性狀的魚類和貝類的速度。首要目標包括提高增長率以及對疾病和寄生蟲的抵抗力。育種者也在改善某些物種的堅韌性，這可以幫助農民適應氣候變化。許多人希望通過繁殖魚來獲得更高品質的魚片，醒目的顏色或增加營養水平來增強令消費者滿意的特徵。「採用新技術可以有效地改善複雜特徵的模式發生了轉變，」 Morten Rye說，
經過多年的繁殖，大西洋鮭魚的生長速度快於野生親戚。
亨德裡克斯遺傳學
水產養殖育種者可以利用豐富的遺傳資源。與雞，牛和其他家養動物進行的選擇性育種相比，大多數魚類和貝類在養殖方面沒有系統的遺傳改良。羅斯林研究所的遺傳學家羅斯·休斯頓（Ross Houston）說：「水產養殖物種中尚有大量的遺傳潛力尚未實現。」
然而，在對水產養殖的未來充滿熱情的同時，也存在一些擔憂。例如，尚不清楚消費者是否會接受通過重寫基因或在物種之間移動技術而改變的魚類和貝類。一些觀察家擔心，基因組育種工作忽視了對養活發展中國家人民至關重要的物種。不過，人們的期望很高。「這項技術是驚人的，它的發展非常迅速，成本正在下降，」新不倫瑞克省羅格斯大學的遺傳學家郭錫明說。「該領域的每個人都很興奮。」
魚類養殖的 根源可能不像農業那麼古老，但可以追溯到幾千年前。到大約3500年前，埃及人在一個大瀉湖中飼養金頭鯛。羅馬人養殖牡蠣。鯉魚在中國已經生長並有選擇地繁殖了數千年。但是，直到20世紀，很少有水產養殖物種得到系統的科學改進。
大西洋鮭魚是引起繁殖者廣泛關注的一種，價格相對較高。養殖始於1960年代後期，在挪威。在10年內，育種幫助提高了生長速度和收穫體重。新一代魚類（鮭魚需要3到4年才能成熟）的生長速度比前代魚快10％至15％。「我的家禽同事只能夢想達到這樣的百分比，」動物育種公司Hendrix Genetics的水產養殖研發總監Robbert Blonk說。在1990年代，育種者還開始選擇提高抗病性，魚片質量，延遲性成熟（提高單產）和其他特性。
另一個成功案例涉及羅非魚，羅非魚是一大批淡水物種，通常不會帶來高價，但在發展中國家起著關鍵作用。馬來西亞的一個國際研究中心（現稱為WorldFish）於1980年代開始了一項育種計劃，該計劃迅速使一種通常飼養的物種尼羅羅非魚的生長速度提高了一倍。育種者還提高了其抗病能力，由於出現了諸如羅非魚湖病毒之類的新病原體，這一任務得以繼續。
巴西莫吉達斯克魯茲大學的魚類遺傳學家亞歷山大·希爾斯多夫（Alexandre Hilsdorf）說，轉基因養殖羅非魚「在羅非魚生產方面發生了革命」。中國是水產養殖生產的全球領導者，已利用這一菌株建造了世界上最大的羅非魚孵化場。它每年養殖數十億條幼魚。
現在，水產養殖業提供了全世界食用的魚類和貝類的近一半（見下圖），並且過去十年的年產量增長了近4.5％，比大多數農業食品領域的增長都要快。這種擴張帶來了一些附帶的損害，包括農業廢料造成的汙染，大量捕撈野生魚類以飼餵鮭魚和其他物種，以及沿海溼地的破壞以修建蝦塘。然而，很大程度上要歸功於基因組學，水產養殖現在有望進一步加速發展。
漲潮
水產養殖正在與野生漁業的產量競爭，並且預計將會增加。增長的大部分來自亞洲淡水魚，例如草魚，但大多數研究都集中在大西洋鮭魚和其他高價值物種上。基因組技術現在正在傳播到蝦和羅非魚。
($ billions)Harvest (thousand tons, annually)*First research on breeding19581966197419821990199820062014Capture sheries (inland)Aquaculture (inland)Capture sheries (marine)Aquaculture (marine)Grass carp12.6570420107.645251989Nile tilapia16.724361971Atlantic salmon26.749661995Whiteleg shrimp1.26441984Pacific cupped oyster*First scientific report of breeding for a specific trait
（圖形）N. DESAI /科學; （數據，自下而上）聯合國糧食及農業組織；休斯頓等。，自然評論GENETICS 21，389（2020）
育種者對一種稱為基因組選擇的技術最為興奮。要了解原因，有助於理解育種者通常如何改善水產養殖種類。他們首先與兩個父母雜交，然後從成百上千的後代中選擇個體來測試他們想要改善的特徵。先進的程序每代進行數百次雜交，並從表現最好的家族中進行選育。但是一些測試意味著該動物以後不能用於繁殖。例如，測量魚片質量是致命的，而對疾病抵抗力的篩查意味著被感染的個體必須保持隔離狀態。結果，當研究人員識別出有前途的動物時，他們必須選擇一個同胞用於繁殖-並希望它的表現也一樣。「你不知道他們是家庭中最好的還是最壞的，
通過基因組選擇，研究人員可以基於遺傳標記識別具有高性能特徵的兄弟姐妹。他們所需要的只是一個小的組織樣本（例如從鰭上剪下來的樣本），可以將其製成菜泥並進行分析。DNA陣列可檢測被稱為單核苷酸多態性（SNP）的鹼基對的變化，使育種者能夠全面評估許多兄弟姐妹的多種性狀。如果SNP的模式表明某人攜帶最佳等位基因，則即使未經測試，也可以將其選擇進行進一步育種。基因組分析還允許育種者將近親繁殖減至最少。
牛育種家率先進行基因組選擇。幾年前，鮭魚養殖者採用了它，隨後是蝦和羅非魚。智利大學的遺傳學家JoséYá ez說：「實施該技術的行業競爭非常激烈。」他補充說，即使是小規模生產者現在也對基因改良感興趣。休斯頓說，作為一個粗略的平均值，該技術可以提高選擇準確性，並使遺傳改良的程度提高約25％。它和其他工具正在幫助研究人員追求以下目標：
更快的成長
這種特性改善了底線，使種植者可以更頻繁，更大地收穫。生長是高度可遺傳的，易於測量，因此傳統育種效果很好。但是育種者還有其他促進增長的策略，包括為農民提供單性魚類。例如，男性羅非魚的生長明顯快於女性。另一種策略是雜交物種。在美國佔主導地位的養殖cat魚是雌性channel魚和雄性藍cat魚的雜交種，生長更快且更堅硬。
誘發不育也刺激了生長，並幫助提高了貝類，特別是牡蠣的產量。在1990年代，現任維吉尼亞海洋科學研究所的Guo和Standish Allen提出了一種創建三倍體牡蠣的新方法，這種牡蠣是不育的，因為它們每個染色體都有一個額外的拷貝。這些牡蠣沒有花費太多精力進行繁殖，因此它們能更快達到收成的大小，從而減少了疾病的暴露。（牡蠣繁殖時，其一半以上的身體由精子或卵子組成，沒人願意吃。）
展望未來，研究人員正在探索基因轉移或基因編輯以進一步提高收益。美國的一家公司AquaBounty剛開始出售世界上第一種轉基因食用動物大西洋鮭，它聲稱比普通養殖鮭魚的生產力高70％。但是這條魚是有爭議的，並且面臨著消費者的抵制和監管障礙。
更健康的魚
疾病通常是水產養殖操作中最大的麻煩和支出。在蝦中，暴發可每年使總產量降低多達40％，並消滅整個生產過程。疫苗可以預防魚類中的某些疾病，但不能預防無脊椎動物，因為它們的適應性免疫系統不發達。因此，對於所有物種，非常需要抗性菌株。
為了提高抗病能力，研究人員需要一種嚴格的方法來測試動物。由於與美國農業部（USDA）的魚類病理學家合作，Benchmark Genetics能夠通過提供精確劑量的病原體然後測量響應來篩選羅非魚對兩種主要細菌性疾病的易感性。他們確定了與感染相關的遺傳標記，並使用基因組選擇來幫助開發更具抗性的菌株。美國農業部的科學家還與Hendrix Genetics合作，在僅僅三代之內將暴露於不同細菌病原體的鱒魚的存活率從30％提高到80％。
大多數水生物種的繁殖力，例如這種鱒魚（左），有助於繁育工作。鮭魚卵寬0.7毫米（右），堅固且易於分子生物學家使用。
亨德裡克斯遺傳學
也許最著名的成功是鮭魚。在研究人員發現一種抗傳染性胰腺壞死的遺傳標記後，公司迅速培育出可以在這種致命疾病中存活的菌株。同時，牡蠣育種者已經成功開發出了抵抗皰疹病毒的菌株，這種菌株對法國，澳大利亞和紐西蘭的產業造成了破壞。
抗寄生蟲的鮭魚
大西洋鮭魚養殖者面臨的一個大問題是海蝨。這種微小的寄生蟲附著在鮭魚的皮膚上，造成的傷口會損傷或殺死魚類，並使它們的肉變得毫無價值。在魚類損失和控制寄生蟲的費用之間，僅在挪威，蝨子每年就使養殖者損失超過5億美元。蝨子被魚筆吸引，並可以跳到經過的野生鮭魚上。
多年來，農民依靠殺蟲劑來對抗蝨子，但是這種寄生蟲已經對許多化學物質產生了抵抗力。其他技術，例如將鮭魚泵入熱水中，會導致蝨子掉落，會對魚產生壓力。
研究人員發現，一些大西洋鮭魚在抵抗蝨子方面比其他鮭魚更好，並且繁殖者一直在努力改善這種性狀。到目前為止，他們取得了不大成功。更好地理解為什麼幾種太平洋鮭魚對某些蝨子免疫可能會導致進展。科學家們正在研究海蝨是否被大西洋鮭魚釋放的某些化學物質所吸引。如果是這樣，可能可以通過基因編輯對其進行修改。
無菌股票
在農場上沒有性。這是許多水產養殖物種的目標，因為繁殖會將能量從生長中轉移出來。此外，從水產養殖活動中逃脫的肥沃魚類可能給野生親戚造成問題。例如，當野生魚類與他們的表親一起繁殖時，後代繁殖的成功率通常會降低。
鮭魚可以通過使它們成為三倍體來進行滅菌，通常是在複製染色體時通過在鋼製儲罐中對新受精的胚胎加壓。但這可能會產生副作用，例如對疾病的敏感性更高。挪威海洋研究所的分子生理學家安娜·沃格裡烏斯（Anna Wargelius）和同事改用了基因組編輯器CRISPR敲除了一個名為Deadend的基因，從而改變了大西洋鮭魚的基因使其變得不育。 。在2016年，他們表明這些魚雖然健康，但缺乏生殖細胞，並且沒有性成熟。現在，他們正在努力開發可育孵化場的育成繁殖這些繁殖後代的繁殖親魚。根據該小組上月在《科學報告》上發表的一篇論文，如果注射了信使RNA，則具有敲除基因的胚胎應該發育成可育的成年 動物。當這些魚在12月下旬成熟時，它們將嘗試進行繁殖。沃格裡烏斯說：「這看起來很有希望。」
另一種方法將不涉及基因修飾。巴爾的摩縣馬裡蘭大學的魚類生殖生理學家Yonathan Zohar和Ten-Tsao Wong正在使用小分子藥物破壞早期生殖發育，從而使魚類成熟時沒有精子或卵。
無骨魚片
廚師和食客討厭骨頭。在水產養殖中，將近一半的頂級物種是鯉魚或它們的親緣種，它們以充實其肉的小骨頭而臭名昭著。北卡羅萊納州立大學的生殖生理學家班傑明·雷丁（Benjamin Reading）說，在加工過程中無法輕易去除這些骨頭，因此「您不能僅僅得到一個乾淨的魚片」。
研究人員正在研究這些圓角骨頭的生物學特性，以查看是否有一天有可能通過繁殖或基因工程將其去除。幾年前，希爾斯多夫（Hilsdorf）聽說，巴西的一個孵化場已經發現了巨型亞馬遜魚（廣泛養殖的坦巴基）的變異親魚種群，這些魚類缺乏這些魚片。在嘗試並未能繁殖出無骨菌株後，他正在研究突變體的組織樣本，以尋找其遺傳學線索。
華中農業大學的遺傳學家高則霞正在研究中國養殖的鯉魚鈍嘴鯛。在五個遺傳標記的指導下，她和同事們正在繁殖鯛魚，以使魚片骨頭很少。她說，這可能需要8到10年的時間。他們在基因編輯方面也取得了一些成功-他們已經確定並敲除了兩個控制魚片骨骼存在的基因-他們計劃在其他鯉魚物種中嘗試這種方法。「我認為這是可行的，」高說。
菜單的新項目
全球範圍內的水產養殖項目都在忙於馴化新物種，這是陸地農業中罕見的淘金熱。在紐西蘭，研究人員正在馴化本地物種，因為它們已經適應當地條件。紐西蘭植物和食品研究所於2004年開始繁殖澳大利亞鯛魚。早期的工作集中在使魚存活並在水箱中繁殖。十年後，研究人員開始進行育種以提高生長速度，此後，他們將少年的生長速度提高了20％至40％。
基因組技術已被證明是至關重要的。鯛魚是大量的產卵者，因此育種者很難確定有前途的後代的父母，這對於優化選擇和避免近親繁殖至關重要。DNA篩選解決了這個問題，因為標記物揭示了血統。該研究所還繁殖了另一種當地的魚類，即銀ev，目的是尋找一種無需人工植入激素就能繁殖的繁殖魚。紐西蘭研究所和奧克蘭大學的進化遺傳學家Maren Wellenreuther表示：「這是一項長期的努力，要繁殖野生物種使其適合水產養殖。」
這些育種工作 需要金錢。儘管水產養殖業增長，該領域的研究經費仍落後於畜牧業，儘管一些政府正在加大投資力度。
在全球範圍內，美國太平洋雜交種的小公司，正在開發雜交牡蠣的遺傳學家丹尼斯·赫奇科克（Dennis Hedgecock）認為，發達國家的育種投資（佔總收穫的一小部分，但研究預算最大）與其餘國家之間存在「巨大差距」。世界的。他說，簡單地應用經典育種技術可以迅速提高產量，特別是在發展中國家。Hedgecock補充說，目前正在養殖的數百種物種可能使繁育計劃不堪重負，尤其是那些旨在增強抗病能力的計劃。他說：「其增長和產量超過了應對疾病的科學能力，」他補充說，關注較少的物種將是有益的。
為了幫助基因組學，專家們說，成本必須繼續降低。他們指出，SNP陣列的一項有前途的發展是一種稱為插補的技術，該技術將尋找較少遺傳變化的便宜陣列與一些更詳細地探測基因組的成本更高的晶片相結合。此類研究表明，基因組技術「正處於一個關鍵點，您將看到它在水產養殖中得到廣泛使用，」合同研究組織水產養殖技術中心主席約翰·布坎南說。
許多公司已經在計劃更大的收穫。薩爾瑪（SalMar）將於明年決定是否訂購海洋農場1號的伴侶。該公司已經制定了可以在公海作業的繼任者計劃，規模將超過兩倍，規模足以容納300萬至500萬。一次鮭魚。