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2018
02-21

美味的突变体:现代牡蛎的发明


如果你在今年夏天在半壳上sl下任何牡蛎,你可能没有意识到它们是怪物。从贬义的角度来看,不是怪物,而是人造物 - 现代博士弗兰肯斯坦博士的发明。在这种情况下,Frankenstein博士是Standish Allen,现任威廉姆斯水产养殖遗传育种技术中心主任。玛丽弗吉尼亚海洋科学研究所。在过去的三十年里,艾伦在牡蛎文化方面的专利创新改变了这个老式的行业。他的怪物:一种叫做三倍体牡蛎的甜美丰满的食物。

天然牡蛎,像人类和大多数其他真核生物一样,是二倍体 - 它们的每个细胞都含有两套染色体,每一种都来自父母。艾伦的创新一直是用三套染色体创造牡蛎。不平衡的数字会导致一个大多数不育的牡蛎,因为它不会浪费能量,产生配子 - 鸡蛋和精子 - 比天然牡蛎更大更快。这意味着它们可以在早期收获,然后才会受到在切萨皮克湾和诺曼底河口等地区为天然牡蛎种群造成浪费的疾病的影响。

但最大的优势在于,即使在温暖的夏季月份,天然牡蛎往往是不受欢迎的,因为它们的身体主要由生殖腺组成,或者因为它们变得稀薄而又潮湿产卵。

这些特征 - 较高的产量和一种可行的夏季产品 - 为什么养殖三倍体已经在很大程度上取代了美国餐馆和牡蛎棒中天然采收的牡蛎。尽管今天生产的大部分牡蛎仍然是二倍体,但其中大部分都是去壳的,用于汤罐头厂或其他加工过的牡蛎产品。对于野生采摘的牡蛎尤其如此,因为这种牡蛎往往会成块生长,并且会变得畸形。尽管如此,在餐厅观众面前展示的半壳牡蛎中的利润丰厚的交易,更多地归属于艾伦的脂肪,形状优美的三倍体。

而且,令人惊讶的是,他发明了两次。

艾伦发明三倍体牡蛎的第一次发生在20世纪70年代末,当时他还是缅因州大学的艾拉达林海洋中心的硕士生。当时的想法是开发能够加强缅因州当时新兴水产养殖业的产品。

“我的研究生涯很早就开始了,”艾伦说。 “我正在与鲑鱼一起工作,试图用鲑鱼做基本相同的事情,就像我们后来用牡蛎做三倍体一样。”

这是因为诱导三倍体已经被证明对提高其他生物体产量有效。

多倍体 - 具有两套以上的染色体 - 在动物中相对罕见,主要限于无脊椎动物和一些两栖动物和鱼类。例如,在人类中,多倍体通常是一种致命疾病(尽管一些特殊的体细胞,如心肌和衬在我们动脉的平滑肌有时是多倍体)。另一方面,许多植物,如蓝莓和一些红木,天然是多倍体,而农业杂交在许多植物中诱导多倍体。

事实上,一些世界上最重要的作物的特征可能源于不同品种染色体数量可能不同的事实。最着名的例子是小麦。 Einkorn小麦是最古老的品种之一,是一种正常的二倍体植物,而硬粒小麦或通心粉小麦是四倍体,普通小麦或面包小麦是六倍体。植物学家在植物中诱导多倍体产生许多品种的无籽果实,如香蕉,葡萄和西瓜。多倍体还经常增加产量。

“在植物中,”艾伦说,“多倍体的益处通常是较大的植物或果实。随着细胞的DNA含量增加,细胞的大小也增加。因此,你得到他们称之为“多倍体巨型症状”。例如,三倍体蓝莓的大小是普通蓝莓的两倍。“

所以艾伦希望对鲑鱼的产量有相似的效果。更快的增长速度也会让在缅因州寒冷水域中鲑鱼更容易养殖。要做到这一点,triloids看起来像一个有希望的方法。

一个常用的方法 在植物中诱导多倍体是用称为细胞松弛素的毒素处理植物的生长尖端,所以艾伦开始将这种化学物质应用于他的受试者的受精卵。但它没有按计划进行。 “这种化学物质在鲑鱼上效果不好,”他说,“所以我们决定试试牡蛎。它的工作。“

要了解它的工作原理,我们将不得不有一个简单的”性爱谈话“版本。

让我们首先指出艾伦的三倍体不是我们通常所说的转基因生物。他并没有将遗传物质 - 更不用说其他物种的基因 - 插入他的牡蛎中。相反,他只是操纵牡蛎性别的基本机制。

性生殖,其更加浪漫和有礼貌的元素被剪掉,基本上是混合和结合遗传物质,这是一个在受精前和受精过程中都会发生的过程。正如你可能从高中生物学中记得的那样,这是一种称为减数分裂的复杂细胞内舞蹈的一部分。艾伦只是改变了步骤。

自然减数分裂发生在几个高度编排的阶段,每个阶段都会快速连续发生。在第一阶段,即使在减数分裂技术开始之前,生殖细胞内的遗传物质 - 最终发育成卵或精子的细胞 - 也被复制。然后,由该生物体的父亲和母亲提供的匹配染色体被交换并组装成基本上四个新的和独特的染色体集合(技术上,两对染色单体)。然后这些染色体分离成两对,它们被吸引到两端该细胞允许细胞分裂成两个二倍体子细胞。这种分裂被称为减数分裂1.

这些子细胞再次分裂 - 这次没有遗传物质的分离 - 产生4个细胞,每个细胞现在都有一组染色体。这就是所谓的减数分裂2.在大多数生物体中,这些所谓的单倍体细胞现在都是配子,卵子或精子细胞。受精,单倍体卵和单倍体精子的融合产生二倍体合子。通过有丝分裂 - 细胞分裂的另一种形式,让你在生物学课上困惑 - 合子最终发育成牡蛎或人类或植物。这样,减数分裂通常以二倍体开始和结束。

化学艾伦应用于鲑鱼,然后牡蛎,细胞松弛素,通过防止减数分裂期间子细胞中染色体的减少来缩短减数分裂。这产生了二倍体而不是单倍体的卵子和精子。细胞松弛素的时间和剂量必须得到完全控制,但当二倍体卵子受到单倍体精子的影响时,结果是三倍体牡蛎。 1979年,艾伦在他的显微镜下工作在Ira Darling海洋中心,首先在他的一条牡蛎配子中计算出三条染色体。于是开始了牡蛎养殖的新纪元。但具有讽刺意味的是,缅因州还没有准备好接受艾伦的发现。艾伦说:“一个发现,如果在现实世界中有真正的概念证明,那么它才真正成功。但在缅因州和东海岸,大部分牡蛎产业仍集中在收获野生牡蛎。该行业还没有开发大型孵化场和育种基础设施,以便在商业规模上进行三倍体生产。“但是,尽管缅因州还没有准备好,但还有另一个牡蛎市场。 “在西北太平洋地区,他们已经拥有了所有这一切。他们有一个大型工业,每年生产数以百万计的牡蛎。“

因此,艾伦搬到了华盛顿大学,在那里他致力于完善他在大西海岸的化学三倍体过程孵化场。他并没有费心将他在缅因大学开发的化学技术专利化,但他在西海岸的新行业合作伙伴急于保护三倍体背后的知识产权。然而,艾伦的专利申请最终被拒绝,因为他以前发表过的工作,这意味着该技术已经在公共领域。这个故事更讽刺的是,尽管艾伦并没有使用基因工程来创造他的三倍体,但他的案例确立了一个重要的先例,允许基因改变的专利申请 动物并迎来了转基因专利时代。

艾伦最终在三倍体过程中获得了几项关键专利。他的第一个实际上是用一种新的技术,用静水压力或冷水代替细胞松弛素来中断减数分裂。到二十世纪八十年代末,在西海岸牡蛎养殖户中已经普遍使用三倍体。 “你可以把二十世纪八十年代末到九十年代后期想象成”化学三倍体时代“,”艾伦说。

但那个化学时代的结束已经在望。首先,在孵化场中使用细胞松弛素总是一个麻烦的过程。即使在实验室中,有时也会碰撞或错过,但在工业规模上,三倍体三倍体的存活率相对较低。更重要的是,食品和药物管理局开始对该行业施加压力,例如使用细胞松弛素等毒素。到1989年,当艾伦完成研究生学校并在罗格斯大学的哈斯金斯贝类研究实验室找到工作时,他已经在寻找一种新的三倍体方法。

解决方案非常优雅:四倍体 - 牡蛎与四套染色体。这个想法的关键在于四倍体,因为它具有偶数的染色体,可以生育。如果您将四倍体牡蛎与常规二倍体牡蛎杂交,则可以在不使用有毒化学物质的情况下产生不育三倍体。那真是太棒了。

但艾伦很快指出,他并不是唯一一个帮助提出这个想法的人。 “首先,”他说,“重要的是要给我的合作研究人员郭熙明,他的名字在本文中领先于我。他是一位真正的科学研究者;我只是个老派的生物学家。“

事实证明,来自中国这个世界水产养殖之都的研究生郭先生在华盛顿大学,同时艾伦正在增加这种化学物质在西海岸生产三倍体。 “我们重叠了几年,”艾伦说。 “他总是很安静,很娴静,但他在制作四倍体的方法上非常自信地工作。”郭先生在西雅图完成了博士后后,艾伦将他引诱到他在罗格斯的实验室工作,并开始研究四倍体。

Guo的方法基本上是对细胞松弛素方法的一种阐述,只是他试图将两套额外的染色体挤压到普通的二倍体精细胞中。一旦你创建了四倍体,你就可以用二倍体繁殖这种牡蛎来生产三倍体而不使用化学物质。这是无籽西瓜背后的技术。

但这并不容易。 “使用这些不同的方法,他能够从正常卵子制造四倍体胚胎,但它们从来没有生存过,”艾伦说。问题是郭开始的二倍体细胞核太小而不能容纳四组染色体。艾伦的见解是要问:“如果我们从一个更大的三倍体细胞开始呢?”

事实证明,自然充满了例外。即使几乎所有的三倍体都不育,每隔一段时间你就会发现一种真正可以产卵的。所以,艾伦和郭和其他实验室开始寻找肥沃的三倍体。

Benoit Eudeline是泰勒贝壳公司的研究总监,该公司是该国最大的牡蛎孵化场之一,她是艾伦实验室的前研究生。他记得四倍体研究的早期日子。他说:“当我做博士学位时,我不得不开放数百个,如果不是数以千计的牡蛎找到一个单一的肥沃的三倍体,”他说。

最后,艾伦的策略奏效。几个大的肥沃的三倍体被发现,郭能够在他们身上施展魔法,并将两个额外的染色体挤压到他们的精子细胞中。而且,当Allen和Guo能够用流式细胞仪而不是显微镜来证实他们确实创造了一种新的牡蛎时,这一天又来了。四倍体时代已经到来 - 今天的四倍体牡蛎都来自十多年前艾伦创建的几种肥沃三倍体。

这一次,艾伦准备好了。他确信他和郭在四倍体上获得了专利(不过,因为他们是大学的雇员,专利在技术上来到了罗格斯)。同样重要的是,他和郭建立了一家名为4-C育种的公司 技术,传播四倍体福音。这个想法是授权该技术来选择世界各地的孵化场。这些孵化场反过来可以使用四倍体为世界上的牡蛎养殖者生产三倍体。目前,澳大利亚和法国的商业孵化场拥有生产四倍体的许可证;但大部分四倍体孵化场都位于美国,大部分位于东海岸和墨西哥湾沿岸。尽管如此,最大的生产商仍然在西海岸,其中包括由Eudeline经营的泰勒贝类孵化场。

有趣的是,尽管三倍体具有所有好处,并且由于采用了新的四倍体技术,产量有所提高,Eudeline认为三倍体产量已达到顶峰,至少对于西海岸种植者而言。他说,原因是三倍体可以挑剔地增长。虽然他们当然是作为夏季产品辜负他们的炒作,但他们并不总是比他们的二倍体竞争对手增长得更快。

“这取决于地点,”Eudeline说。只要温度,盐度和营养成分合适,三倍体的表现就会超过二倍体。在另一些情况下,二倍体也保持或者更好。因此,他说,泰勒不太可能完全放弃三聚氰胺,占总产量的50%以上。但他补充道,泰勒仍然生产如此多的二倍体的部分原因仅仅是因为泰勒如何运作。

“我们有一大堆小农场 - 几十个5英亩,10英亩,20英亩的农场 - 每个农场都有自己的特点。如果我们只是一个大的种植者,我想我们可能会全部三倍体。将整个农场作为三倍体,并且不必在二倍体和三倍体之间来回切换更容易。“

即使现在,记住泰勒贝类每年生产数以亿计的牡蛎也是有益的。其中约一半是来自Allen四倍体的三倍体。另外值得注意的是,其他西海岸大型牡蛎生产商仍然使用艾伦的早期专利技术种植三倍体:压力拍摄或冷拍摄。

在某些方面,四倍体/三倍体世界的资本已经转移到切萨皮克湾。部分原因是因为在1998年,艾伦将他的实验室搬到了威廉和弗吉尼亚州弗吉尼亚海洋科学研究所的现在位置。玛丽。再一次,这里有一些讽刺意味,因为当时在切萨皮克的这个行业,就像它在缅因州一样,是非常老式的,并没有真正的孵化场传统。但是切萨皮克确实有一件事让三倍体过渡看起来似乎是合理的:野生牡蛎的种群几乎被过量采集,污染,尤其是疾病所消灭。

这是切萨皮克人的生态危机,但它证明了艾伦四倍体/三倍体技术发展的决定性机会。面对当地东部牡蛎Crassostrea virginica的流失,2003年,马里兰州自然资源部和弗吉尼亚州海洋资源委员会提议引入非本地牡蛎Crassostrea ariakensis来代替它。 “这导致了各种各样的狗屎,”艾伦说,因为各种环境和政府组织与业界就引入新入侵物种的潜力发生冲突。 “但是它也引发了五年或六年的研究,以确定这是否是一个好主意。”

当然,这个问题是如何在不引入非本土的情况下测试ariakensis的生存力和相对生产力进入生态系统。 “答案是,”艾伦说,“是最不育的三倍体。我们被迫做三倍体ariakensis为了测试他们;作为对照,我们必须制作和测试本地维吉尼亚三倍体。这使我们有了足够的资金进行研究,切萨皮克的水产养殖发病率也大大增加。“

最后,艾伦指出,ariakensis问题的答案是”否“。但在测试过程中,三倍体水产养殖业的种子现已建立。 “ariakensis实际上比virginica做得好一些,但失败者仍然很不错。这种说法让很多人相信,你实际上可以控制牡蛎并在其上赚钱。“

今天,当然,大部分的 来自切萨皮克的半壳牡蛎可能会在篮子里举起,而不是从底部刮掉。其中近90%可能是三倍体。四倍体/三倍体技术显然是商业以及学术上的成功。这突出表明了一些讽刺:现在,正如越来越多的四倍体使用意味着潜在的意外收益,专利今年将会耗尽一段时间。此外,作为向政府机构提供牡蛎政策咨询的研究人员,艾伦和郭都不得不放弃他们的4C股以避免利益冲突。

但艾伦认为三倍体研究的未来是光明的。由于其父母双方都很肥沃,可以通过正常的选择性育种来改善。这意味着未来研究人员应该有可能创建三倍体品种以适应特定的气候和环境。这可能是至关重要的,特别是在西海岸,这个行业正受到气候变化和海洋酸化的威胁。而且,正如艾伦的切萨皮克湾的一些品种所证明的那样,也应该有可能培育抗病性。

对于一个古老的桶生物学家来说,这是一个很大的期望。

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