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21世纪海洋生物技术发展的展望
21世纪海洋生物技术发展的展望 近10年来,由于海洋在沿海国家可持续发展中的战略地位日益突出,以及人 类对海洋环境特殊性和海洋生物多样性特征的认识不断深入,海洋生物资源多层 面的开发利用极大地促进了海洋生物技术研究与应用的迅速发展。1989年首届国 际海洋生物技术大会(以下简称MPS大会)在日本召开时仅有几十人参加,而1997 年第四届IMBC大会在意大利召开时参加入数达1000多人。现在IMBC会议已成为 全球海洋生物技术发展的重要标志,出现了火红的局面。《IMBC 2000》在澳大利 亚刚刚开过,《IMBC 2003》的筹备工作在日本已经开始,以色列为了举办们《IMBC 2006》早早作了宣传,并争到了举办权。每3年一届的IMBC不仅吸引了众多高水 平的专家学者前往展示与交流研究成果,探讨新的研究发展方向,同时也极大地推 动了区域海洋生物技术研究的发展进程。在各大洲,先后成立了区域性学术交流 组织,如亚太海洋生物技术学会、欧洲海洋生物技术学会和泛美海洋生物技术协 会等。各国还组建了一批研究中心,其中比较着名的为美国马里兰大学海洋生物 技术中心、加州大学圣地亚哥分校海洋生物技术和环境中心,康州大学海洋生物 技术中心,挪威贝尔根大学海洋分子生物学国际研究中心和日本海洋生物技术研 究所等。这些学术组织或研究中心不断举办各种专题研讨会或工作组会议研究讨 论富有区域特色的海洋生物技术问题。1998年在欧洲海洋生物技术学会、日本海 洋生物技术学会和泛美海洋生物技术协会的支持下,原《海洋生物技术杂志》与 《分子海洋生物学和生物技术》合刊为《海洋生物技术》学报(以下简称MB T), 现在它已成为一份具有权威性的国际刊物。海洋生物技术作为一个新的学科领域 已明确被定义为“海洋生命的分子生物学如细胞生物学及其它的技术应用”。为了适应这种快速发展的形势,美国、日本、澳大利亚等发达国家先后制 定了国家发展计划,把海洋生物技术研究确定为21世纪优先发展领域。1996年,中 国也不失时机地将海洋生物技术纳入国家高技术研究发展计划(863计划),为今后 的发展打下了基础。不言而喻,迄今海洋生物技术不仅成为海洋科学与生物技术 交叉发展起来的全新研究领域,同时,也是21世纪世界各国科学技术发展的重要内 容并将显示出强劲的发展势头和巨大应用潜力。
1.发展特点 表1和表2列出的资料大体反映了当前海洋生物技术研究发展的主要特点。
1.1加强基础生物学研究是促进海洋生物技术研究发展的重要基石海洋生物技术涉及到海洋生物的分子生物学、细胞生物学、发育生物学、 生殖生物学、遗传学、生物化学、微生物学,乃至生物多样性和海洋生态学等广 泛内容,为了使其发展有一个坚实的基础,研究者非常重视相关的基础研究。在 《IMBC 2000》会议期间,当本文作者询问一位资深的与会者:本次会议的主要进 步是什么他毫不犹豫的回答:分子生物学水平的研究成果增多了。事实确实如此。
近期的研究成果统计表明,海洋生物技术的基础研究更侧重于分子水平的研究,如 基因表达、分子克隆、基因组学、分子标记、海洋生物分子、物质活性及其化合 物等。这些具有导向性的基础研究,对今后的发展将有重要影。
1.2推动传统产业是海洋生物技术应用的主要方面 目前,应用海洋生物技术推动海洋产业发展主要聚焦在水产养殖和海洋天 然产物开发两个方面,这也是海洋生物技术研究发展势头强劲。充满活力的原因 所在。在水产养殖方面,提高重要养殖种类的繁殖、发育、生长和健康状况,特别 是在培育品种的优良性状、提高抗病能力方面已取得令人鼓舞的进步,如转生长 激素基因鱼的培育、贝类多倍体育苗、鱼类和甲壳类性别控制、疾病检测与防治、 DNA疫苗和营养增强等;在海洋天然产物开发方面,利用生物技术的最新原理和 方法开发分离海洋生物的活性物质、测定分子组成和结构及生物合成方式、检验 生物活性等, 表1 近期IMBC大会研讨的主要内容 表2 近期IMBC大会和《Marine Biotechnology》学报论文统计表 1.3保证海洋环境可持续利用是海洋生物技术研究应用的另一个重要方面 利用生物技术保护海洋环境、治理污染,使海洋生态系统生物生产过程更 加有效是一个相对比较新的应用发展领域,因此,无论是从技术开发,还是产业发 展的角度看,它都有巨大的潜力有待挖掘出来。目前已涉及到的研究主要包括生 物修复(如生物降解和富集、固定有毒物质技术等)、防生物附着、生态毒理、环 境适应和共生等。有关国家把“生物修复”作为海洋生态环境保护及其产业可持续 发展的重要生物工程手段,美国和加拿大联合制定了海洋环境生物修复计划,推动 该技术的应用与发展。
1.4与海洋生物技术发展有关的海洋政策始终是公众关注的问题 其中海洋生物技术的发展策略、海洋生物技术的专利保护、海洋生物技术对水产养殖发展的重要性、转基因种类的安全性及控制问题、海洋生物技术与生 物多样性关系以及海洋环境保护等方面的政策、法规的制定与实施倍受关注。
2. 重点发展领域 当前,国际海洋生物技术的重点研究发展领域主要包括如下几个方面: 2.1发育与生殖生物学基础 弄清海洋生物胚胎发育、变态、成熟及繁殖各个环节的生理过程及其分子 调控机理,不仅对于阐明海洋生物生长、发育与生殖的分子调控规律具有重要科 学意义,而且对于应用生物技术手段,促进某种生物的生长发育及调控其生殖活动, 提高水产养殖的质量和产量具有重要应用价值。因此,这方面的研究是近年来海 洋生物技术领域的研究重点之一。主要包括:生长激素、生长因子、甲状腺激素 受体、促性腺激素、促性腺激素释放激素、生长一催乳激素、渗透压调节激素、 生殖抑制因子、卵母细胞最后成熟诱导因子、性别决定因子和性别特异基因等激 素和调节因子的基因鉴定、克隆及表达分析,以及鱼类胚胎于细胞培养及定向分 化等。
2.2基因组学与基因转移 随着全球性基因组计划尤其是人类基因组计划的实施,各种生物的结构基 因组和功能基因组研究成为生命科学的重点研究内容,海洋生物的基因组研究,特 别是功能基因组学研究自然成为海洋生物学工作者研究的新热点。目前的研究重 点是对有代表性的海洋生物(包括鱼、虾、贝及病原微生物和病毒)基因组进行全 序列测定,同时进行特定功能基因,如药物基因、酶基因、激素多肽基因、抗病基 因和耐盐基因等的克隆和功能分析。在此基础上,基因转移作为海洋生物遗传改 良、培育快速生长和抗逆优良品种的有效技术手段,已成为该领域应用技术研究 发展的重点。近几年研究重点集中在目标基因筛选,如抗病基因、胰岛素样生长 因子基因及绿色荧光蛋白基因等作为目标基因;大批量、高效转基因方法也是基 因转移研究的重点方面,除传统的显微注射法、基因枪法和精子携带法外,目前已 发展了逆转录病毒介导法,电穿孔法,转座子介导法及胚胎细胞介导法等。
2.3病原生物学与免疫 随着海洋环境逐渐恶化和海水养殖的规模化发展,病害问题已成为制约世 界海水养殖业发展的瓶颈因子之一。开展病原生物(如细菌、病毒等)致病机理、传播途径及其与宿主之间相互作用的研究,是研制有效防治技术的基础;同时,开 展海水养殖生物分子免疫学和免疫遗传学的研究,弄清海水鱼、虾、贝类的免疫 机制对于培育抗病养殖品种、有效防治养殖病害的发生具有重要意义。因此,病 原生物学与免疫已成为当前海洋生物技术的重点研究领域之一,重点是病原微生 物致病相关基因、海洋生物抗病相关基因的筛选、克隆,海洋无脊椎动物细胞系 的建立、海洋生物免疫机制的探讨、DNA疫苗研制等。
nbs 海洋生物活性物质的分离与利用是当今海洋生物技术的又一研究热点。现 人研究表明,各种海洋生物中都广泛存在独特的化合物,用来保护自己生存于海洋 中。来自不同海洋生物的活性物质在生物医学及疾病防治上显示出巨大的应用潜 力,如海绵是分离天然药物的重要资源。另外,有一些海洋微生物具有耐高温或低 温、耐高压、耐高盐和财低营养的功能,研究开发利用这些具特殊功能的海洋极 端生物可能获得陆地上无法得到的新的天然产物,因而,对极端生物研究也成为近 年来海洋生物技术研究的重点方面。这一领域的研究重点包括抗肿瘤药物、工业 酶及其它特殊用途酶类、极端微生物中特定功能基因的筛选、抗微生物活性物质、 抗生殖药物、免疫增强物质、抗氧化剂及产业化生产等。
2.5海洋环境生物技术 该领域的研究重点是海洋生物修复技术的开发与应用。生物修复技术是比 生物降解含义更为广泛,又以生物降解为重点的海洋环境生物技术。其方法包括 利用活有机体、或其制作产品降解污染物,减少毒性或转化为无毒产品,富集和固 定有毒物质(包括重金属等),大尺度的生物修复还包括生态系统中的生态调控等。
应用领域包括水产规模化养殖和工厂化养殖、石油污染、重金属污染、城市排污 以及海洋其他废物(水)处理等。目前,微生物对环境反应的动力学机制、降解过程 的生化机理、生物传感器、海洋微生物之间以及与其它生物之间的共生关系和互 利机制,抗附着物质的分离纯化等是该领域的重要研究内容。
3.前沿领域的最新研究进展 3.1发育与生殖调控 应用GIH(性腺抑制激素)和GSH(性腺刺激激素)等激素调控甲壳类动物成 熟和繁殖的技术[1],研究了甲状腺激素在金绍生长和发育中的调控作用,发现甲 状腺激素受体mRNA水平在大脑中最高,在肌肉中最低,而在肝、肾和鳃中表达水平中等,表明甲状腺素受体在成体金银脑中起着重要作用[1],对海鞘的同源框 (Homeobox)基因进行了鉴定,分离到30个同源框基因[1],建立了青鳉的同源框 (Homeobox)基因[1],建立了青鳉胚胎干细胞系并通过细胞移植获得了嵌合体青鳉 [1],建立了虹鳟原始生殖细胞培养物并分离出Vasa基因[2],进行斑节对虾生殖抑 制激素的分离与鉴定[2],应用受体介导法筛选GnRH类似物,用于鱼类繁殖[2],建 立了海绵细胞培养技术,用于进行药物筛选[2],建立了将海胆胚胎作为研究基因 表达的模式系统[2],通过基因转移开展了海胆胚胎工程的研究[2],研究了人葡糖 转移酶和大鼠已糖激酶cDNA在虹鳟胚胎中的表达[3],建立了通过细胞周期蛋白 依赖的激酶活性测定海水鱼苗细胞增殖速率的方法[3],研究了几丁质酶基因在斑 节对虾蜕皮过程中的表达[4],从海参分离出同源框基因,并进行了序列的测定[4]。
3.2功能基因克隆 建立了牙鲆肝脏和脾脏mRN A的表达序列标志,从深海一种耐压细菌中分 离到压力调节的操纵子,从大西洋鲑分离到雌激素受体和甲状腺素受体基因,从挪 威对虾中分离到性腺抑制激素基因[1];将DNA微阵列技术在海绵细胞培养上进行 了应用,构建了班节对虾遗传连锁图谱,建立了海洋红藻EST,从海星卵母细胞中分 离出成熟蛋白酶体的催化亚基,初步表明硬骨头鱼类IGF-I原E一肽具有抗肿瘤作 用[2];构建了海洋酵母De—baryomyces hansenii的质粒载体,从鲤鱼血清中分离纯 化出蛋白酶抑制剂,从兰蟹血细胞中分离到一种抗菌肽样物质,从红鲍分离到一种 肌动蛋白启动子,发现依赖于细胞周期的激酶活性可用作海洋鱼类苗种细胞增殖 的标记,克隆和定序了鳗鱼细胞色素P4501A cD-NA,通过基因转移方法分析了鳗 细胞色素P450IAI基因的启动子区域,分离和克隆了鳗细胞色素P450IAI基因,建立 了适宜于沟绍遗传作图的多态性EST标记,构建了黄盖鲽EST数据库并鉴定出了 一些新基因,建立了班节对虾一些组织特异的EST标志,从经Hirame Rhabdovirus 病毒感染的牙鲆淋巴细胞 EST中分离出596个 cDNA克隆[3];用PCR方法克隆出 一种自体受精雌雄同体鱼类的一肌动蛋白基因,从金鲷cDNA文库中分离出多肽 延伸因子EF 3.3基因转移 分离克隆了大马哈鱼IGF基因及其启动子,并构建了大马哈鱼IGF(胰岛素 样生长因子)基因表达载体[1]。通过核定位信号因子提高了外源基因转移到斑马 鱼卵的整合率[1],建立了快速生长的转基因罗非鱼品系并进行了安全性评价;对 转基因罗非鱼进行了三倍体诱导,发现三倍体转基因罗非鱼尽管生长不如转基因 二倍体快,但优于未转基因的二倍体鱼,同时,转基因三倍体雌鱼是完全不育的,因而具有推广价值[2];研究了超声处理促进外源DNA与金鲷精子结合的技术方法, 将GFP作为细胞和生物中转基因表达的指示剂;表明转基因沟鲶比对照组生长快 33%,且转基因鱼逃避敌害的能力较差,因而可以释放到自然界中,而不会对生态环 境造成大的危害[3];应用GFP作为遗传标记研究了斑马鱼转基因的条件优化和表 达效率[3];在抗病基因工程育种方面,构建了海洋生物抗菌肽及溶菌酶基因表达 载体并进行了基因转移实验[2];在转基因研究的种类上,目前已从经济养殖鱼类 逐步扩展到养殖虾、贝类及某些观赏鱼类[2.3]。通过基因枪法将外源基因转到虹 鳟肌肉中获得了稳定表达[4]。
3.4分子标记技术与遗传多样性 研究了将鱼类基因内含子作为遗传多样性评价指标的可行性,应用SSCP和 定序的方法研究了大西洋和地中海几种海洋生物的遗传多样性[1]。研究了南美 白对虾消化酶基因的多态性[1];利用寄生性原生动物和有毒甲藻基因组DNA的间 隔区序列作标记检测环境水体中这些病原生物的污染程度,应用18S和5.8 S核糖 体RNA基因之间的第一个内部间隔区(ITC—1)序列作标记进行甲壳类生物种间 和种内遗传多样性研究[2];研究了斑节对虾三个种群的线粒体DNA多态性,用 PCR技术鉴定了夏威夷Gobioid苗的种类特异性。通过测定内含子序列揭示了南 美白对虾的种内遗传多样性,采用同功酶、微卫星DNA及RAPD标记对褐鳟不同种 群的遗传变异进行了评价,在平鱼鉴定并分离出12种微卫星DNA,在美国加州鱿 鱼上发现了高度可变的微卫星DNA[3];弄清了一种深水鱼类线粒体基因组的结构, 并发现了硬骨鱼类 tRNA基因重组的首个实例,测定了具有重要商业价值的海水 轮虫的卫星DNA序列,用RAPD技术在大鲮鲆和鳎鱼筛选到微卫星重复片段,从多 毛环节动物上分离出高度多态性的微卫星DNA,用RAPD技术研究了泰国东部泥 蟹的遗传多样性[3];用AFLP方法分析了母性遗传物质在雌核发育条纹鲈基因组 中的贡献[4]。
3.5 DNA疫苗及疾病防治 构建了抗鱼类坏死病毒的 DNA疫苗[1];开展了虹鳟IHNV DNA疫苗构建 及防病的研究,表明用编码IHNV糖蛋白基因的DNA疫苗免疫虹鳟,诱导了非特异 性免疫保护反应,证明DNA免疫途径在鱼类上的可行性,从虹鳟细胞系中鉴定出 经干扰素可诱导的蛋白激酶[2];建立了养殖对虾病毒病原检测的ELISA试剂盒,用 PCR等分子生物学技术鉴定了虾类的病毒性病原,将鱼类的非特异性免疫指标用 于海洋环境监控,研究了抗病基因转移提高鲷科鱼类抗病力的可行性,研究了蛤类 唾液酸凝集素的抗菌防御反映[2];研究了一种海洋生物多糖及其衍生物的抗病毒活性[3];建立了测定牡蛎病原的PCR—ELISA方法[3];研究了Latrunculin B毒素在 红海绵体内的免疫定位[4]。
3.6生物活性物质 从海藻中分离出新的抗氧化剂[1],建立了大量生产生物活性化合物的海藻 细胞和组织培养技术,建立了通过海绵细胞体外培养制备抗肿瘤化合物的方法 [1];从不同生物(如对虾和细菌)中鉴定分离出抗微生物肽及其基因,从鱼类水解产 物中分离出可用作微生物生长底物的活性物质,海洋生物中存 3.7生物修复、极端微生物及防附着 研究了转重金属硫蛋白基因藻类对海水环境中重金属的吸附能力,表明明 显大于野生藻类[1],研究了石油降解微生物在修复被石油污染的海水环境上的可 疗性及应用潜力[1];研究了海洋磁细菌在去除和回收海水环境中重金属上的应用 潜力[1];用Bacillus清除养鱼场污水中的氮,用分子技术筛选作为海水养殖饵料的 微藻,开发了六价铬在生物修复上的应用潜力,分离出耐冷的癸烷降解细菌,研究 了海洋环境中多芳香化烃的微生物降解技术[2];从噬盐细菌分离出渗透压调节基 因,并生产了重组Ectoine(渗透压调节因子),从2650米的深海分离到一种耐高温的 细菌,这种细菌可用来分离耐高温和热稳定的酶,在耐高温的archaea发现了D型氨 基酸和无氧氨酸消旋酶,测定了3种海洋火球菌的基因组DNA序列,借助于 CROSS/BLAST分析进行了特定功能基因的筛选,从海底沉积物、海水和北冰洋收 集了1000多种噬冷细菌,并从这些细菌中分离到多种冷适应的酶[2];建立了一种 测定藤壶附着诱导物质的简单方法,研究了Chlorophyta和共生细菌之间附着所必 需的形态上相互作用,研究了珊瑚抗附着物质(dterpene)类似物的抗附着和麻醉作 用[3];分析了海岸环境中污着的起始过程,并对沉积物和附着物的影响进行了检 测[4]。
4.展望与建议 上述研究分析表明,海洋生物技术作为一个全新的学科,已成为21世纪海洋 研究开发的重要领域,并沿着三个应用方向迅速发展。一是水产养殖,其目标十分 清楚就是要提升传统产业,促使水产养殖业在优良品种培育、病害防治、规模化 生产等诸多方面出现跨越式的发展;二是海洋天然产物开发,其目标是探索开发高 附加值的海洋新资源,促进海洋新药、高分子材料和功能特殊的海洋生物活性物 质产业化开发;三是海洋环境保护,其目标是保证海洋环境的可持续利用和产业的可持续发展。令人可喜的是这个应用发展趋势与我国海洋产业的发展需求,特别 是与我国海洋生物资源可持续开发利用的高技术需求相一致[5]。事实上,在过去5 年中我国海洋生物技术的研究应用已经取得了长足的进步,取得了一批具世界先 进水平的研究成果,在推动海洋产业发展中发挥了重要作用。进入21世纪,加大海 洋863的支持力度,进一步促进我国海洋生物技术快速发展的势头,不仅有现实的 意义,也是具有战略价值的举措。另外,面对科技全球化的挑战,多渠道地加强国际 合作与交流,促进我国海洋生物技术创新和产业化向更高层面上发展也是十分重 要的。
从技术应用的角度看,海洋生物技术主要是利用海洋环境特殊性和生物多 样性特征,从分子和细胞水平上,即从高技术水平上多层面地开发利用海洋生物群 体资源。遗传资源和天然产物资源,那么与此相关的基础研究就显得十分重要了。
事实上,这也是一种国际研究发展趋势。为了弥补这方面的不足,在我国海洋生物 技术发展过程中需要有多方面支持和配合,不仅要与《国家重点基础研究发展规 划》、《国家自然科学基金》等相关计划沟通、衔接,还需要加强基础性建设。
既需要加强中试基地和产业化基地建设,也需要加强基础设施建设,如加强开放实 验室、研究基地、生物多样性资源库、种子库、信息数据库的建设。这些措施对 我国海洋生物技术向更高水平发展具有深远意义.
