◎文、圖 | 三峽集團中華鱘研究所
中華鱘是一種古老的軟骨硬鱗魚類,屬于鱘形目魚類,是中生代殘存下來的極少數古代魚類之一,被譽為“長江魚王”。他們已經在地球上繁衍生息了一億四千萬年之久,他們的祖先甚至親歷了長江的形成和變遷。他們生在長江,長在大海,為了繁衍后代,以超強的感知力和堅韌不拔的毅力,從大海溯流搏擊,洄游數千里回到長江,從不迷失方向。“千斤臘子”這句諺語是四川漁民們對中華鱘的形象化描述,形容中華鱘龐大的身形,在《詩經·衛風·碩人》中還有“鮪發發,葭揭揭”的記載,都說明中華鱘曾是長江沿岸常見的漁業資源。然而,由于種種原因,中華鱘的種群數量下降驚人,1988年被定為我國一級保護物種。
與白鱀豚、白鱘相比,中華鱘是幸運的。1982年,葛洲壩工程興建之際,為保護中華鱘等受工程影響的關鍵水生物種,經水利部批準成立的中華鱘研究所,成為我國第一個真正意義的魚類增殖放流站,并逐漸成長為中華鱘等長江珍稀魚類保護的中堅力量,是三峽集團深入踐行長江大保護的重要組成部分。
經過多年的不懈努力,研究所在中華鱘研究保護方面相繼取得了一系列突破性成果:1984年,中華鱘人工繁殖成功;1986年,采用人工合成激素替代傳統手段催產繁殖,結束了捕殺野生中華鱘獲得催產素的歷史;1995年,大規模、大規格中華鱘養殖技術取得重大突破。從上個世紀八十年代至今,中華鱘研究所持續向長江、珠江等流域增殖放流中華鱘超過500萬尾,有效地保護了中華鱘物種。2009年至2011年,中華鱘研究所不斷攀登科研高峰,成功實施了三次中華鱘全人工繁殖,攻克了純淡水條件下中華鱘蓄養成熟的難題,探索出了中華鱘種群繁衍的有效途徑,使中華鱘保護工作擺脫了對野生資源的依賴。這項成果通過了國內頂級專家的鑒定,被確認為國際領先水平。2013年至今,中華鱘物種保護前沿技術向縱深發展,突破中華鱘單雌性繁殖技術。2014年10月,子一代中華鱘順利實現多次成熟并繁殖成功,標志著中華鱘全人工繁殖技術——“中華鱘親本再成熟”這一關鍵技術有了實質性突破。2016年構建中華鱘親魚遺傳譜系,為中華鱘人工種群可持續繁殖提供技術保障;同時開展中華鱘基因組研究,譜系研究及遺傳管理研究、開展中華鱘基因組學研究,為更深層次的中華鱘研究與保護工作奠定基礎。
最早的中華鱘人工繁殖中華鱘研究所成立之初,主要以網捕過壩的方式實施中華鱘保護工作,并開始嘗試中華鱘人工繁殖技術的研究。最早的中華鱘人工繁殖技術均以成熟中華鱘腦垂體進行催產。中華鱘研究所于1984年,采用這一傳統的方式進行了嘗試,成功催產3組中華鱘親魚,并孵化出24萬余尾中華鱘幼苗,成功實現零的突破。該催產方式每年需要宰殺40至50尾成熟中華鱘,代價之大令人心痛,因此,采用“殺雞取卵”的方式進行人工催產并非長久之計,必須找到一種能夠替代中華鱘腦垂體的催產劑。

1982年,科研人員以網捕過壩的方式對中華鱘進行保護。
LRH-A催產的創新之路功夫不負有心人,中華鱘研究所科研人員通過幾年的不斷嘗試,于1985年,采用人工合成激素促黃體生成素釋放激素類似物(LRH-A)代替鱘魚腦垂體進行催產試驗獲得成功,通過不斷完善,中華鱘人工繁殖不再需要犧牲親本的生命,對中華鱘物種保護工作具有重要意義。1987年,LHR-A代替腦垂體催產中華鱘的技術成果獲得國家科技進步一等獎。
與此同時,中華鱘研究所對鱘魚的研究更加廣泛和深入。研究所將中華鱘人工繁殖技術進行了推廣,開展了對國內外各種鱘魚的人工繁殖技術研究,成功實現了匙吻鱘、史氏鱘等的人工繁殖。
中華鱘苗種培育技術的革新利用LHR-A代替腦垂體催產中華鱘的成功,使人們看到了通過人工繁殖增殖中華鱘種群的希望。然而,在上世紀90年代之前,中華鱘幼苗培育技術一直處于較低水平,大規模、大規格苗種培育技術沒有取得突破,幼苗培育至開口攝食階段后存活率極低,這就無法進行大規格苗種培育。因此,在上世紀90年代中期,中華鱘放流基本以仔魚為主。為了攻克大規格苗種培育技術難關,上世紀80年代中后期至90年代早期,中華鱘研究所技術人員在缺乏任何相關資料的情況下,從中華鱘生理、生態等各個方面入手,對苗種人工培育中的水質、水溫、餌料、養殖設備設施、魚病等一系列影響中華鱘生存的因素進行了廣泛的試驗和研究,一步步攻克了中華鱘苗種培育的關鍵技術。
1995年,中華鱘研究所在國內率先突破大規格幼鱘培育技術,將規模化培育幼鱘的成活率提高到70%以上,首次放流10厘米以上規格中華鱘幼鱘突破3萬尾。1997年攻克了中華鱘營養需求和馴食配合飼料技術,國內大規模鱘魚苗種培育的瓶頸得以打破,使苗種培育不再依賴活餌料,大大提高了培育苗種的數量和放流魚種的規格。
活體無創傷采卵技術過去取卵,需要在中華鱘腹部開一個小口才能成功將其腹中的卵取出,該種方式容易對中華鱘造成傷害,不利于親魚的產后康復。為了降低產卵對雌性親魚的傷害,研究所科研人員嘗試腹部按壓的方式進行采卵,通過不斷調整力度,于2003年取得中華鱘活體無創傷采卵技術的成功。該項技術的應用使產后親魚得以保活,并通過康復后再放回長江。
全人工繁殖開創中華鱘保護新篇章盡管中華鱘研究所通過捕獲成熟親魚實現了人工繁殖,但真正意義上的人工繁殖還未達成,我們還未獲得成熟的人工培育的中華鱘親魚,因為人工繁殖過程中使用的親魚還完全來自對中華鱘野生親魚的捕撈。進入21世紀,隨著中華鱘繁殖群體資源減少,捕撈野生親本的難度逐漸增大,部分年份甚至無法捕撈到野生的雄性成熟親魚,且親魚的精子和卵子質量也大幅下降,隨之帶來的捕撈強度的增加對中華鱘自然繁殖的壓力逐漸顯現。中華鱘物種保護不容樂觀,必須找到不依賴自然繁殖群體的新的物種保護方式。由于中華鱘是江海洄游性魚類,其在淡水中如何實現性成熟是一個工作難題,由于沒有現成的經驗可以借鑒,工作方法只能靠摸索。技術人員將野生成熟親魚和野生III期親魚的人工馴養等方面的經驗融會貫通,與子一代中華鱘親魚人工馴養的實際情況相結合,很快找到了包括水溫、水質、水流、光照等環境因子在內的子一代中華鱘親魚性腺發育周年養殖及環境綜合調控的研究方法,順利實現了子一代中華鱘親魚的性腺發育成熟。
2009年10月,首次確認一組子一代中華鱘親魚(一雌一雄)性腺發育成熟。科研人員對這一組親魚進行了催產。4日下午2時28分,第一尾子二代中華鱘魚苗在中華鱘研究所三峽基地誕生,經過91至108小時的孵化,共孵化出苗1.8萬尾,中華鱘全人工繁殖獲得了首次成功,為中華鱘物種保護和資源的持續利用開辟了新途徑,具有里程碑式意義。
隨后的幾年中,中華鱘全人工繁殖連續4次獲得成功,分別獲得受精卵5萬、10萬、21萬、30萬粒,繁殖規模逐步達到野生親魚繁殖規模。2014年10月,子一代中華鱘順利實現多次成熟并繁殖成功,標志著中華鱘全人工繁殖技術有了實質性突破。
中華鱘的全人工繁殖得以突破,是中華鱘保護的福音,但研究所科研人員沒有放松警惕,陸續開展了更多更前沿的科研工作,為中華鱘保護工作開辟更多的道路。
中華鱘保護前沿技術向縱深發展為了能夠在極端條件下實現中華鱘繁殖,中華鱘研究所開展了單性繁殖技術研究,并于2013年率先突破了中華鱘單雌性繁殖技術,實現了“只有鱘媽媽也能生鱘寶寶”的奇跡,為中華鱘物種再加一層保護。
為了保持中華鱘人工種群的遺傳多樣性,避免近親繁殖造成的種質資源退化,維持中華鱘的進化潛能,研究所于2016年完成構建中華鱘人工種群梯隊遺傳譜系,對人工種群實行了科學的遺傳管理,為中華鱘人工繁殖的可持續發展提供保障。與此同時,構建了中華鱘基因組BAC文庫,為更深層次地開展中華鱘生長發育、繁殖以及疾病機理等方面的研究提供了資源庫。

4月13日,三峽集團舉行2019年長江三峽中華鱘放流活動,此次放流活動放歸了700尾子二代中華鱘,并從中選擇30尾身強體壯的鱘魚植入了聲吶標記。中華鱘達到性成熟的時間一般為9至12齡,而本次選取的30尾中華鱘年齡已達到了8至10齡,這些鱘魚在未來幾年將陸續達到性成熟并返回長江進行繁殖。為了保證這些“大齡”中華鱘在海洋發育成熟后返回長江進行繁殖時被發現,并得到更好的保護,本年度的聲吶標記均使用了長壽命標記,保證其在植入中華鱘腹腔后可連續工作10年左右。
為什么選擇聲吶標記目前常用的魚類標記方法有體外掛牌標記、被動整合式雷達標記(PIT標記)、魚類熒光標記(VIE標記)、微型線碼標記(CWT標記)、聲吶標記等。體外掛牌標記容易識別但也容易脫落,主要用作短期標記;PIT標記、VIE標記和CWT標記可在魚體中長期保存,但識別魚體標記編號需要將魚體捕獲后近距離識別,僅適用于池塘等小面積水體中使用;聲吶標記則兼具保存時間長久和監測距離遠的特性,對中華鱘降河洄游這種長距離、大范圍活動的監測工作來說最為適合。

聲吶標記植入中華鱘腹腔
如何植入聲吶標記開展超聲波標記植入手術前,對選定的標記鱘魚進行編號并逐尾測量其體重、體長、全長等生物學指標,建立放流中華鱘檔案。
聲吶標記需要植入到魚體腹腔,才能達到長久保存的目的。因為內臟主要集中在腹腔前部,腹腔后部只有性腺等少數器官,且空腔體積相對較大,便于標記植入,手術切口一般在中華鱘生殖孔前3至6塊腹骨板之間,偏離腹中線約1厘米處位置。聲吶標記植入后,迅速進行傷口縫合并做消毒防水處理。手術完成后將標記魚放入暫養區進行康復養殖,確保放流前標記魚身體狀況良好,創口愈合良好,超聲波標記信號發射正常。

中華鱘追蹤的新亮點截至目前,三峽集團中華鱘研究所已累計向長江放流中華鱘超過500萬尾。為了科學、客觀、準確的評價中華鱘放流效果,更好地保護好中華鱘這一珍稀物種,科研人員融合了超聲波遙測技術和物聯網思維,建立了覆蓋宜昌至河口水域近1800公里長江中下游河段的中華鱘洄游監測系統,為中華鱘研究和保護工作增添了一大利器。該系統是目前國內覆蓋范圍最廣、最全面的魚類放流效果監測評估系統。
中華鱘研究所于2014至2018年連續開展了中華鱘放流標記追蹤工作,通過中華鱘洄游監測系統取得了大量現場監測數據,對放流中華鱘降河入海過程中在長江中下游的洄游規律及入海率有了較為系統的評估。在總結和評估往年放流效果的基礎上,2019年度中華鱘監測工作在長江支流方面又有了新的拓展。本年度將對松滋河、漢江、芒稻河和洞庭湖、鄱陽湖等長江重要支流河湖進行布控,監控放流中華鱘進入支流水體的情況,了解中華鱘在支流水體中的活動規律及分布情況,為中華鱘的全方位保護提供更加全面的信息。
在中國的神話故事里,女媧自己一個人便創造了人類,成為了人類的第一個母親。而在動物世界中,沒有父親母親同時存在一般是不能生出小寶寶的。但科學技術就是這么的神奇,讓神話故事里才能發生的事情變為了現實。如今,采用人工誘導雌核發育技術,就能實現只有媽媽也能生出小寶寶的“神話故事”。
為了應對極端情況下僅存留單個性別個體的繁衍問題,中華鱘研究所進行了單雌性生殖技術研究。該技術通過人工誘導激活中華鱘卵子,使其發育成正常個體,從而實現“只有鱘媽媽也能生出鱘寶寶”。
多年以前,中科院水生生物研究所的白鱀豚館中喂養著最后一尾白鱀豚“淇淇”,二十多年來一直找不到配偶,因此沒有留下任何子嗣,孤獨地離開了世界。杜合軍,作為一名水生生物研究所畢業的博士,曾經深刻地體會過那種眼睜睜看著一個物種的離去卻無能為力的痛楚。如今,杜合軍博士成了中華鱘研究所物種保護研究室的學科帶頭人,成為一名資深的水生生物保護專家,他不希望在白鱀豚身上發生的悲劇在中華鱘身上重演。
近年來中華鱘野生種群資源持續衰退,由于中華鱘雌性平均壽命明顯長于雄性,在資源衰退過程中出現明顯的雌雄比例失衡現象。2007年、2008年最后幾次科研捕撈調查結果顯示,洄游至葛洲壩下的雌性中華鱘個體比例已是雄性的7倍。
“假設我們只能獲得雌性中華鱘時,這種用其他魚種滅活精子激活中華鱘魚卵發育的方式,就對中華鱘人工繁殖有重大的現實意義。”杜合軍說,“最好的繁殖方式當然是兩性繁殖,但我們不得不防范極端的情況發生,做好這項研究,做好技術準備。”
為此,研究所科研團隊搜集資料、設計方案、優化條件,一次又一次開展實驗。杜合軍博士團隊利用滅活的中華鱘精子激活卵子,促使卵子發育成個體。在整個過程中,精子只作為“激活源”,入卵后不形成雄核,子代的遺傳物質全部來自卵子,亦稱為雌核發育。2013年,世界上第一批只有媽媽的中華鱘寶寶在研究所的實驗室誕生,標志著中華鱘人工誘導雌核發育技術取得成功。該技術為中華鱘的保護提供了新的技術手段,在鱘魚類保護史中具有里程碑式的意義。
雌核發育成功取決于兩項關鍵技術的突破,主要是“精子滅活”和“卵子染色體加倍”,精子滅活既要保證精子活力又要保證精子遺傳物質失活,研究團隊通過自制實驗裝備,不斷優化稀釋比例、紫外照射強度、時間等實驗參數,而卵子染色體加倍則需要精準掌握卵子發育時期,確保單細胞染色體加倍。中華鱘單性繁殖技術的突破,為中華鱘及長江中其它瀕危鱘類的單性繁殖保護提供了技術保障。


放流現場的青年志愿者 攝影/劉華

模擬野外條件的養殖環境
中華鱘是以動物性食物為主的偏肉食性魚類,天然水體中的中華鱘,幼魚期主要攝食營底棲生活的動物;而在人工養殖條件下,中華鱘主要攝食人工配合飼料。室內飼養的中華鱘習慣搶食人工飼料,而缺乏搜尋、識別和捕捉自然餌料(如小型魚類、蝦、螺)的能力。由于人工馴食形成了爭搶的習慣,中華鱘在自然環境中取食時,會因缺乏辨別/選擇能力誤食與餌料混在一起的雜質如砂石、樹枝等進入食道,無法消化,進而引起病癥可能造成死亡。因此,在放流之前進行針對自然餌料的覓食能力訓練,就十分必要。
在人工培育條件下,中華鱘生長環境與自然條件存在較大差異,主要表現為:(1)水流條件差異。養殖水體相對靜止、生境單一,長期在此環境中生長可導致感知水流、克服水流能力的缺乏,從而在復雜的水流環境中迷失方向,同時缺乏抗擊激流的能力,隨波逐流。(2)餌料差異。人工養殖條件下長期攝食配合飼料,若不進行人工馴食轉化,可能使得放流魚在野生環境中食性轉化過程漫長,甚至無法轉換,增加死亡率。據東海所調查,在河口就曾發現大量攝食小石塊的放流魚。(3)捕食能力差異。養殖中華鱘與野生中華鱘相比,游泳能力不足,捕食及反捕食能力偏弱。(4)環境適應能力差異。人工養殖條件下,養殖池內均為光滑平面體,而自然環境下水體底部環境復雜,捕食環境也很復雜,若不進行環境適應能力的馴化,會使放流個體在自然條件下捕食能力減弱。
2019年1月至3月,中華鱘研究所對2017年子二代(2齡)中華鱘進行野化試驗。主要涉及食性轉化和捕食能力的增強。
在人工養殖條件下,中華鱘長期攝食配合飼料,放流前要將它們的食性轉變為活餌,可使得中華鱘在野外能更好的攝食。經過兩周的食性轉化后,中華鱘能大量攝食活餌,表明食性轉化成功。對中華鱘活餌料的投喂,涉及到泥鰍、蟶子、海蝦、小河蝦、小鯽魚、麥穗魚、底層野生小魚、小河蚌、螺螄等。
食性轉化成功后,在喂養池中增加底質(卵石和河沙),以增加環境復雜性,并將活餌投喂在卵石和河沙區域。經過一段時間地野化訓練,中華鱘在河沙區域和卵石區域都能較好地進行主動攝食。經過野化的中華鱘放流后,就能很好地適應自然環境,提高生存率。
放流之前對中華鱘進行食性轉化和復雜環境中覓食能力的訓練,有助于提高中華鱘對自然餌料的攝食能力,而且還能提高中華鱘在自然環境中的生存能力,提高放流中華鱘的存活率。
中華鱘無第二性征,在外表上無法進行雌雄特征鑒別,性別鑒定問題長期以來一直困擾著養殖業及學術界。過去雖然已有B超、體壁開口、穿刺、激素檢測以及體型數據推算等性別鑒定方法,但都需要在年齡達到5齡以上才能進行鑒定,并且這些技術在鑒定雌雄方面存在準確性較低的缺點。對中華鱘人工種群性別鑒定是平衡性別比例、篩選適合親魚、高效利用養殖資源的前提,性別鑒定越早越有利于人工種群的管理和親魚梯隊的建設。
中華鱘研究所科研團隊結合中華鱘身體結構特征,通過改裝醫用電子內窺鏡,建立了一套適合中華鱘的內窺鏡技術。在整個探索過程中,科研人員首先以偶然死亡的3~4齡的中華鱘為材料,采用內窺鏡技術獲取雌雄性腺的內窺鏡圖譜,比較雌雄圖譜的差異,以此做為鑒定參考。然后以同等規格的雜交鱘為實驗對象,確定內窺鏡微創手術開口的最佳位置和大小,使手術后的鱘魚能夠保持良好的狀態,傷口能在兩周之內愈合。最終,將確定好的內窺鏡技術方案應用于中華鱘的人工繁殖工作中。通過內窺鏡技術,科研人員可以對中華鱘的性腺進行觀察,實現性腺可視化,能夠精準地鑒定雌雄,并將中華鱘性別鑒定時間縮短到4齡以前。
同時,該團隊在開展的中華鱘轉錄組研究中,通過對性腺軸測序篩選出大量性別特異表達基因,在此基礎上進一步開發出雌雄性別特異表達標記,只需要剪一點鰭條,利用RT-PCR技術就可以鑒定其性別。中華鱘研究所科研人員通過對103尾2齡至10齡以上(其中2~3齡中華鱘子二代80尾)已知性別的樣本進行驗證,對于區分雌雄個體的準確率為100%。該技術可以將性別鑒定提前至2齡。利用RT-PCR分子遺傳標記方法且具有損傷小、鑒定準確的優點。
中華鱘早期性別的鑒定,有助于制定更加合理的人工增殖放流方案、探究中華鱘性腺發育規律,指導親魚培育和繁殖,更加有利于合理優化種群的性別結構,更有效利用養殖資源,更加合理構建中華鱘親魚梯隊。




科研人員通過內窺鏡鑒定中華鱘早期性別
人類近親之間生育的子女會加大罹患疾病的概率,魚類也一樣,通過近親繁殖獲得的后代,不僅成活率低,還會對其種質資源造成破壞,降低物種的遺傳多樣性,大大影響物種的延續。
中華鱘為典型的大型溯河產卵洄游性魚類,是我國國家一級重點保護野生動物。建立中華鱘人工養殖群體,實現全人工繁殖是人工保存中華鱘物種、實施遷地保護不可或缺的途徑,而遺傳譜系構建是遷地保護技術研究中不可或缺的組成部分。給中華鱘親本梯隊建立“家譜”,讓親緣關系最遠的進行配對繁殖,對于保障和提升種群質量具有重大意義。
遺傳多樣性是物種賴以生存和進化的物質基礎,保護物種其實就是要保護物種的遺傳多樣性。建立中華鱘的遺傳譜系就是為了最大限度地避免近交,盡可能地保護野生中華鱘種群的遺傳多樣性。人工繁殖的數量不是越多越好,重要的是遺傳基因是否保存更全面。目前,中華鱘親魚梯隊主要是2008年以前為數不多的野生親魚繁育留存的后代,且在2008年后無野生資源補充,因此,如何有效保存中華鱘遺傳多樣性,建立中華鱘人工養殖群體的遺傳譜系是中華鱘保護亟需解決的問題。
中華鱘研究所為了避免中華鱘“近親繁殖”導致的遺傳多樣性下降,科研人員對全部子一代中華鱘后備梯隊進行了DNA檢測,采用基因全序列分析技術,構建中華鱘后備親魚梯隊遺傳檔案和個體識別技術,建立了遺傳譜系,對中華鱘梯隊實施了種群遺傳管理,制定最科學的繁殖配對策略,盡最大可能保存中華鱘人工種群的遺傳多樣性。
在自然條件下,子一代中華鱘的親本——野生中華鱘,具有海河洄游特性。它們在淡水中出生、洄游到大海里生活,具有較長時間海水生長發育的經歷;性成熟后,上溯洄游到長江進行繁殖,繁殖后又回到大海,等待下一次的繁殖,其間必須多次跨越鹽度屏障。由未經海水的子一代中華鱘親魚繁育的子二代中華鱘,是否與天然條件下野生子一代中華鱘一樣,仍具有廣鹽性和較強的海水適應能力?其滲透生理又是如何變化和調控的?相應的鰓組織顯微結構發生了哪些變化?為了回答這些問題,中華鱘研究所對子二代中華鱘進行了海化試驗。

首先,科研人員采用階段遞增法,通過鹽度漸變,使子二代中華鱘順利達到30‰的海域鹽度。隨后,主要對子二代中華鱘的滲透生理變化過程及其調控機制進行研究,觀察環境鹽度突變后的鰓組織結構變化、測定并比較血清離子變動、血清滲透壓變化及鰓Na+/K+-ATPase活性。
淡水中的子二代中華鱘以高滲調節機制控制著體內水-鹽代謝平衡,以適應淡水環境中“排水保鹽”的需要。海化時,原有的高滲調節機制不再適用,引起體內一系列的應激反應。表現為血清離子和滲透壓異常升高,并相繼出現大量吞咽海水等應激行為來被動調整滲透壓的升高。調滲組織發生結構和功能上的調整:鰓上泌氯細胞增生和成熟,并轉變為“海水型”泌氯細胞,鰓上Na+/K+-ATPase活力迅速上升。隨著調滲組織結構和功能的逐步調整,低滲調節機制被啟動,鰓開始向外排出一價離子,腎減少了泌尿量并加強水分的重吸收。機體通過一系列“排鹽保水”新的水-鹽代謝方式,使血清[Na+]、[Cl-]和滲透壓回落,并重新維持內環境的穩定。調滲組織結構和功能的調整完成,標志著子二代中華鱘幼魚完成了滲透生理調節機制的轉變。子二代中華鱘幼魚以這種完全不同于淡水環境中的低滲調節機制控制著體內的水-鹽平衡,這種調節方式滿足了子二代中華鱘適應海水高滲環境的需要。
實驗證明,子二代中華鱘海化時具有較強的滲透生理調節能力和高鹽度海水的適應能力,為中華鱘物種保護對策的調整提供科學依據,同時也對我國其他瀕危水生野生動物保護的科學規劃具有借鑒意義。