丁君，常亞青

(大連海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方海水增養(yǎng)殖重點實驗室，遼寧 大連 116023)

水產(chǎn)種質(zhì)資源是良種創(chuàng)制、增養(yǎng)殖生產(chǎn)和漁業(yè)科技發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是支撐國民生產(chǎn)、人民生活和社會科技活動的重要戰(zhàn)略資源。目前，水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)與利用存在的主要問題包括：水產(chǎn)動物棲息地環(huán)境惡化，導(dǎo)致其生存受到威脅；外來物種入侵，使得大量原生的優(yōu)良水產(chǎn)物種數(shù)量減少；水產(chǎn)動物種質(zhì)資源研發(fā)利用水平低；相關(guān)的法律法規(guī)不系統(tǒng)、不健全，缺少權(quán)威的管理機制，以及國際合作較少等[1]。為加強水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)和利用，促進(jìn)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展，目前中國已將水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)列入《中華人民共和國漁業(yè)法》(2013年修正本)；新修訂的《水產(chǎn)苗種管理辦法》(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部令第46號)明確指出，國家將有計劃地搜集、整理、鑒定、保護(hù)、保存和合理利用水產(chǎn)種質(zhì)資源；2019年國務(wù)院辦公廳頒布了《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)與利用的意見》(國辦發(fā)〔2019〕56號)，為中國水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)與利用提供了重要依據(jù)。

棘皮動物是重要的水產(chǎn)資源，目前，世界范圍內(nèi)現(xiàn)存棘皮類動物6000余種，其中，中國棘皮動物約有500余種[2]，其種質(zhì)資源保護(hù)與開發(fā)利用仍存在諸多問題，如被開發(fā)利用的海參不足20種，海膽僅6～8種，開展種質(zhì)評價的種類不足10種，目前，棘皮動物中僅有仿刺參Apostichopusjaponicus(通常稱刺參，以下稱刺參)、中間球海膽Strongylocentrotusintermedius可進(jìn)行規(guī)?；斯ゐB(yǎng)殖；藥用棘皮類動物市場需求量大，但尚未較好開發(fā)利用；中國南海暖水性海參、海膽資源豐富，但近年來種類和數(shù)量呈快速下降趨勢；另外，無序的刺參、海膽苗種交流和混雜使現(xiàn)有品種(系)種質(zhì)退化，生長速度下降，抗逆性降低。

針對上述情況，本文綜述了經(jīng)濟(jì)棘皮動物的種質(zhì)資源分布、鑒定、評價、保存和利用現(xiàn)狀，并就種質(zhì)資源保護(hù)和利用提出建議，以期為合理開發(fā)、利用中國經(jīng)濟(jì)棘皮動物種質(zhì)資源提供參考。

1 海參、海膽種質(zhì)資源分布

棘皮動物門Echinodermata屬后口動物Deuterostomes，最早出現(xiàn)于寒武紀(jì)，繁盛于整個中生代，棘皮動物的化石種類多達(dá)2萬多種?，F(xiàn)存的棘皮動物門分海星綱Asteroidea、海膽綱Echinoidea、海參綱Holothuroidea、海蛇尾綱Ophiuroidea和海百合綱Crinoidea 5個綱。棘皮動物大多營底棲生活，少數(shù)海參營浮游生活，自由生活的種類具有一定運動能力，能夠緩慢移動。其中海參綱、海膽綱中有較多經(jīng)濟(jì)價值較高的物種[3]。

1.1 海參

目前，全球約有海參1200種，絕大多數(shù)營底棲生活，廣泛分布于世界各大洋的潮間帶至萬米水深的海域，主要生活在礁石、泥沙及海藻叢生的地帶[4]。熱帶地區(qū)海參資源豐富且呈多種性，據(jù)統(tǒng)計，世界約86%的海參產(chǎn)量分布在熱帶地區(qū)，其中，印度洋-西太平洋區(qū)是世界上海參種類最多、資源量最大的區(qū)域[5]。溫帶地區(qū)海參資源呈現(xiàn)單種性，分布于太平洋東西兩岸，其中，東岸以美國紅海參Parastichopuscalifornicus為主，西岸以刺參為主。世界重要經(jīng)濟(jì)海參的自然分布見表1。

表1 重要經(jīng)濟(jì)海參的自然分布[8]Tab.1 Natural distribution of economically important sea cucumbers[8]

中國約有海參120余種，沿海各省均有分布，其中，經(jīng)濟(jì)價值較高的有10～20種，北方以黃海、渤海的刺參最為重要。刺參屬溫帶種，垂直分布于潮間帶至水深20～30 m的淺海海域[6-7]，在中國山東、河北、遼寧等省淺海沿岸、江蘇連云港外的平山島周圍海域均有分布[8]。梅花參Thelenotaananas是中國南方主要經(jīng)濟(jì)種類之一，因其背部肉刺大，每3～11個肉刺基部相連且呈梅花狀而得名，成體可達(dá)60～75 cm[9]。另外，糙海參Holothuriascabra、糙刺參Stichopushorrens、烏皺輻肛參Actinopygamiliaris、黃乳海參Holothuriafuscogliva等暖水性海參也具有較高經(jīng)濟(jì)價值[10]。2019年中國海參養(yǎng)殖年產(chǎn)量達(dá)到171 700 t[11]。

1.2 海膽

海膽是一種古老的生物，其滅絕種的化石可作為中生代和古生代的標(biāo)志。全世界現(xiàn)有海膽約900種，分布于各大洋，其中以印度洋-西太平洋區(qū)種類最多，主要分布于智利、美國、加拿大、日本等國海域[12]。海膽的垂直分布從潮間帶直至7000 m深的海底，營底棲生活，生活于硬質(zhì)石底、貝殼底、珊瑚礁，以及軟的泥沙底、沙底和軟泥底。世界主要經(jīng)濟(jì)海膽分布見表2。

表2 世界主要經(jīng)濟(jì)海膽的分布[8]Tab.2 Distribution of main economic sea urchins in the world[8]

中國已記錄的海膽有8目26科60屬93種，從遼寧省大連市到海南省三亞市各地沿海均有分布[13]。大型正形海膽性腺中含有豐富的不飽和脂肪酸，食用、保健和藥用價值較高。目前，中國主要經(jīng)濟(jì)海膽有5～8種，其中，光棘球海膽Strongylocentrotusnudus俗稱大連紫海膽，分布于中國黃海，遼東半島、山東半島黃海一側(cè)海域及渤海部分島礁周圍；紫海膽Anthocidariscrassispina為南方種，分布于福建、浙江、廣東、臺灣、海南等各省沿海；馬糞海膽Hemicentrotuspulcherrimus，主要分布于黃渤海沿岸，遼寧、山東、河北等省沿岸多見，向南至浙江、福建等省沿海皆有分布；海刺猬Glyptocidariscrenularis俗稱黃海膽、白海膽，是現(xiàn)今僅存的疣海膽科的唯一代表種，主要分布于中國黃海北部及日本海的部分海域；中間球海膽Strongylocentrotusintermedius又稱蝦夷馬糞海膽，自然分布于日本的北海道及俄羅斯遠(yuǎn)東海域，其性腺色澤好，品質(zhì)上乘，大連海洋大學(xué)于1989年將其從日本引入中國，隨著人工育苗、中間育成等技術(shù)相繼研發(fā)成功，中間球海膽已成為中國最重要的海膽?zhàn)B殖種類，在遼寧、山東等地沿海的養(yǎng)殖已初具規(guī)模，2019年中國海膽?zhàn)B殖年產(chǎn)量已達(dá)8243 t[11]。

2 種質(zhì)資源鑒定方法

種質(zhì)資源鑒定不僅在發(fā)現(xiàn)、開發(fā)新種質(zhì)方面發(fā)揮重要作用，同時在雜交種、隱形種鑒別，雜交優(yōu)勢利用等方面也具有重要意義。

開展水產(chǎn)動物種質(zhì)資源鑒定常用技術(shù)方法如表3所示。較其他物種，棘皮類動物還有一種特殊的形態(tài)學(xué)鑒定方法——骨片鑒定法。海參骨片是位于海參真皮表層的海參內(nèi)骨骼，主要成分是碳酸鈣，通常被認(rèn)為是古老或胚胎期骨骼的存留，是海參綱動物的重要特征。海參體內(nèi)常見骨片有桌形體、花紋樣體、穿孔板、扣狀體等，不同種類海參的骨片形狀、大小也存在差異。廖玉麟[14]對中國134種海參進(jìn)行了形態(tài)學(xué)分類，并對其骨片進(jìn)行了詳細(xì)描述，認(rèn)為骨片特別是桌形體骨片是海參分類的重要依據(jù)；Massin等[15]研究發(fā)現(xiàn)海參骨片具有種的特異性；文菁等[16]利用掃描電鏡研究了中國南海13種海參骨片；張莉恒等[17]研究了刺參不同組織中的骨片，發(fā)現(xiàn)刺參骨片不受加工方式和保存方式限制，較分子生物學(xué)鑒定方法可操作性更強。丁君[18]研究發(fā)現(xiàn)，中間球海膽和馬糞海膽雜交后代管足中含有其兩個親本海膽特征性骨片，可作為鑒定雜交海膽方法之一。除骨片外，海膽叉棘的形態(tài)特征(包括球形叉棘、蛇首叉棘和三叉叉棘等)也可作為形態(tài)學(xué)標(biāo)記，輔助海膽的種質(zhì)鑒定。

表3 水產(chǎn)動物種質(zhì)資源鑒定常用方法Tab.3 Common methods for identification of fishery animal germplasm resources

在分子生物學(xué)鑒定方面，核基因組DNA分析(常采用RFLP、RAPD、SSR、SNP等分子標(biāo)記)國內(nèi)外已有較多報道[19]。律迎春[20]采用PCR-RFLP技術(shù)開展了基于DNA條形碼的海參種類鑒定研究，實現(xiàn)了對加州擬刺參Parastichopuscalifornicus、北大西洋瓜刺Cucumariafrondosa、梅花參、輻肛參Actinopygalecanor和刺參5種海參的種質(zhì)鑒定。文菁等[21]使用PCR-RFLP的方法成功對19種商品海參進(jìn)行鑒定。核外線粒體DNA分析在遺傳進(jìn)化分析、遺傳結(jié)構(gòu)分析、品系鑒定、雜交種質(zhì)和雜交漸滲判定等方面被廣泛應(yīng)用。申欣等[22]采用鳥槍法測序并拼接獲得了刺參的線粒體基因組全序列，并結(jié)合GenBank中海參綱其他物種的線粒體DNA序列，初步揭示了海參綱線粒體基因組的基本特征。大連海洋大學(xué)等開展了尖塔海參Holothuriaspinifera、棕環(huán)海參Holothuriafuscocinerea、紫海膽Heliocidariscrassispina和雜色角孔海膽Salmacissphaeroides的線粒體全測序[23-26]，并繪制了基于線粒體的海參、海膽親緣關(guān)系進(jìn)化樹，為不同種海參的種質(zhì)鑒定奠定了基礎(chǔ)。

3 種質(zhì)資源評價

種質(zhì)資源評價是種質(zhì)資源保護(hù)與利用的前提和基礎(chǔ)，主要包括種質(zhì)資源分類、評價內(nèi)容、評價方法及評價指標(biāo)等[27]。

3.1 種質(zhì)資源分類

種質(zhì)資源按照不同標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類。按照來源可分為當(dāng)?shù)胤N質(zhì)資源、外來種質(zhì)資源，通常，當(dāng)?shù)匚锓N高度適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，擁有豐富的基因型；按性質(zhì)可分為野生種質(zhì)資源、人造種質(zhì)資源；從保護(hù)生物學(xué)角度可分為稀有物種、國家或地區(qū)具有重大經(jīng)濟(jì)意義的物種及一般物種等；從生態(tài)遺傳學(xué)角度出發(fā)可分為關(guān)鍵種、優(yōu)勢種和冗余種等[28]。

3.2 種質(zhì)資源評價內(nèi)容

種質(zhì)資源評價是種質(zhì)資源保護(hù)與利用的重要環(huán)節(jié)，水產(chǎn)動物種質(zhì)資源評價的主要內(nèi)容如下：

(1)種群資源信息。包括種群規(guī)模大小、分布地區(qū)、體型與外觀特征、特有的群體特性、生產(chǎn)潛力、抗病性、起源與演化關(guān)系、遺傳結(jié)構(gòu)、生境受威脅程度等。

(2)主要棲息地的自然生態(tài)條件。包括水質(zhì)、氣候條件、底質(zhì)特征等。

(3)影響種質(zhì)資源變動的因素。自然環(huán)境的變化，外來物種、人類活動對環(huán)境產(chǎn)生的影響等。

(4)保護(hù)措施。保護(hù)區(qū)的劃定、種質(zhì)資源保護(hù)的計劃及保護(hù)方法，種質(zhì)資源保護(hù)設(shè)施的建立等。

(5)種質(zhì)資源的采集和分析。確定種質(zhì)資源的采集方法與采集數(shù)量，對種質(zhì)資源進(jìn)行普查，收集物種的種質(zhì)資源并對其進(jìn)行常規(guī)分析。

3.3 種質(zhì)資源評價方法

種質(zhì)資源評價的方法多種多樣，不同技術(shù)方法從不同角度、不同層次闡釋種質(zhì)資源信息，目前棘皮動物種質(zhì)資源評價的方法有以下幾類。

(1)形態(tài)學(xué)水平。形態(tài)特征(表型特征)是遺傳變異最直接的表現(xiàn)。水產(chǎn)動物表型性狀包括質(zhì)量性狀、數(shù)量性狀、閾性狀和計量性狀，對后3類性狀進(jìn)行分析時，應(yīng)考慮遺傳與環(huán)境的交互作用。棘皮動物形態(tài)特征包括體尺性狀，海參體色、棘刺有無，海膽性腺色澤及殼型、叉棘類型等。

(2)細(xì)胞遺傳學(xué)水平。檢測染色體水平遺傳變異，進(jìn)行核型分析(有時還需對染色體進(jìn)行分帶處理)。Saotome[29]分析了中間球海膽的染色體數(shù)目，為2n=42條；常亞青等[30]通過組型分析確定馬糞海膽的染色體數(shù)目為 2n=42條。刺參染色體數(shù)目報道較多，許偉定等[31]對刺參染色體核型進(jìn)行了分析，報道刺參染色體數(shù)目為 2n=40條；Okumura 等[32]以不同發(fā)育時間的刺參胚胎為材料，報道刺參染色體數(shù)目2n=44條；譚杰等[33]的研究結(jié)果認(rèn)為，刺參染色體數(shù)目為2n=42條。

(3)生化水平。根據(jù)蛋白質(zhì)標(biāo)記技術(shù)和生化大分子標(biāo)記技術(shù)，利用生物在代謝過程中產(chǎn)生的具有特殊意義的生物標(biāo)記物或生化產(chǎn)物，對種質(zhì)資源進(jìn)行鑒定和評價。棘皮動物生化水平評價中，早期采用同工酶電泳法較多。高悅勉等[34]采用同工酶電泳方法對中國北方沿海野生及養(yǎng)殖刺參腸、體壁、呼吸樹3種組織共計9種同工酶表達(dá)情況進(jìn)行了分析。Manchenko等[35]通過DNA和酶電泳對日本海域的中間球海膽、光棘球海膽、白棘球海膽Strongylocentrotuspallidus進(jìn)行種內(nèi)遺傳變異和種間差異研究，共鑒定了11個酶系的15個同工酶位點，根據(jù)種間同工酶差異較小推測3種海膽種間關(guān)系較近。近年來，代謝組、脂質(zhì)組等技術(shù)的快速發(fā)展為棘皮動物種質(zhì)資源評價提供了新的技術(shù)和手段。Zhao等[36]以中國4個產(chǎn)地(大連、皮口、錦州和乳山)刺參為材料，建立了基于UPLC-Q-TOF/MS技術(shù)的不同產(chǎn)地刺參代謝產(chǎn)物分析方法，并利用OPLS-DA法建立判別模型，進(jìn)行不同產(chǎn)地刺參代謝物評估和產(chǎn)地聚類判別，結(jié)果顯示，該技術(shù)可明顯區(qū)分4個產(chǎn)地刺參體壁的代謝產(chǎn)物，差異代謝產(chǎn)物主要包括氨基酸類和脂質(zhì)，其中，脂質(zhì)代謝、氨基酸代謝和蛋白質(zhì)代謝途徑與刺參不同產(chǎn)地密切相關(guān)，可作為產(chǎn)地鑒定依據(jù)。

(4)分子水平。從分子水平研究水產(chǎn)動物的遺傳多樣性、遺傳結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，為水產(chǎn)動物種質(zhì)資源保護(hù)和利用提供直接的理論依據(jù)。近年來，分子生物技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)動物種質(zhì)資源評價中，目前，較常采用微衛(wèi)星DNA(SSR)、限制性內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性(RFLP)、隨機擴(kuò)增多態(tài)DNA (RAPD)、擴(kuò)增片段長度多態(tài)性(AFLP)、單核苷酸序列 (SNP)、DNA單鏈構(gòu)象多態(tài)性 (SSCP)等分析技術(shù)和標(biāo)記，以及DNA序列測定(包括核外線粒體序列測定)和基因芯片分析技術(shù)等。楊蕓菲等[37]利用28對SSR標(biāo)記獲得了28個中間球海膽家系群體生長性狀及性腺顏色的遺傳參數(shù)，并篩選出了與中間球海膽生長性狀及性腺顏色顯著相關(guān)的微衛(wèi)星標(biāo)記；Olivares-Bauelos等[38]利用mtDNA RFLP方法檢測了下加利福尼亞半島6個區(qū)域的紫球海膽種群，發(fā)現(xiàn)所有位點間3種常見單倍型呈均勻分布，并推測這種分布可能與洋流系統(tǒng)的影響有關(guān)。

目前，分子遺傳標(biāo)記已被廣泛應(yīng)用于棘皮動物遺傳多樣性研究，但目前的檢測分析中普遍存在樣本量和標(biāo)記位點數(shù)偏少等問題，會對結(jié)果可靠性造成一定影響。

3.4 遺傳多樣性評價指標(biāo)

種質(zhì)資源也被稱為遺傳資源或基因資源，與生物多樣性中的遺傳多樣性相對應(yīng)。種質(zhì)資源常用評價指標(biāo)如下：

(1)平均數(shù)和變異系數(shù)。即對物種的表型性狀進(jìn)行測量，然后利用生物統(tǒng)計方法對測得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算出性狀的平均數(shù)及變異系數(shù)，并進(jìn)行顯著性檢測。

(2)基因型頻率和基因頻率?；蛐皖l率指在一個群體內(nèi)特定基因型所占的比例?；蝾l率(也稱等位基因頻率)指在一個群體內(nèi)特定基因座某一等位基因占該基因座全部等位基因的比例。

(3)遺傳平衡檢驗。利用基因型頻率進(jìn)行χ2檢驗，檢驗群體遺傳結(jié)構(gòu)是否符合Hardy-Weinberg平衡定律，是衡量群體遺傳波動情況的指標(biāo)。近年來，大連海洋大學(xué)對大連凌水、獐子島和山東榮成3個中間球海膽?zhàn)B殖群體的遺傳多樣性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，73%的微衛(wèi)星位點顯著偏離Hardy-Weinberg平衡；在棘皮動物養(yǎng)殖群體中，被檢測位點偏離Hardy-Weinberg平衡現(xiàn)象普遍存在，推測與養(yǎng)殖群體規(guī)模過小、育種過程中沒有采取隨機交配或在養(yǎng)成階段進(jìn)行了選擇有關(guān)[39]。

(4)遺傳變異的度量參數(shù)。群體中遺傳變異度量參數(shù)包括平均雜合度、核苷酸多態(tài)性、核苷酸替代平均數(shù)目等，在實際工作中，水產(chǎn)動物遺傳變異參數(shù)計算常與遺傳距離估計、系統(tǒng)發(fā)育分化分析同時進(jìn)行。近年來，大連海洋大學(xué)采用微衛(wèi)星分子遺傳標(biāo)記技術(shù)對遼寧葫蘆島養(yǎng)殖群體、山東煙臺野生群體、山東萊州養(yǎng)殖群體、大連旅順底播群體、遼寧丹東養(yǎng)殖群體、大連廣鹿島底播群體等6個刺參群體的遺傳多樣性進(jìn)行評價，檢測共獲得82個等位基因，其中，每個位點的等位基因數(shù)為3～12個，平均有效等位基因數(shù)為4.298 6，基因型數(shù)為4～34個，PIC值為0.246 6～0.807 7；6個群體的平均觀測雜合度為0.547 5～0.686 9，平均期望雜合度為0.649 1～0.697 1；群體間的多態(tài)性無顯著性差異；群體間遺傳相似性系數(shù)為0.731 8～0.886 0，遺傳距離為0.121 1～0.312 2，山東萊州養(yǎng)殖群體和大連旅順底播群體遺傳相似性最高，葫蘆島養(yǎng)殖群體和山東煙臺野生群體遺傳相似度最低，各群體的遺傳分化程度較弱[40]。

(5)遺傳距離估計數(shù)學(xué)模型。遺傳距離指不同種群或種間的基因差異的程度，通常由基因頻率的某個函數(shù)所確定，以遺傳系統(tǒng)樹表達(dá)。目前，常用遺傳距離估計數(shù)學(xué)模型有：P距離模型、Jukes-Cantor距離模型、Kimura兩參數(shù)距離模型、Tajima-Nei距離模型、Tamura距離模型和Tamura-Nei距離模型等。

(6)系統(tǒng)發(fā)育分化推斷方法。不同基因或DNA片段的進(jìn)化速率存在較大差異，可以通過這些基因或DNA片段研究屬、種及種內(nèi)群體的進(jìn)化關(guān)系。系統(tǒng)發(fā)育分析的主要方法有距離法、最大簡約法(MP)、最大似然法(ML)和鄰接法(NJ)等。文菁等[41]利用線粒體16S rRNA基因序列對中國15種海參的分子系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，15種海參的遺傳距離為0.041～0.327，NJ和MP聚類分析方法一致，且與傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)分類結(jié)果符合較好。曾曉起[42]利用5種海膽16S rRNA和COI基因片段序列數(shù)據(jù)，應(yīng)用NJ法、MP法和ML法分別構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本一致。

4 棘皮動物種質(zhì)資源保護(hù)

棘皮動物種質(zhì)資源保護(hù)對經(jīng)濟(jì)棘皮動物種業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。棘皮動物種質(zhì)資源保護(hù)主要包括種群大小保護(hù)、種群遺傳結(jié)構(gòu)保護(hù)等。

4.1 影響棘皮動物種群大小的因素

棘皮動物種群大小受生活空間、競爭、環(huán)境，以及人類活動等諸多因素相互影響，主要包括以下幾方面。

4.1.1 養(yǎng)殖水域環(huán)境污染 中國2019年近岸海域污水排放總量約80.1億t[43]，而其入海處常與水產(chǎn)動物產(chǎn)卵場、索餌場和越冬場重合；水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為養(yǎng)殖水域生物密度過高，造成水體殘餌過多、富營養(yǎng)化和自我污染嚴(yán)重，破壞了水環(huán)境和底質(zhì)環(huán)境，養(yǎng)殖水域環(huán)境污染對水產(chǎn)動物資源的影響有時甚至超過過度捕撈。在刺參養(yǎng)殖過程中，投喂飼料引起的爛塘(池塘底質(zhì)惡化)和水質(zhì)污染問題也較常見，如2007年某刺參養(yǎng)殖區(qū)出現(xiàn)的部分刺參化皮、腫嘴、吐腸，主要原因是養(yǎng)參池水質(zhì)富營養(yǎng)化，加之清淤不及時，放養(yǎng)密度過大引起參池水中氨鹽、亞硝酸鹽超高，誘發(fā)了刺參疾病暴發(fā)[44]。

4.1.2 攔海筑壩、圍海造田導(dǎo)致棲息地減少、退化 攔海筑壩、圍海造田等人類活動不但減少了水產(chǎn)動物棲息區(qū)，而且改變了生態(tài)系統(tǒng)和一些種群的小生境，影響了水產(chǎn)動物的多樣性和生物量。無規(guī)劃的圍海造礁使海底生境遭到嚴(yán)重破壞，水域流通變緩、潮流變向、自凈能力減弱，如遭遇高溫、赤潮等災(zāi)害，易導(dǎo)致局部水質(zhì)惡化、溶氧降低，造成增養(yǎng)殖刺參出現(xiàn)不同程度的應(yīng)激反應(yīng)，甚至大規(guī)模死亡[45]。另外，中國南沙、西沙海域珊瑚礁退化嚴(yán)重，水產(chǎn)動物棲息地減少，1984年以前中國珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)還處于良好狀態(tài)，珊瑚覆蓋率高于70%，1990年以后珊瑚礁面積迅速降低，減少了約80%[46]，導(dǎo)致棲息于其中的熱帶海參資源持續(xù)衰退[47]。

4.1.3 過量捕撈 過度捕撈使棘皮動物可繁衍后代的親本數(shù)減少；對幼體的過早和過多捕撈，易造成資源濫用和浪費。如印尼和菲律賓是海參捕撈產(chǎn)量來源國，均因過度捕撈產(chǎn)生了諸如捕撈產(chǎn)量不穩(wěn)定、海參自然資源衰退等問題[48]。

4.1.4 盲目引種 成功引種可豐富引入地的自然資源豐度，經(jīng)濟(jì)物種的引入可促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會發(fā)展，而盲目引種往往會引起原駐種種群數(shù)量改變，引種之前應(yīng)對引種對象及本地自然資源進(jìn)行全面評估，包括引種對象的繁殖習(xí)性、食性、繁殖力、生態(tài)條件、小生境等，尤其需要注意引種對象與本地物種的相互關(guān)系，如果引種對象對于引入地區(qū)生物是一種競爭生物或敵害生物，則會影響本地種群大小。

4.2 影響棘皮動物種群遺傳結(jié)構(gòu)的因素

種群遺傳結(jié)構(gòu)保護(hù)的核心是維持種群遺傳結(jié)構(gòu)多態(tài)性，種群遺傳結(jié)構(gòu)多態(tài)性可表現(xiàn)為外部形態(tài)的多態(tài)性、染色體水平的多態(tài)性、蛋白質(zhì)生理生化水平的多態(tài)性和基因組DNA序列多態(tài)性。種群內(nèi)部的多態(tài)性來源于有性生殖的隨機交配，隨機交配是種群內(nèi)維護(hù)多態(tài)的最佳交配方式。影響種群遺傳結(jié)構(gòu)變化的主要因素有以下幾個方面。

4.2.1 有效群體數(shù)降低 群體大小會影響種群的遺傳變異，通常來講，群體越大，容納的變異越多，所獲得的變異喪失越慢，遺傳多樣性也越大；群體遺傳的有效大小與群體內(nèi)隨機交配的雌、雄親本的數(shù)目呈正相關(guān)，二者之間的關(guān)系可以表示為

Ne=4(N♂×N♀)/(N♂+N♀)。

其中：Ne為遺傳的有效大?。籒♂為雄性親本數(shù)(ind.)；N♀為雌性親本數(shù)(ind.)。

上述公式表明，一定大小的群體內(nèi)，單性養(yǎng)殖時，有效群體最??；當(dāng)雌、雄比例為1∶1時有效群體最大。有效群體大則近交程度小，種群的雜合度高；而有效種群小則因近交程度大，容易造成雜合體缺失，導(dǎo)致種群衰退。養(yǎng)殖過程中防止近交、降低近交次數(shù)、保持群體內(nèi)遺傳多樣性可有效維持群體有效大小。刺參、海膽一次可產(chǎn)卵百萬到千萬數(shù)量級，在實際育苗中，為了降低種參、種膽的抓捕、培育和促熟成本，常用少量親本開展苗種培育，造成有效群體數(shù)降低，群體脆弱性增強。

4.2.2 瓶頸效應(yīng)產(chǎn)生 當(dāng)一個大群體通過“瓶頸”后，由少數(shù)個體再擴(kuò)展到原來規(guī)模的群體，這種群體數(shù)量的消長對遺傳組成造成的影響稱為瓶頸效應(yīng)?，F(xiàn)實生產(chǎn)中，高溫、病害、含氧量變化及人為活動等因素產(chǎn)生的“瓶頸”，均會引起棘皮動物大量死亡，造成群體遺傳結(jié)構(gòu)改變。

4.2.3 現(xiàn)有苗種培育和養(yǎng)殖模式存在的問題 刺參養(yǎng)殖中，刺參種參捕撈過程中“逆向淘汰”會導(dǎo)致刺參優(yōu)質(zhì)資源丟失；苗種繁育過程中的“累代繁殖”造成刺參群體近交系數(shù)增大，有效群體數(shù)減少，群體遺傳多樣性降低；養(yǎng)殖模式方面，“北參南養(yǎng)”雖然提高了養(yǎng)殖產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，但也不同程度地造成了南北方海域刺參苗種無序流動，導(dǎo)致群體遺傳結(jié)構(gòu)混亂。

4.2.4 野生群體瀕危 水產(chǎn)動物野生群體是水產(chǎn)種質(zhì)庫和水產(chǎn)生物多樣性的重要組成部分。目前，中國棘皮動物中有66種瀕危動物，其中150種海參類中有53種為瀕危種[49]；隨著中國西沙、南沙海域珊瑚礁的嚴(yán)重破壞，中國一些暖水性棘皮類種類還未被發(fā)現(xiàn)、認(rèn)知即已消亡，保護(hù)瀕危棘皮動物野生群體迫在眉睫。

4.3 棘皮動物種質(zhì)保護(hù)理論與技術(shù)

4.3.1 遺傳多樣性保護(hù)理論 動物遺傳多樣性保護(hù)就是保護(hù)群體種質(zhì)的多樣性，即遺傳多樣性，其本質(zhì)是保護(hù)種群的各類遺傳變異，即保持群體的基因庫平衡，防止基因丟失，動物多樣性保護(hù)的理論基礎(chǔ)是哈代-溫伯格平衡定律，據(jù)此定律，任何引起基因頻率變化的因素均會造成平衡的改變。

4.3.2 遺傳多樣性保護(hù)方式 水產(chǎn)動物遺傳多樣性保護(hù)有原位保護(hù)和異位保護(hù)兩種方式。

(1) 原位保護(hù)。原位保護(hù)是一種動態(tài)遺傳保護(hù)，是一種群體水平的遺傳保護(hù)。進(jìn)行原位保護(hù)時要注意生態(tài)系統(tǒng)、群落、種群不同層次的保護(hù)，同時要建立監(jiān)測系統(tǒng)，提供生物變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不僅能對個別種類是否恢復(fù)做出評估，也能對生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況做出評價。

(2) 異位保護(hù)。異位保護(hù)也稱遷地保護(hù)。中國國土面積較大，自然環(huán)境豐富多樣，適宜開展異地保護(hù)，但純粹為了異地保護(hù)，受保護(hù)的種群個體數(shù)量及效益有限，而如將異位保護(hù)與良種培育、馴化相結(jié)合，則既可以保護(hù)原種，又可以使被保護(hù)種在異地水產(chǎn)養(yǎng)殖中發(fā)揮作用，增加新的養(yǎng)殖對象。另外，在進(jìn)行異地保護(hù)時應(yīng)注意，引種要引原種，不要間接引種；引種數(shù)量要大，防止有效繁育群體過小，出現(xiàn)遺傳瓶頸效應(yīng)；此外，還要強化種質(zhì)管理，防止遺傳漸滲等[50]。

4.3.3 新技術(shù)在遺傳多樣性保護(hù)中的應(yīng)用 傳統(tǒng)的保種方法需要消耗大量的人力、物力，投入經(jīng)費大，而且受保護(hù)物種的群體規(guī)模一般較小，易產(chǎn)生近交，遺傳多樣性降低。近年來，隨著生命科學(xué)研究的進(jìn)步，新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，新的技術(shù)手段在水產(chǎn)動物遺傳多樣性保護(hù)方面發(fā)揮著越來越重要的作用。這些技術(shù)包括精液冷凍保存技術(shù)、胚胎冷凍保存技術(shù)、DNA文庫技術(shù)、細(xì)胞庫保存技術(shù)，以及胚胎干細(xì)胞技術(shù)和克隆技術(shù)等。如中國海洋大學(xué)已開展了刺參精子冷凍保存技術(shù)并取得成功[51]；Kiyomoto等[52]在4 ℃條件下，保存海膽精子最長可達(dá)60 d，保存后的精子受精率與新鮮精子無差異，可使卵子正常受精發(fā)育。

4.3.4 原種場和良種場建立 原種場是利用具有優(yōu)良經(jīng)濟(jì)性狀、未經(jīng)人工遺傳改良的野生水生動植物物種，按照原種保存和親本、苗種生產(chǎn)技術(shù)操作規(guī)程，保存一定數(shù)量的原種基礎(chǔ)群體，并根據(jù)養(yǎng)殖生產(chǎn)和增殖放流需要，培育、繁殖符合相關(guān)種質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的親本和苗種。

良種場是利用具有優(yōu)良經(jīng)濟(jì)性狀并經(jīng)過審定的選育種、引進(jìn)種或雜交種等良種資源，按照良種選育和親本、苗種生產(chǎn)技術(shù)操作規(guī)程，保存一定數(shù)量的良種基礎(chǔ)群體，并培育、繁殖符合相關(guān)良種標(biāo)準(zhǔn)的親本、苗種，供應(yīng)苗種繁育場、養(yǎng)殖場。原、良種場主要任務(wù)有3項：一是將原、良種隔離起來繁殖，使其不與其他種群或品系發(fā)生基因交流，保證原、良種場內(nèi)物種優(yōu)良基因不受污染；二是維持和提高原、良種的優(yōu)良特征與生產(chǎn)性能，在原、良種場內(nèi)建立健全良種繁育體系，保持其優(yōu)良的性狀，避免產(chǎn)生不必要的近交，防止種群衰退；三是滿足生產(chǎn)與推廣的需求，向社會提供優(yōu)質(zhì)的苗種。中國目前已建立的棘皮動物原良種場見表4[53-54]。

表4 中國已建成的棘皮動物原良種場Tab.4 Echinoderm primitive and improved breeding farms in China

5 棘皮動物種質(zhì)利用與創(chuàng)新

水產(chǎn)動物種質(zhì)資源保護(hù)的最終目的是為了開發(fā)與利用，水產(chǎn)品種資源的開發(fā)利用方式可以分為直接利用與間接利用兩種。直接利用指的是一些地方良種、外來良種或者經(jīng)培育而來的品種，其往往具有較高的生產(chǎn)性能，或者某一方面具有突出的生產(chǎn)潛能，可以直接用于生產(chǎn)；間接利用指的是對于某些地方(區(qū)域)品種而言，生產(chǎn)性能較低，可作為雜種優(yōu)勢利用的原始材料或是作為培育新品種的原始素材，后續(xù)通過適當(dāng)?shù)姆椒ê褪侄闻嘤缕贩N。

水產(chǎn)種質(zhì)創(chuàng)新的目標(biāo)是增加現(xiàn)有種質(zhì)的遺傳多樣性，拓展其基因庫；創(chuàng)新的方向是充分利用分子生物學(xué)和現(xiàn)代生物技術(shù)原理與方法，創(chuàng)造和利用新的水產(chǎn)種質(zhì)。

5.1 棘皮動物新品種培育及養(yǎng)殖新對象開發(fā)

2009年，經(jīng)全國水產(chǎn)原種和良種審定委員會審定，刺參“水院1號”獲批成為中國第一個棘皮類水產(chǎn)新品種，截至2019年，中國已審批棘皮類水產(chǎn)新品種7個，如表5所示，但獲批新品種數(shù)量較魚、蝦、貝、藻等仍有較大差距。未來經(jīng)濟(jì)棘皮動物(海參、海膽)育種趨勢將在以高產(chǎn)、生長速度為目標(biāo)的基礎(chǔ)上，將品質(zhì)、抗逆性狀逐步納入選育性狀，培育出滿足市場需求的新品種。同時，積極開展南方暖水性棘皮類如糙海參、小疣刺參、玉足海參和紫海膽等新養(yǎng)殖對象的開發(fā)。

表5 已獲批的海參、海膽水產(chǎn)新品種Tab.5 New fishery varieties of sea cucumbers and sea urchins that have been approved

5.2 棘皮動物種質(zhì)創(chuàng)制新技術(shù)

目前，已獲批的棘皮類水產(chǎn)新品種均主要采用雜交、群體選擇和家系選擇等傳統(tǒng)育種技術(shù)培育而成，在培育過程中，運用分子生物學(xué)技術(shù)解析或驗證了刺參、海膽新品種的某些性狀特征。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的快速發(fā)展，多倍體育種，以QTL、全基因組選擇為代表的分子標(biāo)記輔助育種和基因編輯等育種方法和技術(shù)將在經(jīng)濟(jì)棘皮動物種質(zhì)創(chuàng)制和新品種培育中發(fā)揮重要作用。

5.2.1 多倍體育種 多倍體育種，也稱染色體組工程育種。目前，多倍體水產(chǎn)動物育種工作仍是水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)動物種質(zhì)改良的重要途徑和研究熱點[55]。養(yǎng)殖實踐發(fā)現(xiàn)，人工多倍體水產(chǎn)動物通常具有生長速度快、個體大、抗逆性強、不造成種質(zhì)資源污染等特點，目前，多倍體育種已在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在魚類多倍體育種方面，湖南師范大學(xué)培育出三倍體“湘云鯽”、“湘云鯉”新品種[56-57]；在貝類多倍體育種方面，Guo等[58]培育出牡蠣四倍體，并在美國和中國進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。研究表明，通過四倍體與二倍體雜交產(chǎn)生的三倍體牡蠣生長性狀優(yōu)勢明顯，糖原含量豐富。棘皮動物方面，常亞青等[59-60]率先開展了刺參多倍體誘導(dǎo)并取得成功，Ding等[61]優(yōu)化了靜水壓誘導(dǎo)刺參三倍體條件，目前，刺參囊胚期三倍化率達(dá)到80%以上。

5.2.2 QTL輔助育種 QTL輔助育種是通過遺傳標(biāo)記與性狀間的相關(guān)性分析，將一個或多個QTL定位到染色體的遺傳標(biāo)記之間，并據(jù)此標(biāo)記進(jìn)行分子標(biāo)記輔助育種的方法。中國科學(xué)院海洋研究所、中國海洋大學(xué)先后完成了3張刺參高密度遺傳連鎖圖譜[62-64]，Du等[65]采用高分辨率熔解(HRM)基因分型方法開發(fā)了101個刺參SNP標(biāo)記。遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院先后構(gòu)建了紫海膽與中間球海膽遺傳連鎖圖譜，覆蓋率分別達(dá)到78.1%和79.1%[66-67]。大連海洋大學(xué)構(gòu)建了包含21個連鎖群的中間球海膽高密度遺傳圖，平均圖距0.44 cM，并對生長、性腺色澤等8個經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行基因定位，共鑒定出33個潛在QTL位點，且開發(fā)了多態(tài)性SNP標(biāo)記[68]。上述研究為刺參、海膽QTL育種實踐奠定了基礎(chǔ)。

5.2.3 全基因組選擇 全基因組選擇(Genetic Selection，GS)能夠更準(zhǔn)確地早期預(yù)測估計育種值，且受環(huán)境因素影響小，育種效率更高，適合改良由效應(yīng)較小的多基因控制的數(shù)量性狀。目前，隨著算法完善、技術(shù)改進(jìn)，以及大規(guī)模測序成本不斷降低，全基因組選擇育種已在魚、貝、蝦、蟹類中開展[69-71]。經(jīng)濟(jì)棘皮動物方面，2006年，休斯敦貝勒醫(yī)學(xué)院(Baylor College of Medicine，BCM-HGSC)人類基因組測序中心于11月9日宣布完成了對紫海膽Strongylocentrotuspurpuratus基因組測序，序列長約814 Mbp，蛋白質(zhì)編碼基因約23 300個[72]。2017—2018年，中國科學(xué)院海洋研究所團(tuán)隊，中國海洋大學(xué)、大連海洋大學(xué)和遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院團(tuán)隊，先后完成了刺參全基因組測序，并構(gòu)建了刺參全基因組精細(xì)圖譜。刺參基因組組裝全長800～950 Mbp,蛋白質(zhì)編碼基因29 000～30 350個。上述工作助推了刺參、海膽重要經(jīng)濟(jì)性狀解析和全基因組選擇育種。[73-74]。

5.2.4 基因編輯 基因編輯，又稱基因組編輯，是一種新興的并能比較精確對生物體基因組特定目標(biāo)基因進(jìn)行修飾的一種基因工程技術(shù)。新型基因編輯技術(shù)不僅可以敲除基因，揭示基因功能和內(nèi)在機理，還可以高效、定向地編輯目的基因，顯著縮短了育種時間，較之鋅指蛋白和TALEN技術(shù)更加高效和安全。2015年Lin等[75]將CRISPR/Cas9系統(tǒng)應(yīng)用于海膽胚胎，針對Nodal基因設(shè)計了6個引導(dǎo)RNA(gRNA)，發(fā)現(xiàn)其中5個gRNA在60%～80%的注射胚胎中誘導(dǎo)了預(yù)期的表型，同時他們還開發(fā)了一種從單個胚胎中分離基因組DNA的簡單方法。此研究成果有望加快CRISPR/Cas9系統(tǒng)在海膽胚胎基因組編輯和分子育種中的應(yīng)用。

6 存在問題及展望

改革開放以來，尤其是1998年水產(chǎn)原良種建設(shè)工程啟動以來的二十多年里，中國經(jīng)濟(jì)棘皮動物種質(zhì)資源保護(hù)取得了長足的進(jìn)步，初步建立了具有中國特色的經(jīng)濟(jì)棘皮動物種業(yè)體系，取得了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的品種創(chuàng)新成果，為中國經(jīng)濟(jì)棘皮動物增養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展提供了堅實基礎(chǔ)。但目前仍存在一定問題，如目前中國棘皮類自然保護(hù)區(qū)、原良種場偏少；棘皮類基礎(chǔ)調(diào)研資料較陳舊，不夠系統(tǒng)、全面，且未被很好利用；相較于其他物種，棘皮動物自然保護(hù)區(qū)、原良種場建設(shè)相對落后，缺乏專項經(jīng)費支撐，管理難度高且社會影響較弱；棘皮種業(yè)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)準(zhǔn)入門檻仍較低、規(guī)模小、研發(fā)能力弱，競爭力不強；原良種繁育基礎(chǔ)設(shè)施、裝備落后，綜合生產(chǎn)能力低，經(jīng)濟(jì)實力差；苗種企業(yè)缺乏良種生產(chǎn)的保障能力和抵御自然、市場風(fēng)險能力。

針對上述問題，借鑒其他水生生物資源保護(hù)與利用模式，建議未來加強以下幾個方面的建設(shè)工作。

6.1 建設(shè)經(jīng)濟(jì)棘皮動物國家水產(chǎn)原良種場

在原有刺參、海膽原種場、良種場基礎(chǔ)上，依據(jù)國家水產(chǎn)良種工程框架，加快建設(shè)刺參、海膽遺傳育種中心、原種場、良種場，以及苗種繁育場和養(yǎng)殖場。在建設(shè)中積極尋求與國家級科研機構(gòu)合作，探索利用先進(jìn)技術(shù)收集、保存種質(zhì)資源，探索拓展良種性能評測基地、種質(zhì)資源評定基地、新品種開發(fā)與試驗示范基地等功能。

6.2 構(gòu)建經(jīng)濟(jì)棘皮動物種質(zhì)資源測試評估體系

認(rèn)定一批具有經(jīng)濟(jì)棘皮動物種質(zhì)資源測試評估資質(zhì)的機構(gòu)，構(gòu)建棘皮動物種質(zhì)資源及性狀(性能)測試評估平臺和科研服務(wù)體系，提供棘皮動物種質(zhì)資源的分析、鑒定、保存等公共性科研技術(shù)服務(wù)；開展棘皮動物種質(zhì)資源育種潛力評估、遺傳多樣性分析及棘皮動物新品種(養(yǎng)殖新對象)的經(jīng)濟(jì)性狀測試評定。

6.3 建立經(jīng)濟(jì)棘皮動物種質(zhì)資源庫和信息共享服務(wù)平臺

建立包括種質(zhì)資源基因庫、細(xì)胞庫、標(biāo)本庫以及活體資源庫在內(nèi)的棘皮動物種質(zhì)資源庫，形成覆蓋全國的棘皮動物種質(zhì)資源保存體系；完善棘皮動物種質(zhì)資源采集、整理、保存等技術(shù)規(guī)范，整合棘皮動物種質(zhì)資源評價標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)體系，并對上述規(guī)范進(jìn)行數(shù)字化整合，建立并完善棘皮動物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫和開放的門戶網(wǎng)站系統(tǒng)；建設(shè)面向社會的棘皮動物種質(zhì)資源信息共享服務(wù)平臺，提供棘皮動物種質(zhì)資源的公共性服務(wù)，提高棘皮動物種質(zhì)資源共享利用效率。

6.4 推進(jìn)棘皮動物種業(yè)“育繁推一體化”建設(shè)

水產(chǎn)種業(yè)“育繁推一體化建設(shè)”是集品種的選育、苗種培育及推廣于一體，通過銷售網(wǎng)絡(luò)將性狀優(yōu)良的苗種供應(yīng)給消費者，最終實現(xiàn)良種的推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。建立現(xiàn)代的棘皮動物種業(yè)“育繁推一體化”，應(yīng)以海參、海膽生產(chǎn)企業(yè)為主體，充分發(fā)揮企業(yè)在商業(yè)化育種、成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用等方面的主導(dǎo)作用，通過產(chǎn)學(xué)研資源整合，政策引導(dǎo)，資金投入，提高經(jīng)濟(jì)棘皮動物種業(yè)和增養(yǎng)殖業(yè)核心競爭力與市場占有率，最終推動中國棘皮動物種業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)提質(zhì)增效、綠色發(fā)展。

致謝：寫作過程中張偉杰實驗師及丁北辰、張楊、趙文飛、韓泠姝、曹玥、關(guān)文娟等同學(xué)幫助查閱了大量資料，并進(jìn)行了文稿校對，在此表示感謝!