Перспективные методы селекции рыб и основные сложности развития аквакультуры в России являются существенными вопросами для обсуждения. Об объемах продукции рыбоводства и трендах аквакультуры, а также о современной селекционной программе создания высокопродуктивных пород рыб рассказал sfera.fm Николай Мюге, начальник отдела молекулярной генетики ФГБНУ «ВНИРО».
— Какое место занимает аквакультура в мире, и какое у нас в стране?
— Аквакультура — самое быстро растущее направление сельского хозяйства. По данным ФАО, суммарный объем выращенной в аквакультуре продукции за последние 1-2 года превысил суммарный мировой объем водных биологических ресурсов (ВБР) — рыб, беспозвоночных, морских водорослей и прочих объектов, вылавливаемых человечеством ежегодно в природной среде.
Доминирующими по объемам продукции аквакультуры являются Китай и другие страны Юго-Восточной Азии, однако, основные наукоемкие селекционные центры находятся в Европе и Америке. В Российской Федерации доля продукции аквакультуры в 2022 году достигла 380 тыс. т. Прирост производства продукции сектора составляет 8-10% в год.
Следует отметить, что по объемам вылавливаемой рыбы Россия является одной из ведущих стран мира — в год общий вылов в последние годы превышает 5 млн тонн, и даже немного превосходит объем выращивания сельскохозяйственных птиц. Но при этом потребление рыбной продукции на душу населения значительно ниже — в среднем россияне потребляют около 20 кг рыбной продукции в год, при этом птицу, свинину и говядину — в сумме около 80 кг на душу населения.
— Какие виды рыб выращиваются в России, какие тенденции и динамика?
— В России, как и в других странах Восточной Европы традиционной является выращивание карпа, а так называемых растительноядных рыб, также относящихся к карповым — белого амура и толстолобика. Это экстенсивная или полуинтенсивная форма аквакультуры. Выращивание проводится в основном в прудах, с использованием естественной кормовой базы, фуражного зерна и недорогих комбикормов.
Фото: Freepik.com
Основные производители карпа — хозяйства малого и среднего бизнеса, и фермерские хозяйства. Общий объем выращивания карповых в стране за последние десятилетия не изменялся и составляет около 150 тыс. т.
В последние десятилетия в России также наблюдается значительный рост объемов выращивания лососевых рыб — радужной форели и атлантического лосося. За последние годы объем продукции этих видов увеличился с 66 тыс. т. в 2018 г. до 154 тыс. т. в 2022 г. и продолжает уверенно расти. Этот рост обусловлен высокой продуктивностью используемых кроссов и линий, выращиваемых в садках и бассейнах — так называемая индустриальная аквакультура — с использованием высоких плотностей посадки рыб, высокоэффективных кормов, специализированных технологичных систем кормления и контроля параметров среды.
Основным регионом развития этого направления аквакультуры является Северо-Западный федеральный округ (136,6 тыс. т.), в котором преобладает холодноводная аквакультура, основанная на выращивании двух видов лососевых — радужной форели и атлантического лосося.
Фото: Freepik.com
Также наблюдается рост объемов выращивания объектов марикультуры (морских беспозвоночных и водорослей, 68 тыс. т. в 2022 г.), что связано с развитием данной отрасли главным образом в акватории Дальневосточных морей.
В последние десятилетия рост производства лососевых рыб в России был практически полностью обеспечен на основе использования импортного посадочного материала. Значительное отставание от мировых лидеров в селекционно-племенном деле объектов лососевой аквакультуры привело к тому, что в стране наблюдается дефицит посадочного материала.
По экспертным оценкам, в период 2020–2022 гг. потребность для форелеводства составляла 110 миллионов икринок ежегодно. Из них только 10 миллионов было выращено от икры российского происхождения, и около 100 миллионов — ввезено из-за рубежа.
В России имеются селекционные центры по форелеводству (Адлерское форелеводческое хозяйство, ФСГЦР «Ропша»), но их мощность, а также качество посадочного материала, позволяют удовлетворить только 10% запроса на посадочный материал в стране.
Еще более напряженная ситуация с выращиванием атлантического лосося — в настоящее время 100% посадочного материала этого вида ежегодно импортируется.
— Какие изменения произошли в подходах к селекции в последние десятилетия, что делается в мировой практике для обеспечения такого значительного роста продукции аквакультуры в мировом масштабе?
— Одомашнивание, создание различных пород сельскохозяйственных животных — один из древнейших навыков человечества, ведущий начало с неолитической, или, как ее еще называют, первой аграрной революции, когда около 10 тысяч лет назад человечество стало переходить от охоты к скотоводству. Но открытие законов генетики на заре прошлого столетия, и, главное, внедрение генетических методов в селекцию, вывело селекцию на принципиально новый уровень, позволило за короткий период кратно увеличить продуктивность имеющихся пород и ввести в обиход новые виды.
С конца прошлого века подходы, разработанные для теплокровных сельскохозяйственных животных, стали успешно применятся и на рыбах. Классическим примером является норвежская программа по выведению аквакультурного лосося, позволившая ввести этот вид в аквакультуру и достичь огромных объемов выращивания.
Селекционная программа по атлантическому лососю началась в Норвегии в 1970-х годах и привела к двукратному росту продуктивности селекционных линий по сравнению с природной формой. Именно селекционные достижения сделали аквакультуру лососевых рентабельной и востребованной в мире.
К 2020 г. продукция атлантического лосося составила 1,5 млн т. только в Норвегии, и 2,86 млн. т. в мире. В настоящее время холодноводная аквакультура лососевых (лосось и форель) распространена на всех континентах и быстро расширяет как объемы выращивания товарной рыбы, так и географию.
— Какие генетические технологии востребованы в современной товарной аквакультуре?
— Благодаря уникальным биологическим свойствам рыб генетические технологии, недоступные для других сельскохозяйственных животных, широко применяются в аквакультуре. В частности, в аквакультуре форели большую популярность имеют триплоидные формы — с тремя наборами хромосом вместо стандартных двух.
Триплоидная форель имеет существенное преимущество — она стерильна, тем самым не происходит замедление скорости роста рыб в процессе созревания половых продуктов. Такие рыбы обычно несколько крупнее и растут равномернее. Также генетические технологии позволяют получить у рыб потомство одного пола (обычно это самки). Это также значительно повышает технологичность и рентабельность выращивания.
Для получения однополого потомства используют синтетический аналог тестостерона (17-метил-тестостерон). Его вводят в корм личинкам, например форели, в первые 3-4 недели жизни. В результате у мальков происходит полное перепрограммирование генетической программы развития пола, и рыбы с генотипом самки созревают как физиологические самцы и продуцирует жизнеспособную сперму. Оплодотворение икры такой спермой приводит к появлению 100% самок в потомстве. Именно такая «феминизированная» икра направляется на товарное выращивание в рыбопитомники.
Вся икра форели, закупаемая за рубежом для выращивания в пресноводной аквакультуре, является «феминизированной». К сожалению, согласно Постановлению Правительства РФ от 29.12.2007 N 964, метил-тестостерон включен в список сильнодействующих веществ для целей статьи 234 и других статей Уголовного кодекса Российской Федерации.
Законодательство, регулирующее разрешительный порядок оборота тестостерона и метил-тестостерона, фактически не учитывает его применение в иных сферах кроме здравоохранения. В этой связи крайне актуальны поправки в законодательство с целью легализации использования этих веществ в аквакультуре.
— Все больше говорят про роль геномики в селекции. Что такое маркер-опосредованная и геномная селекция?
— Развитие методов молекулярной генетики в последние десятилетия сделало возможным использование геномных технологий. Популярным является внедрение в селекционную практику новых методов отбора по генотипу, такой подход получил название маркер-опосредованной селекции (Marker Assisted Selection, MAS).
Проводится поиск ассоциаций между геномными полиморфизмами и желаемыми признаками (Genome-Wide Association Studies, GWAS). Для рыб такие признаки — скорость роста, кормовой коэффициент, качество филе, болезне- и стрессоустойчивость.
В случае, когда за желаемый признак отвечает много участков генома, используются методы геномной селекции (Genomic Selection, GS), когда на основании анализа сотен и тысяч локусов оценивается селекционная ценность производителя (EBV, Estimated Breeding Value) и на основании этих индексов ведется селекция и подбираются пары для получения потомства.
— Размножение внутри небольшой группы приводит к близкородственному скрещиванию. Как борются с негативными последствиями инбридинга?
— Мутации (изменения генетической информации) — неизбежное следствие ошибок и структурных нарушений, сопровождающие нас всю жизнь. Но если откровенно вредные мутации в ходе биологической эволюции очень быстро вычищаются из генофонда популяции (больное животное обычно не оставляет потомства), то есть целый класс мутаций, которые в гетерозиготном состоянии не проявляют своей патогенной сущности.
Такие мутации могут накапливаться в популяции в виде гетерозигот, и только когда рыба получит по мутантные аллели и от папы, и от мамы, образуется гомозигота, и патогенность данной мутации проявится. В большой природной популяции это бывает редко, так как, если папа и мама не близкие родственники, то вероятность что у обоих родителей мутантный аллель очень низкая.
Но любое близкородственное скрещивание приводит к накоплению вредных или слабовредных мутаций и гомозиготном состоянии, рыба становиться более слабая, несет так называемый генетический груз.
С другой стороны, интенсивная селекция предполагает на каждой генерации использование только самых лучших производителей, а это значит, что число производителей для следующего поколения селекционного стада очень небольшое. Тем самым растет риск инбридинга.
Чтобы избежать этого явления, есть два направления. Во-первых, стараются при выборе производителей избегать близких родственников. Второй, широко применяющийся метод — это когда в племенных репродукторах для получения оплодотворенной икры на «товар» берут родителей из неродственных линий, получают так называемые межлинейные гибриды. И товарная рыба, полученная таким образом, несет в себе все лучшие качества родительских линий, а все накопленные в родительских линиях рецессивные вредные мутации в таких межлинейных гибридах оказываются в гетерозиготном состоянии, и, соответственно, никак не проявляют своей патогенности.
Практика межлинейных (и даже четырехлинейных) гибридов давно внедрена в промышленном птицеводстве, и в настоящее время все активнее применяется в селекционных центрах аквакультурных видов рыб.
— Какова роль генетического редактирования в выведении новых пород и селекции линий?
— В мировой практике активно начинаются работы по геномному редактированию — инструменту по направленному внесению точечных изменений в определенных участках генома с использованием технологии CRISPR/CAS. Основное отличие этих технологий от ГМО (генно-модифицированные организмы) в том, что при геномном редактировании не вносится чужеродный генетический материал, а внесенные в геном точечные изменения являются аналогом природного мутационного процесса, наблюдаемого во всех организмах.
Геномное редактирование позволяет точечно изменить ген, а не ждать, когда это произойдет естественным путем, и является в настоящее время мощным инструментом функциональной геномики для исследования проявления генов и аллельных полиморфизмов на фенотип животного или растения.
Еще одно существенное отличие генно-модифицированных организмов от организмов, полученных с помощью геномного редактирования заключается в характере регулирования экспрессии измененного гена. В любом организме гены содержат информацию о белках. При этом основной класс молекул, участвующих в жизнедеятельности — белки.
Белки — это не только строительный материал клетки, но и все ферменты, которые позволяют клетке организма расти, делиться, выполнять различные функции. Для того, чтобы в клетке появился белок, информация с гена (ДНК) должна считаться в виде молекулы РНК, затем на основании этой РНК строится сам белок.
Считывание информации с гена называется транскрипцией, и большинство генов «включаются» только в определенных тканях и в определенное время — далеко не все белки нужны всегда и везде. Включение и выключение транскрипции определяется взаимодействием специальных белков — транскрипционных факторов и участков ДНК, так называемых регуляторных сайтов. Все это мы знаем из школьной программы.
Таким образом, если мы при геномной модификации вставляем в геном чужеродный ген (и получаем ГМ-организм), то эта конструкция встраивается в случайное место генома, и начинает экспрессироваться во всех клетках постоянно. А если мы редактируем существующий ген (т.е. проводим геномное редактирование), то он остается окруженный своими промотерами, и его работа в клетке остается такой же скоординированной с работой других генов, как и прежде.
Интервью провела: Полина Асланова, sfera.fm
Вопросы селекции и племенного дела в аквакультуре эксперты обсудят на IX Международной конференции «Рыба. Аквакультура: настоящее и будущее», которая пройдет 31 января — 1 февраля в Санкт-Петербурге.
