生殖干细胞是性腺中存在的一类同时具有自我更新能力和分化潜能的生殖细胞群体，其在特定的环境中具备分化为精子或卵子的潜能。将养殖鱼类A的生殖干细胞移植入物种B的性腺微环境，利用物种B产生物种A的配子，从而缩短配子成熟周期，提升育种效率，最终建立跨物种借腹生殖技术体系，是水产遗传育种领域公认的重要育种技术。作为全球养殖产量最高的淡水鱼类，草鱼的性成熟周期长达5年、成体体型巨大，培育一个草鱼新品种通常需要4个世代、20多年的时间，极为耗时耗力。如何利用性成熟周期短、繁殖高效且可控的小型鱼类实现草鱼配子的借腹生殖，是亟待突破的领域难题。
中国科学院水生生物研究所孙永华团队瞄准这一目标开展研究。前期，他们将稀有鮈鲫-斑马鱼组合建立为跨亚科物种间生殖干细胞移植借腹生殖的研究模型，并首次突破基因编辑配子的跨物种借腹生殖技术（Zhang et al., Science China Life Science, 2022）。
近日，孙永华团队在Science China Life Sciences（《中国科学：生命科学》英文版）在线发表题为“Ultra-fast generation of all-female grass carp via transplantation of female germline stem cells into zebrafish”的研究论文，他们利用性成熟周期仅为3个月的模式鱼斑马鱼为受体，在总计6个月内借腹生殖产生了草鱼的全X精子和全雌子代，与传统草鱼性控育种需要10年以上的时间相比，大幅提升了育种效率。该论文将以封面论文正式出版（图1）。
图1 “天上一日，地下一年”的封面设计图
孙永华团队发现，3月龄草鱼的性腺即表现出典型的形态学二态性，其中原始卵巢的体积比精巢显著更大；通过单细胞组学分析并结合此前建立的鱼类生殖干细胞判定标准，他们成功在3月龄体积较大的性腺（原始卵巢）中鉴定到了Nanos2阳性的雌性生殖干细胞（图2）
图2 首次在3月龄草鱼卵巢中鉴定和刻画了雌性生殖干细胞
他们进一步分离3月龄的草鱼卵巢，纯化获得雌性生殖干细胞，移植入内源生殖细胞剔除的斑马鱼幼苗生殖嵴。在移植形成的重组性腺中，草鱼生殖细胞在斑马鱼性腺微环境中快速启动精子发生进程，仅需3个月即分化为成熟精子。重要的是，所有的精子均为全X基因型，与普通草鱼卵受精即获得全雌草鱼子代，从而实现全雌草鱼新品系的超速培育（图3）。
图3 利用斑马鱼借腹生殖超速产出草鱼全X精子和全雌子代
值得一提的是，这项研究首次在养殖鱼类中实现了雌性生殖干细胞的明确鉴定和精细刻画，并证明了其具有发育为精子的潜能，因此此前广为所知的“卵原干细胞”的命名并不适合于描述这类细胞。此外，在跨物种借腹生殖体系中，供体草鱼和受体斑马鱼不仅性成熟周期相差约20倍，成体体重更相差近2万倍，这两项跨尺度差异均远远超出了此前同类型研究。
相关论文将以“天上一日，地下一年”的意象作为封面论文发表：传统的草鱼性控育种至少需要2个世代、10多年的时间，且十分依赖于性别特异的分子标记；这项研究建立的基于雌性生殖干细胞移植的草鱼性控育种技术，不仅将育种周期大幅缩短至约6个月，而且完全摆脱了对性别分子标记的依赖。未来，这一技术有望推广应用于其他主养鲤科鱼类，建立超速性控育种的新范式。
中国科学院水生生物研究所叶鼎研究员（现为海南大学教授）、博士生郝永康和祝俊雯为该论文共同第一作者，孙永华研究员为通讯作者，王小四副研究员为共同通讯作者。相关研究得到中国科学院战略性先导科技专项、国家杰出青年科学基金项目、湖北省自然科学基金创新研究群体项目等资助。
