技术概述

海洋是地球上潜力最大的资源库，它不仅能提供人类需要的优质蛋白质，还含有丰富的生物活性物质，是解决人类所面临的食物、资源和环境三大难题的最佳出处。海洋生物技术通过遗传操作和克隆技术不仅可以为水产养殖创造和提供优质、高产、抗逆新品种，而且还可以提供有机体用来生产天然产物或者用于生物修复改良海洋环境。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，以及生物多样性和海洋生态学等知识和内容。海洋生物技术的发展对推动海洋生物资源的开发和利用，为人类的生存和发展提供更广阔的空间和美好的前景。

海洋动植物养殖生物技术、海洋天然产物生物技术和海洋环境生物技术是当前海洋生物技术发展的3个主要方面。

研究现状

海洋动植物养殖生物技术

海洋动植物养殖是海洋生物技术研究发展和应用的主要领域，目标是应用生物技术手段提高生物的繁殖、发育、生长、健康和整体状况。优良品种选育、病害防治、种子保存、高效养殖技术是优先发展的领域。

采用基因工程、细胞工程等技术培育海水养殖生物新品种。主要包括多倍体的人工诱导、雌核发育和雄核发育等技术。采用种间杂交生物学方法、温度休克和静水压物理学方法、细胞松弛素B、秋水仙碱和聚乙二醇处理的化学方法诱导培育多倍体。采用杂交、射线处理和药物处理诱导雌核发育成二倍体。已有十几种海产无脊椎动物的三倍体诱导成功，其中三倍体牡蛎在美国已应用于大规模生产。三倍体大西洋鲑、全雌牙鲆等海水鱼培育技术也已较为成熟，并已应用到生产中。

海洋动物的转基因一般采用显微注射法、电穿孔法及精子载体法进行基因导入。导入的外源基因有：生长激素（GH）和抗冻蛋白（AFP）基因等，主要用于培育生长快的“超级鱼”；增强海产鱼、虾、贝的抗逆性；研究其基因表达调控等。已涉及的转基因动物有：海胆、鱼类（鲑鱼）、贝类（扇贝、牡蛎、鲍鱼）和对虾等。加拿大学者将抗冻蛋白基因和生长激素基因导入鲑鱼体内并获得整合表达，结果转基因鱼生长速度比对照组提高了4~6倍。

大型海藻的细胞和基因操作主要包括原生质体的分离、培养；聚乙二醇或电融合等方法诱导原生质体融合，获得杂种细胞并培育得到再生植株，已分别在紫菜属和江蓠属等同属异种间的细胞融合得到杂种细胞并再生成功。基因操作方面主要包括大型海藻质粒的发现和载体的开发、基因的结构与功能的探索、基因转移系统的建立和基因的表达与调控机制的研究等。其中耐盐基因和叶绿体基因是研究的热点。

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、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，以及鱼类胚胎干细胞培养及定向分化等。

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之一。开展病原生物致病机理、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。

海洋天然产物生物技术

海洋天然生物活性物质是指海洋生物体内所含有的对生命现象具有影响的微量或少量物质，包括海洋药用物质、生物信息物质、海洋生物毒素和生物功能材料等海洋生物体内的天然产物。

海洋生物活性物质的筛选是研究和开发海洋生物活性物质的第一步。传统的筛选方法是利用实验动物或其组织器官对某种化合物或混合物进行逐一的试验，速度慢，效率低，费用高。近年来，随着科学技术的发展，活性物质筛选逐步趋向系统化、规模化、规范化，特别是分子生物学技术的发展，使得活性物质的筛选技术有了很大的改进。国际上发明了以分子水平的药物模型为基础的大规模筛选技术，即使用生命活动中具有重要作用的受体、酶、离子通道、核酸等生物分子作为大规模筛选中的作用靶点来进行活性物质的筛选，这些方法具有简便、快速、命中率高、费用低等优点，有的还可以用机器人进行操作。国内对海洋生物活性物质的筛选主要还是使用传统的方法。

在利用生物技术培养生源材料方面，国际上对生物技术在海洋生物活性物质研究和开发中应用研究得最多的是基因工程，即通过分离、克隆活性物质的基因，转入高效、廉价表达系统进行生产，以获得大量高质量的产物[8]。在医药研究领域，基因工程在多肽和蛋白质、单克隆抗体及新型诊断试剂上的研究和开发，是现代生物技术影响最大、效益最好、发展最快的领域。以美国为例，美国食品药品局（FDA）准上市的基因工程药物、疫苗和注射用单克隆抗体已经达到39种，尚有10多种产品正待FDA批准，还有300多种生物制剂正在进行或完成临床试验。另有2000多种药品处于研制阶段，预计每年平均有5~8种产品投放市场。各类生物技术公司1000多家，形成规模生产的有20多家，基因工程药物销售额每年年增长20%以上。

研究表明，海洋生物活性物质的初始来源，大部分甚至全部来自海洋微藻和微生物等低等海洋生物。利用生物反应器培养微藻开发海洋生物活性物质，也是世界上的一个研究热点。从广义上讲，用敞开的水池培养微藻也是一种生物反应器技术，但其效率比较低。研究较多的是，利用封闭的光生物反应器来培养微藻，但这项技术还未达到大规模实用化的阶段，有些海洋异养微藻可以通过发酵进行培养。美国公司利用发酵法培养异养微藻，生产EPA和DHA，已经达到工业化生产的阶段。国外从耐寒、耐高温、耐高压和耐高盐度的海洋微生物中，分离出了一些特殊的酶类，如：对热稳定的DNA聚合酶、在组织培养中有分散细胞作用的胶原酶、能催化卤素进入代谢产物中的卤素过氧化物酶等等。国内应用生物技术进行海洋生物活性物质的研究和开发，也做了不少工作。其中利用基因工程技术开发海洋蛋白类药物起步较快，先后开展了海葵毒素、鲨鱼软骨蛋白、芋螺毒素、降钙素等药用基因克隆与表达的研究，已形成了一定的优势。从总体来看，还是处于刚刚开始的阶段。

海洋环境生物技术

近年来海水养殖业迅速发展，但是，随之而来的近岸海水的污染日趋严重，养殖生态环境遭到严重破坏，爆发性病害频繁发生，给整个水产养殖业造成巨大的经济损失。养殖环境的恶化，已经成为制约我国海水养殖业健康持续发展的关键因素，而传统的机械清淤、化学降解、换水、大量使用抗生素等养殖环境净化方法，有净化不彻底、易产生二次污染、危害养殖功能、破坏生态平衡等缺点。因此，急需寻求一种行之有效、操作性强的海水养殖环境修复方法与技术，来保持水产养殖业持续、稳定、健康发展。

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。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，进而推动该技术的应用与发展。