摘要:貝類是中國(guó)海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，近年來，海水養(yǎng)殖貝類病害時(shí)有發(fā)生，尤其在夏季常出現(xiàn)大規(guī)模死亡，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅了貝類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。由于貝類缺乏適應(yīng)性免疫，且通常養(yǎng)殖于開放水體，難以通過藥物投放、注射或水質(zhì)調(diào)節(jié)等措施控制病害的發(fā)生，因此，建立養(yǎng)殖貝類健康評(píng)價(jià)體系，加強(qiáng)養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及病害發(fā)生的預(yù)警預(yù)報(bào)，已成為保障中國(guó)貝類養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展、確保糧食和生態(tài)安全的迫切需求。本文從病原、宿主、環(huán)境間的耦合關(guān)系出發(fā)，結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期研究和工作實(shí)踐，綜述了水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物病害預(yù)警預(yù)報(bào)研究進(jìn)展，同時(shí)針對(duì)北黃海和渤海貝類養(yǎng)殖海區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)特征及貝類養(yǎng)殖現(xiàn)狀，并結(jié)合病害預(yù)警預(yù)報(bào)的工作實(shí)踐，重點(diǎn)闡述了海水養(yǎng)殖貝類病害預(yù)警模型構(gòu)建的思路、原理和初步應(yīng)用，以期為建立海水養(yǎng)殖動(dòng)物病害防控體系、保障中國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)的綠色健康發(fā)展提供理論參考和技術(shù)支撐。

新中國(guó)成立70年來，中國(guó)農(nóng)業(yè)實(shí)施“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略，在糧食安全方面取得了舉世矚目的成就。2018年，中國(guó)居民人均優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的占有量豬牛羊肉46.8 kg、水產(chǎn)品46.4 kg和牛奶為22.1 kg，比1996年分別增加16.6、19.5、17.0 kg[1]，其中，水產(chǎn)品在改善人民生活質(zhì)量、提升小康水平中發(fā)揮了不可替代的作用。

堅(jiān)持綠色發(fā)展、保障糧食安全是中國(guó)的基本國(guó)策。中國(guó)是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國(guó)，2018年水產(chǎn)品總產(chǎn)量為6457.7萬t，其中養(yǎng)殖產(chǎn)量為4991.0萬t[2]。水產(chǎn)養(yǎng)殖是中國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，在促進(jìn)漁業(yè)產(chǎn)業(yè)興旺和漁民生活富裕、建設(shè)和諧社會(huì)、保障中國(guó)食物安全、提升國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面做出了突出貢獻(xiàn)。近年來，由于全球氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響的加劇，近岸海洋和河口生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能已經(jīng)發(fā)生了歷史性變化。中國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)養(yǎng)殖品種繁多，模式多樣，隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大，長(zhǎng)期危害養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的病害問題日益突出。2018年，中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖因病害造成的經(jīng)濟(jì)損失約450億元[2]。因此，開展病害防控研究，加快推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展，對(duì)于落實(shí)國(guó)家新發(fā)展理念、保護(hù)水域生態(tài)環(huán)境、保障國(guó)家糧食安全和建設(shè)美麗中國(guó)是十分緊迫和至關(guān)重要的。

預(yù)警預(yù)報(bào)是農(nóng)業(yè)病害防控研究的熱點(diǎn)及主流方向，近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員在農(nóng)業(yè)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究方面取得了重要進(jìn)展，并將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物病害防控領(lǐng)域，有效增強(qiáng)了農(nóng)業(yè)病害防控的預(yù)見性和計(jì)劃性[3-7]。與農(nóng)作物病害預(yù)警預(yù)報(bào)研究相比，中國(guó)水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警預(yù)報(bào)體系的研究剛剛起步，主要工作集中在封閉或半封閉養(yǎng)殖系統(tǒng)，依據(jù)養(yǎng)殖水質(zhì)的預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)養(yǎng)殖動(dòng)物病害發(fā)生情況進(jìn)行測(cè)報(bào)[8-10]。水產(chǎn)動(dòng)物的病害發(fā)生是病原、宿主與環(huán)境相互作用的結(jié)果[11-12]，因此，系統(tǒng)研究水產(chǎn)動(dòng)物免疫防御機(jī)制，解析病原、宿主、環(huán)境間的耦合關(guān)系，是建立和發(fā)展疫病防控策略的核心。借鑒農(nóng)作物病害防控的理論與技術(shù)，建立水產(chǎn)動(dòng)物健康評(píng)價(jià)體系，加強(qiáng)水產(chǎn)動(dòng)物養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)及病害發(fā)生的預(yù)警預(yù)報(bào)已成為保障中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展、確保糧食和生態(tài)安全的迫切需求。本研究中，對(duì)國(guó)內(nèi)外水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物病害預(yù)警預(yù)報(bào)領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并結(jié)合團(tuán)隊(duì)在扇貝病害預(yù)警方面的相關(guān)工作，重點(diǎn)闡述了海水養(yǎng)殖貝類病害預(yù)警模型構(gòu)建的思路、原理和初步應(yīng)用，以期為發(fā)展和完善中國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)病害防控體系、保障海水養(yǎng)殖業(yè)綠色健康發(fā)展提供理論參考和技術(shù)支撐。

1 水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警的技術(shù)原理及國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

水產(chǎn)動(dòng)物生活在水中，環(huán)境因素復(fù)雜，病害發(fā)生難以預(yù)見，且通過水質(zhì)調(diào)節(jié)或藥物投放控制病害流行的可操作性較低[13-14]。“預(yù)防為主，防重于治”是目前水產(chǎn)動(dòng)物病害防控的基本理念，而水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警預(yù)報(bào)體系的構(gòu)建將有效預(yù)防水產(chǎn)動(dòng)物疫病的發(fā)生、流行與傳播，推動(dòng)中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的綠色健康發(fā)展。

1.1 水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警預(yù)報(bào)體系的技術(shù)原理

預(yù)警源于預(yù)測(cè)，又是更高層次的預(yù)測(cè)[3]，其側(cè)重于對(duì)警情發(fā)生的演化動(dòng)態(tài)、方向及由此產(chǎn)生的后果等進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)[15]。廣義而言，預(yù)警包含發(fā)現(xiàn)警情、分析預(yù)警、尋找警源、判斷警度及排除警情等過程[15]。水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物病害預(yù)警預(yù)報(bào)是指在總結(jié)以往監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析各生物、非生物因素與水產(chǎn)動(dòng)物病害發(fā)生及死亡的相關(guān)性，通過構(gòu)建預(yù)警模型對(duì)病害的發(fā)生時(shí)間、范圍、危害程度等進(jìn)行預(yù)測(cè)并發(fā)布警示，指導(dǎo)生產(chǎn)活動(dòng)，規(guī)避養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)。

借鑒農(nóng)作物病害預(yù)警相關(guān)研究進(jìn)展和成果，水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警可分為明確警義、監(jiān)測(cè)警兆、追溯警源、預(yù)報(bào)及排除警情等一系列相互銜接的階段和過程[3,16](圖1)。① 明確警義，即明確預(yù)警的研究對(duì)象，這是開展病害預(yù)警的前提。② 監(jiān)測(cè)警兆，指對(duì)環(huán)境、病原及水產(chǎn)動(dòng)物生理、免疫指標(biāo)等與疾病發(fā)生和死亡密切相關(guān)因素的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，這是構(gòu)建預(yù)警預(yù)報(bào)體系的基礎(chǔ)。③ 追溯警源，即分析警情產(chǎn)生的根源，發(fā)病原因越明晰，預(yù)警的準(zhǔn)確度越高。④ 預(yù)報(bào)及排除警情，即利用分析模型預(yù)測(cè)結(jié)果，借助現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)布病害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)警示信息及可能的應(yīng)對(duì)處置方案，最終排除警情。

1.2 水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警預(yù)報(bào)體系的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中，水產(chǎn)動(dòng)物為了適應(yīng)復(fù)雜多變的水環(huán)境，形成了獨(dú)特復(fù)雜的免疫防御機(jī)制。水產(chǎn)動(dòng)物病害的發(fā)生是病原、宿主與環(huán)境相互作用的結(jié)果[11-12,17-22]，故預(yù)警預(yù)報(bào)體系的建立必須同時(shí)考慮這三方面的耦合關(guān)系和協(xié)同作用，厘清三者間的相互關(guān)系，選擇關(guān)鍵因素作為預(yù)警系統(tǒng)的重要指標(biāo)以大幅提高水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警的可靠性。

圖1 養(yǎng)殖貝類病害預(yù)警邏輯過程
Fig.1 Rational process on an early warning system for disease occurrence in mollusc aquaculture

1.2.1 病原 病原是引發(fā)水產(chǎn)動(dòng)物疫病發(fā)生的最主要因素，也是病害預(yù)警研究的關(guān)鍵內(nèi)容。研發(fā)病原的快速高通量檢測(cè)技術(shù)，完善疫病診斷的標(biāo)準(zhǔn)體系，創(chuàng)新病害預(yù)警的綜合分析技術(shù)，促進(jìn)水產(chǎn)動(dòng)物病害防控技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，不僅是發(fā)展綠色養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的迫切需要，也是保障水產(chǎn)動(dòng)物食品安全的必然要求。

目前，國(guó)內(nèi)外報(bào)道的水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警模型主要是通過分析環(huán)境因子后對(duì)病害發(fā)生做出預(yù)測(cè)。由于水環(huán)境尤其是開放海域生態(tài)環(huán)境極其復(fù)雜，僅依靠環(huán)境因子進(jìn)行病害預(yù)測(cè)可能會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏差，故將病原的相關(guān)指標(biāo)納入預(yù)警系統(tǒng)，將會(huì)提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的病原主要包括細(xì)菌、病毒和寄生蟲等，國(guó)內(nèi)外已有關(guān)于病原相關(guān)指標(biāo)應(yīng)用于病害預(yù)警方面的研究報(bào)道。Powell等[23]構(gòu)建了長(zhǎng)牡蠣、寄生蟲和環(huán)境相互作用的數(shù)學(xué)模型，并利用該模型準(zhǔn)確模擬了兩個(gè)海灣中養(yǎng)殖的長(zhǎng)牡蠣群體感染寄生蟲的時(shí)間和感染程度，為牡蠣寄生蟲病的預(yù)警防控提供了技術(shù)保障。中國(guó)科研人員通過對(duì)大黃魚養(yǎng)殖海域環(huán)境因子的分析發(fā)現(xiàn)，溫度、溶解氧和化學(xué)需氧量是影響網(wǎng)箱養(yǎng)殖大黃魚發(fā)病率的主要環(huán)境因子，并在此基礎(chǔ)上分別針對(duì)刺激隱核蟲和細(xì)菌病構(gòu)建了網(wǎng)箱養(yǎng)殖大黃魚的疾病預(yù)報(bào)模型，有效預(yù)測(cè)了疾病發(fā)生的等級(jí)[24-25]。中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物種類多，病原多樣性豐富，病情復(fù)雜。其中，2018年監(jiān)測(cè)到發(fā)病養(yǎng)殖種類66種，主要的養(yǎng)殖魚類和蝦類均有疾病發(fā)生。監(jiān)測(cè)到的疾病主要包括鯉春病毒血癥、草魚出血病、傳染性脾腎壞死病、錦鯉皰疹病毒病、傳染性造血器官壞死病、病毒性神經(jīng)壞死病、鯉浮腫病、鯽造血器官壞死病等魚類疾病，以及白斑綜合征、傳染性皮下和造血器官壞死病、虹彩病毒病和肝腸胞蟲病等蝦類疾病[2]。開展養(yǎng)殖動(dòng)物疫病監(jiān)測(cè)與診斷、病原致病機(jī)制、病原鑒定和快速檢測(cè)技術(shù)研究，篩選病原警兆指標(biāo)，構(gòu)建全面可靠的水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警系統(tǒng)，是水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物疫病防控的重要方向。

1.2.2 宿主 水產(chǎn)動(dòng)物進(jìn)化形成較為完善的免疫系統(tǒng)來抵御病原的侵染，其生理狀態(tài)和抗病力是決定病害發(fā)生的關(guān)鍵因素。免疫識(shí)別是機(jī)體識(shí)別和阻止病原感染的第一道防線。水產(chǎn)動(dòng)物主要通過被稱為模式識(shí)別受體(Pattern recognition receptors,PRRs)的免疫識(shí)別分子識(shí)別入侵的病原[26]。目前，已在水產(chǎn)動(dòng)物中鑒定出十幾類PRRs，主要包括肽聚糖識(shí)別蛋白(Peptidoglycan recognition proteins,PGRPs)、C-型凝集素(C-type lectins,CTLs)、纖維蛋白原相關(guān)蛋白(Fibrinogen-elated proteins,FREPs)、含C1q 結(jié)構(gòu)域蛋白(C1q domain containing proteins,C1qDCs)、清道夫受體(Scavenger receptors,SRs)、含免疫球蛋白結(jié)構(gòu)域的細(xì)胞黏附分子和Toll樣受體(Toll-like receptors,TLRs)等[27-28]。免疫識(shí)別過程是激活機(jī)體免疫應(yīng)答反應(yīng)的首要步驟，免疫識(shí)別信號(hào)能誘導(dǎo)機(jī)體的細(xì)胞免疫和體液免疫以抵抗或清除病原。細(xì)胞免疫主要包括吞噬作用(phagocytosis)、包囊作用(encapsulation)、結(jié)節(jié)形成(nodule formation)和凝集反應(yīng)(aggregation)或凝結(jié)反應(yīng)(coagulation)等過程。病原侵染也能激活水產(chǎn)動(dòng)物體液免疫，主要包括激活Toll、Janus激酶/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活子(Janus kinase signal transducers and activators of transcription,JAK-STAT)、絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase,MAPK)、補(bǔ)體(Complement system)和腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor,TNF)等免疫信號(hào)通路，進(jìn)而促進(jìn)多種免疫效應(yīng)分子如細(xì)胞因子和抗菌肽等的合成，并通過與細(xì)胞免疫協(xié)同作用共同清除病原，維持自身穩(wěn)態(tài)[26,28-29]。

目前，一些重要的免疫、生理生化和代謝指標(biāo)可用于指示水產(chǎn)動(dòng)物健康狀態(tài)及環(huán)境脅迫強(qiáng)度，也因此被篩選為指示水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物病害發(fā)生的候選警兆指標(biāo)。例如，鱸細(xì)胞因子(TNF-1,Interleukin (IL)-1β,IL-8)的轉(zhuǎn)錄水平和抗氧化酶活性在受到高溫和低氧誘導(dǎo)后顯著升高[30-31]。草魚呼腸孤病毒能誘導(dǎo)草魚體內(nèi)活性氧(Reactive oxygen species,ROS)合成和殺傷細(xì)胞中自噬小體的形成[32]。斑馬魚的凝集素和胸腺肽在受到脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)、脂磷壁酸(Lipoteichoic acid,LTA)或嗜水氣單胞菌刺激后呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)[33-34]。在亞硝酸脅迫下，對(duì)蝦腸道中ROS、過氧化脂質(zhì)和丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量，以及超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、過氧化物酶(Catalase,CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(Glutathione peroxidas,GPx)活性顯著升高[35]；受到硫化物刺激后，對(duì)蝦肝胰腺的糖原、血清葡萄糖、乳酸含量及乳酸脫氫酶活性顯著降低[36]；暴露于Cu條件下，對(duì)蝦血淋巴細(xì)胞的凋亡水平和SOD活性顯著升高[37]；受到病原菌刺激后，對(duì)蝦血淋巴細(xì)胞中的多種PRRs(如CTL和Toll)、激酶(MAPK)、關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子(Dorsal和Stat)和抗菌肽顯著升高，血淋巴細(xì)胞的吞噬能力顯著升高[38-41]。中華絨螯蟹血淋巴細(xì)胞中的半胱氨酸天冬氨酸酶Caspase-3/7-1轉(zhuǎn)錄水平在嗜水氣單胞菌、LPS和過氧化氫(H2O2)處理后顯著升高[42]，LPS能誘導(dǎo)中華絨螯蟹血淋巴細(xì)胞發(fā)生凋亡[43]。使用亞致死溫度短期處理牡蠣，可激活機(jī)體熱休克蛋白(Heat shock proteins,HSPs)大量表達(dá)[44]，從而有效降低病原感染造成的死亡。貝類酚氧化酶的活性水平受環(huán)境中有機(jī)/無機(jī)污染物的顯著影響[45]。水產(chǎn)動(dòng)物的這些免疫、生理生化和代謝指標(biāo)對(duì)水體環(huán)境的變化較為敏感，可作為監(jiān)測(cè)水產(chǎn)動(dòng)物疾病和水體環(huán)境的潛在標(biāo)志物，應(yīng)用于水產(chǎn)動(dòng)物病害的預(yù)警預(yù)報(bào)。

1.2.3 環(huán)境 在病原、宿主與環(huán)境三者相互作用過程中，環(huán)境因子不僅影響病原微生物的群落組成和致病能力，還能誘發(fā)改變宿主的生理和免疫狀態(tài)，因此，在水產(chǎn)動(dòng)物病害的預(yù)警預(yù)報(bào)中占據(jù)重要地位。

水產(chǎn)動(dòng)物種類繁多，生活習(xí)性迥異，不同種類的生物學(xué)特性差異顯著，各種環(huán)境因子對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物病害發(fā)生所發(fā)揮的作用也各不相同。水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的環(huán)境因子主要包括溫度、鹽度、光照、水流、溶解氧、pH、氨氮硝氮亞硝氮無機(jī)磷、葉綠素、生化需氧量(BOD)和化學(xué)需氧量(COD)等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞環(huán)境因子與水產(chǎn)動(dòng)物病害發(fā)生的關(guān)系及預(yù)警預(yù)報(bào)開展了大量研究，并在開放養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)預(yù)警方面積累了良好的經(jīng)驗(yàn)。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了環(huán)境因子與北極鱈產(chǎn)量間的關(guān)系，并對(duì)其產(chǎn)量和存活率進(jìn)行了預(yù)測(cè)[46]。Silva等[47]在連續(xù)監(jiān)測(cè)葡萄牙沿海藻華的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了有害藻華預(yù)警系統(tǒng)，通過對(duì)潮汐、水溫及鹽度等環(huán)境因子的分析預(yù)測(cè)了有害藻華爆發(fā)及持續(xù)的時(shí)間，有效指導(dǎo)了當(dāng)?shù)貪O民對(duì)扇貝的捕撈。中國(guó)學(xué)者在封閉水體養(yǎng)殖環(huán)境的研究方面也取得了可喜進(jìn)展，構(gòu)建了多項(xiàng)水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)。例如，針對(duì)凡納濱對(duì)蝦集約化養(yǎng)殖中病害頻發(fā)的問題，建立了水質(zhì)預(yù)警模型；構(gòu)建了中華絨螯蟹養(yǎng)殖過程中溶解氧的實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)，并及時(shí)發(fā)布預(yù)報(bào)信息[48]。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)養(yǎng)殖魚類疾病發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，構(gòu)建了池塘養(yǎng)殖魚類病害預(yù)警模型[49]。對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)水質(zhì)進(jìn)行調(diào)控是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵，然而目前對(duì)開放式養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警預(yù)報(bào)還處于起步階段。加快對(duì)開放水體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警研究是實(shí)現(xiàn)陸海統(tǒng)籌、構(gòu)建新型漁業(yè)生產(chǎn)體系、確保近海生態(tài)安全的迫切需要。

2 北黃海和渤海養(yǎng)殖貝類病害預(yù)警預(yù)報(bào)模型構(gòu)建及應(yīng)用

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)已成為北黃海和渤海地區(qū)海洋產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，其中，牡蠣、扇貝、鮑、蛤等貝類是北黃海和渤海海域的主導(dǎo)養(yǎng)殖品種。近年來，養(yǎng)殖貝類的病害時(shí)有發(fā)生，且難以發(fā)現(xiàn)、診斷和治療，已成為制約北黃海和渤海貝類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的瓶頸。構(gòu)建養(yǎng)殖貝類的病害預(yù)警體系能夠有效地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，規(guī)避或減少因病害發(fā)生導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，確保貝類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于海水養(yǎng)殖貝類病害預(yù)警預(yù)報(bào)體系的研究和報(bào)道較少，國(guó)家貝類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系病害控制功能實(shí)驗(yàn)室組織相關(guān)科研力量，開展了海水貝類病害預(yù)警體系的研發(fā)工作，針對(duì)北黃海和渤海貝類養(yǎng)殖海區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)特征及貝類養(yǎng)殖現(xiàn)狀，解析了環(huán)境、病原及宿主健康狀態(tài)與病害發(fā)生的關(guān)系，篩選了病害預(yù)警的警兆指標(biāo)，構(gòu)建了病害預(yù)警模型，初步實(shí)現(xiàn)了貝類病害預(yù)警體系的推廣應(yīng)用。

2.1 貝類病原相關(guān)的警兆指標(biāo)

近年來爆發(fā)的貝類疫病主要包括弧菌病、細(xì)菌性潰瘍病、膿包病、氣單胞菌病、才女蟲病等，主要由細(xì)菌、病毒、寄生蟲和真菌等病原引發(fā)[2,22,50-53]。貝類通常養(yǎng)殖于淺海、灘涂等開放海域，難以通過投放藥物或改善水質(zhì)等措施控制和消滅病原微生物。因此，檢測(cè)開放養(yǎng)殖水體的微生物群落結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)病原微生物豐度的變化，構(gòu)建病原相關(guān)的預(yù)警測(cè)報(bào)系統(tǒng)，是貝類病害預(yù)警預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)有效防控的重要內(nèi)容。

中國(guó)養(yǎng)殖貝類病原的研究主要集中在重要病原數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、病原致病機(jī)制探索和快速高通量檢測(cè)技術(shù)研發(fā)。研究者建立了鰻弧菌Vibrio anguillarum、溶藻弧菌V.alginolyticus、遲緩愛德華氏菌Edwardsiella tarda、燦爛弧菌V.splendidus、副溶血弧菌V.parahaemolyticus、熒光假單胞菌Pseudomonas fluorescens和惡臭假單胞菌Pseudomonas putida等貝類常見病原菌的快速特異檢測(cè)方法，制定了貝類派琴蟲病、鮑皰疹病毒病、牡蠣包納米蟲病、單孢子蟲病、馬爾太蟲病等的診斷規(guī)程。牡蠣皰疹病毒(Ostreid herpesvirus 1,OsHV-1)是導(dǎo)致全球貝類大量死亡的重要病原之一。對(duì)OsHV-1的流行病學(xué)研究表明，OsHV-1及其變異株急性病毒性壞死病毒(Acute viral necrosis virus，AVNV)能夠感染扇貝、牡蠣、魁蚶等多種貝類[54-58]。目前學(xué)者已完成了OsHV-1基因組序列的測(cè)序[59-61]，揭示了其與宿主相互作用的機(jī)制[62-63]，并且研發(fā)了多種OsHV-1的快速檢測(cè)方法[64-66]。已有研究表明，燦爛弧菌[50,67]、發(fā)光桿菌Photorhabdus和弗朗西斯氏菌Francisella tularensis[68]是北黃海養(yǎng)殖蝦夷扇貝膿包病的主要病原菌。研究人員揭示了燦爛弧菌JZ6的低溫適應(yīng)和低溫致病分子機(jī)制，研究了溫度對(duì)燦爛弧菌溶血活性的影響[69-70]，并根據(jù)燦爛弧菌主要毒力因子金屬蛋白酶Vsm基因建立了燦爛弧菌快速檢測(cè)方法[71]。本研究團(tuán)隊(duì)自2012年起，跟蹤監(jiān)測(cè)了北黃海和渤海養(yǎng)殖區(qū)病原的種類和數(shù)量變化情況，通過監(jiān)測(cè)不同季節(jié)貝類養(yǎng)殖水體中燦爛弧菌數(shù)量和弗朗西斯氏菌豐度的變化，發(fā)現(xiàn)在每年6月，即蝦夷扇貝病害爆發(fā)前夕，養(yǎng)殖環(huán)境中的燦爛弧菌和弗朗西斯氏菌數(shù)量或豐度大幅增加。因此，選取了弧菌和弗朗西斯氏菌豐度等作為貝類病害預(yù)警模型的警兆指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，為預(yù)警預(yù)報(bào)模型的構(gòu)建提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 貝類的健康狀態(tài)指標(biāo)

貝類缺乏基于淋巴細(xì)胞和抗體的獲得性免疫機(jī)制，主要依賴固有免疫系統(tǒng)清除病原。目前的研究已初步明確了貝類免疫系統(tǒng)的基本分子組成，克隆獲得500余個(gè)貝類免疫相關(guān)功能基因。確定了貝類免疫識(shí)別受體(FREP、SR、CTL、C1qDC、Toll、Leucine-rich repeats、DM9CP、Caspase等)、補(bǔ)體相關(guān)分子、腫瘤壞死因子、白介素、神經(jīng)遞質(zhì)代謝酶及其受體、能量代謝關(guān)鍵激酶等基因在貝類免疫防御過程中發(fā)揮的重要作用[26,72-74]。病原侵染能引發(fā)一系列的細(xì)胞防御反應(yīng)，包括細(xì)胞吞噬、凋亡、包囊化和結(jié)節(jié)形成等。研究者確認(rèn)了鰓絲基部為長(zhǎng)牡蠣潛在的造血位點(diǎn)，鑒定了顆粒細(xì)胞是長(zhǎng)牡蠣發(fā)揮吞噬作用的主要細(xì)胞類群[75-76]。長(zhǎng)牡蠣血淋巴細(xì)胞的吞噬作用能夠啟動(dòng)氧化還原反應(yīng)、溶酶體蛋白水解等抗細(xì)菌免疫反應(yīng)[72,77]。

評(píng)價(jià)和確定養(yǎng)殖貝類的健康狀態(tài)是病害預(yù)警預(yù)報(bào)體系的基礎(chǔ)。近年來，本研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合免疫學(xué)、生理學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)等多學(xué)科理論與技術(shù)，探索建立了貝類健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)技術(shù)。發(fā)現(xiàn)病原侵染和環(huán)境脅迫可以誘導(dǎo)免疫識(shí)別、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、免疫效應(yīng)分子等的表達(dá)[78]。通過研究重金屬、高溫、氨氮、微生物刺激等多種脅迫對(duì)貝類免疫穩(wěn)態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)境脅迫和細(xì)菌感染雙重壓力可加速低能耗條件下的氧化損傷，從而造成貝類的大量死亡[79-81]。在急性高溫脅迫條件下，長(zhǎng)牡蠣肝胰腺的總能量?jī)?chǔ)備和細(xì)胞能量分配(Cellular energy allocation,CEA)顯著下降，高溫脅迫干擾了長(zhǎng)牡蠣免疫應(yīng)答和能量代謝相關(guān)基因的正常表達(dá)，打破了代謝平衡，導(dǎo)致長(zhǎng)牡蠣在夏季的免疫能力下降，易出現(xiàn)大規(guī)模死亡[79]。細(xì)胞凋亡是貝類在逆境下實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)的重要機(jī)制之一[82]。長(zhǎng)牡蠣在干露狀態(tài)下可通過多種方式維持胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，其中，泛素化修飾、DNA損傷修復(fù)及MAPK通路在脅迫應(yīng)答中可能扮演著重要角色[83]。通過分析這些生理及免疫相關(guān)指標(biāo)與養(yǎng)殖貝類健康狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性，篩選出部分免疫因子、抗氧化分子、不同血淋巴細(xì)胞類群比例、兒茶酚胺、CEA、能量代謝底物、總抗氧能力(Total antioxidant oxyradical capacity,T-AOC)等作為養(yǎng)殖貝類健康狀態(tài)評(píng)價(jià)的候選指標(biāo)。根據(jù)長(zhǎng)期連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及預(yù)警預(yù)報(bào)模型的擬合與優(yōu)化，進(jìn)一步篩選了SOD活性、MDA含量及閉殼肌糖原含量等作為貝類健康的警兆指標(biāo)。

2.3 環(huán)境因子與貝類病害發(fā)生的關(guān)系

環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警是水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警的重要方面，是突破水域環(huán)境控制、實(shí)現(xiàn)生態(tài)優(yōu)先養(yǎng)殖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。北黃海和渤海的貝類養(yǎng)殖主要以近海浮筏吊養(yǎng)為主[84]。北黃海和渤海養(yǎng)殖海區(qū)的環(huán)境因子具有較明顯的季節(jié)性變化特征，且與全球氣候及人類活動(dòng)息息相關(guān)[85]。根據(jù)北黃海和渤海貝類養(yǎng)殖海區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)特征及貝類養(yǎng)殖現(xiàn)狀，本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)海區(qū)水文、無機(jī)鹽、藻相、微生物群落等生態(tài)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，通過分析養(yǎng)殖海域主要環(huán)境因子的年際及季節(jié)性變化規(guī)律后發(fā)現(xiàn)，溫度、溶解氧、硝酸鹽和硅酸鹽是影響浮筏養(yǎng)殖蝦夷扇貝生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子(圖2)；水溫、葉綠素和溶解氧顯著影響細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，通過分析貝類養(yǎng)殖海區(qū)浮游藻類群落的季節(jié)性演化規(guī)律后發(fā)現(xiàn)，在蝦夷扇貝病害高發(fā)季節(jié)，海水中葉綠素含量和硅藻豐度較低，而甲藻等有害藻類豐度較高[86]。最后研究篩選了水溫、葉綠素、溶解氧、硝酸鹽和硅酸鹽濃度、浮游藻類豐度等作為貝類病害預(yù)警模型的警兆指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

圖2 蝦夷扇貝生長(zhǎng)性狀與環(huán)境因素的相關(guān)性分析
Fig.2 Correlation analysis of the growth trait of yesso scallop Patinopecten yessoensis and the environmental factors

2.4 海水養(yǎng)殖貝類病害預(yù)警數(shù)學(xué)模型構(gòu)建與優(yōu)化

自2009年開始，本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)北黃海和渤海蝦夷扇貝及海灣扇貝養(yǎng)殖區(qū)開展了連續(xù)監(jiān)測(cè)工作，通過分析病原、宿主與環(huán)境之間的耦合關(guān)系，構(gòu)建了病害預(yù)警模型。同時(shí)對(duì)一大批候選警兆指標(biāo)進(jìn)行篩選，最后選擇海水溫度、葉綠素含量、弧菌豐度，以及養(yǎng)殖動(dòng)物總抗氧化能力、閉殼肌糖原含量等指標(biāo)作為輸入樣本(即警兆)?；贛ATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，以死亡率指標(biāo)作為預(yù)測(cè)樣本(即警情),根據(jù)輸入樣本和預(yù)測(cè)樣本分別建立輸入數(shù)據(jù)矩陣和目標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣，并利用原始數(shù)據(jù)矩陣對(duì)輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，初步構(gòu)建了蝦夷扇貝病害預(yù)警預(yù)報(bào)體系。通過對(duì)輸出矩陣中的預(yù)測(cè)死亡率和實(shí)際死亡率進(jìn)行繪圖比較，發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)值曲線幾乎重合，與預(yù)期結(jié)果相一致(未發(fā)表數(shù)據(jù))。擬合的源代碼能有效利用已知環(huán)境、病原及養(yǎng)殖貝類指標(biāo)數(shù)據(jù)，可用于目標(biāo)警情(死亡率)的預(yù)測(cè)。

2.5 海水養(yǎng)殖貝類病害預(yù)警系統(tǒng)的初步應(yīng)用

蝦夷扇貝為冷水性貝類，20世紀(jì)80年代初由日本引進(jìn)到中國(guó)后迅速發(fā)展成為北黃海的主導(dǎo)養(yǎng)殖對(duì)象。近年來，蝦夷扇貝大規(guī)模死亡問題引起了廣泛關(guān)注。目前認(rèn)為病害是導(dǎo)致筏養(yǎng)蝦夷扇貝大規(guī)模死亡的主要原因之一，水溫是重要的誘導(dǎo)因素。針對(duì)北黃海蝦夷扇貝產(chǎn)業(yè)存在的問題，本研究團(tuán)隊(duì)連續(xù)多年對(duì)浮筏養(yǎng)殖的蝦夷扇貝及海區(qū)進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，篩選了海水溫度、溶解氧、弧菌數(shù)量及豐度、硅藻豐度，以及扇貝閉殼肌糖原、MDA含量、SOD活性等作為警兆指標(biāo)，構(gòu)建了蝦夷扇貝的病害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并對(duì)以上警兆指標(biāo)實(shí)行長(zhǎng)年跟蹤監(jiān)測(cè)。2019年7—8月，在示范站點(diǎn)監(jiān)測(cè)到海水溫度、溶解氧、弧菌數(shù)量與豐度、糖原含量、MDA含量等指標(biāo)出現(xiàn)警情。在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合大連市氣象局，綜合分析了未來10天該地區(qū)的氣候變化趨勢(shì)，利用大連市氣象局微信公眾號(hào)，連續(xù)3次發(fā)布了浮筏養(yǎng)殖蝦夷扇貝風(fēng)險(xiǎn)提醒，有效規(guī)避了扇貝大規(guī)模死亡的發(fā)生。

抑食金球藻Aureococcus anophagefferens是海金藻綱的一種微微型浮游植物，具有抑制貝類攝食的能力，是連續(xù)20余年在美國(guó)東海岸引發(fā)褐潮的主要原因藻種。2009年始中國(guó)渤海海域頻繁爆發(fā)以抑食金球藻為主的褐潮，對(duì)海水貝類養(yǎng)殖造成巨大危害。本研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)抑食金球藻研發(fā)了Taqman探針快速定量檢測(cè)方法，開展了全國(guó)貝類養(yǎng)殖海區(qū)抑食金球藻普查工作，有效跟蹤監(jiān)測(cè)了貝類養(yǎng)殖海區(qū)抑食金球藻的變化情況。針對(duì)秦皇島海域由抑食金球藻引發(fā)的褐潮爆發(fā)事件，本研究團(tuán)隊(duì)自2010年開始連續(xù)關(guān)注秦皇島海域水色異常、扇貝滯長(zhǎng)問題，以海水溫度、抑食金球藻濃度及扇貝閉殼肌糖原含量等作為警兆指標(biāo)，構(gòu)建了預(yù)警系統(tǒng)，并根據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)情況，多次發(fā)布《關(guān)于秦皇島海域出現(xiàn)抑食金球藻的情況通報(bào)》、《關(guān)于秦皇島海域海灣扇貝滯長(zhǎng)及死亡的預(yù)警通報(bào)》、《關(guān)于秦皇島海域抑食金球藻藻華爆發(fā)的情況通報(bào)》等褐潮預(yù)警預(yù)報(bào)信息，提醒有關(guān)單位密切關(guān)注藻華動(dòng)態(tài)，積極采取規(guī)避措施，避免對(duì)養(yǎng)殖業(yè)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

3 展望

近年來，中國(guó)在海水養(yǎng)殖貝類病害預(yù)警預(yù)報(bào)體系研究方面取得了重要進(jìn)展，部分研究成果已經(jīng)進(jìn)入國(guó)際前沿水平，但在整體上同國(guó)際農(nóng)業(yè)病害預(yù)警水平相比仍有一定差距。圍繞2019年國(guó)家10部委印發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展的若干意見》中提出的新理念，水產(chǎn)動(dòng)物防疫工作面臨新的形勢(shì)和新的要求。

(1)在理論研究方面，海水養(yǎng)殖貝類病害預(yù)警預(yù)報(bào)體系未來將借鑒人類醫(yī)學(xué)及動(dòng)植物疫病防控理論，有效綜合免疫學(xué)、水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)、微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、海洋學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的最新研究成果，深入解析病原致病機(jī)理、貝類的免疫防御體系，以及海域生境變化與貝類病害發(fā)生的關(guān)系，進(jìn)一步完善水產(chǎn)動(dòng)物病害預(yù)警的理論體系。

(2)在技術(shù)研發(fā)方面，海水養(yǎng)殖貝類病害預(yù)警預(yù)報(bào)體系要充分利用現(xiàn)代生態(tài)學(xué)、生物學(xué)及信息學(xué)等技術(shù)平臺(tái)，研發(fā)警兆指標(biāo)的快速高通量檢測(cè)及實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，提升預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)的準(zhǔn)確性、靈敏性和時(shí)效性。

(3)在管理體制方面，相關(guān)部門應(yīng)緊緊圍繞水產(chǎn)養(yǎng)殖綠色發(fā)展這一主線，健全水產(chǎn)動(dòng)物病害防控法律法規(guī)體系，完善水產(chǎn)動(dòng)物疫病防控行政管理機(jī)構(gòu)、水產(chǎn)動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督機(jī)構(gòu)、水產(chǎn)技術(shù)推廣機(jī)構(gòu)及技術(shù)支撐機(jī)構(gòu)建設(shè)，依法推進(jìn)綜合防治技術(shù)措施的落實(shí)與實(shí)施，為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。

(4)在隊(duì)伍建設(shè)方面，積極發(fā)揮水產(chǎn)養(yǎng)殖病害防治專家委員會(huì)的決策咨詢和引領(lǐng)作用，加強(qiáng)水產(chǎn)動(dòng)物醫(yī)學(xué)高等教育體系建設(shè)，擴(kuò)大漁業(yè)執(zhí)業(yè)獸醫(yī)和漁業(yè)鄉(xiāng)村獸醫(yī)等隊(duì)伍，提升專業(yè)隊(duì)伍的理論和技術(shù)水平。

加快推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研等跨部門、跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的協(xié)作運(yùn)行，構(gòu)建一個(gè)“上下貫通、橫向協(xié)調(diào)、運(yùn)轉(zhuǎn)高效、保障有力”的水產(chǎn)動(dòng)物疫病防控體系，將為全面指導(dǎo)中國(guó)海水養(yǎng)殖業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐和技術(shù)儲(chǔ)備。

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