南極磷蝦 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所供圖
■本報記者 廖洋 通訊員 慕欣瑤
它體長3~5厘米，體重通常不超過2克，卻是地球上生物量最多的動物。它生活在南極，是南極洲生態(tài)系統(tǒng)里的關(guān)鍵物種，是鯨、海豹、海狗、企鵝等動物的主要食物來源。它就是被稱為“海上金礦”的南極磷蝦。
近日，由中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所、青島華大基因研究院、德國阿爾弗雷德·韋格納研究所、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織等機(jī)構(gòu)組建的國際研究團(tuán)隊，完成了迄今為止最大的動物基因組參考序列——南極磷蝦基因組組裝，并揭示了南極磷蝦適應(yīng)極端環(huán)境和群體歷史演化的分子基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《細(xì)胞》。
“小蝦米”內(nèi)的“大基因組”
雖然長得像小蝦，南極磷蝦卻不是蝦。它是一種生活在南極水域的海洋生物，因每隔兩三秒就會發(fā)出一種類似磷光的黃綠色光而得名。
中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所所長金顯仕指出，作為人類可利用的最大的可再生動物蛋白儲庫及國家戰(zhàn)略性資源，南極磷蝦的重要性早已形成共識。
“2004年起，許多國際團(tuán)隊便著手研究南極磷蝦基因組。因技術(shù)受限，當(dāng)時只能做線粒體分析。2011年，澳大利亞南極局正式發(fā)起南極磷蝦基因組計劃?？茖W(xué)家耗費(fèi)大量精力，發(fā)現(xiàn)南極磷蝦的基因組有50G，且非常復(fù)雜，于是該計劃被擱置。后來，多國發(fā)起相關(guān)計劃，卻都不了了之。”論文共同第一作者兼通訊作者、中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所基因組室主任邵長偉告訴《中國科學(xué)報》。
別看南極磷蝦個頭小，基因組卻具有高復(fù)雜、高重復(fù)的特征。因此，基因組組裝是阻礙該物種組學(xué)研究取得突破的最大難題。
邵長偉說，為攻克這一難題，從2019年開始團(tuán)隊成員就咬緊牙關(guān)、埋頭苦干，一直在摸索、調(diào)整策略。
“通過研究，我們構(gòu)建了約48GB的南極磷蝦基因組序列。這是什么概念？相當(dāng)于人類基因組的16倍，是迄今為止最大的動物基因組參考序列，比已發(fā)表的非洲肺魚和澳大利亞肺魚的超大基因組還多20%~30%。”論文共同通訊作者、青島華大基因研究院主任科學(xué)家范廣益對《中國科學(xué)報》說。
同時，研究還發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦重復(fù)序列含量高達(dá)92.45%，這源于南極磷蝦基因組重復(fù)序列的兩次爆發(fā)式擴(kuò)張。
中國科學(xué)院海洋研究所研究員張國范評價說，這項研究雖然只是開始，但它就像在漆黑的房間里突然打開了一扇窗，讓所有科學(xué)家的視野“一下子敞亮起來”。
南極磷蝦自苦寒來
南極磷蝦分布廣泛，覆蓋整個南極水域，喜歡群居。
為探究南極磷蝦的群體特征，研究團(tuán)隊在南極水域的4個南極磷蝦生物量較高的區(qū)域采集了75只南極磷蝦，進(jìn)行了群體遺傳學(xué)研究。
國家基因庫主任、華大生命科學(xué)研究院副院長陳力群表示，相關(guān)研究已經(jīng)進(jìn)入一個多學(xué)科交叉、國際合作的新時代。
研究過程中，只靠傳統(tǒng)遺傳學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。“眾人拾柴火焰高。我們還用到了物理海洋團(tuán)隊提供的數(shù)據(jù)、生物學(xué)特征資料，邀請極地漁業(yè)資源團(tuán)隊進(jìn)行漁業(yè)聲學(xué)評估，多學(xué)科合作取得最終成果?！鄙坶L偉介紹。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然南極磷蝦分布在不同區(qū)域，但其遺傳序列組成并沒有明顯區(qū)別，這意味著不同地域群體之間沒有實質(zhì)性差異。不過，南極磷蝦的遺傳分化仍會受其所在環(huán)境的影響。
“除此之外，我們還發(fā)現(xiàn)氣候變化也影響著南極磷蝦種群的規(guī)模?！鄙坶L偉指出。
從約1000萬年前開始，在更新世期間，冰期-間冰期氣候劇烈波動、南大洋溫度整體下降，南極磷蝦的種群數(shù)量也急劇減少；而在約10萬年前，南極磷蝦群體規(guī)模出現(xiàn)反彈，開始擴(kuò)張，其原因可能為晚更新世期間，較冷的溫度導(dǎo)致海冰棲息地擴(kuò)張，擴(kuò)大了南極磷蝦的棲息地。
“該研究不僅破譯了南極磷蝦的基因組序列，還分析了其重要性狀的分子機(jī)制，包括生長、繁殖、能量代謝及極端環(huán)境適應(yīng)性等，為我們深入了解南極磷蝦奠定了基礎(chǔ)，也為南極磷蝦資源合理開發(fā)利用提供了理論依據(jù)?！鄙坶L偉說。
不過，團(tuán)隊也提到，雖然在大尺度上基于基因組數(shù)據(jù)的推論與歷史氣候變化相對應(yīng)，但溫度對南極磷蝦的影響是復(fù)雜的，仍很難預(yù)測快速的氣候變化對南極磷蝦的影響。
南極磷蝦作為整個南極食物鏈的重要一環(huán)，其基因組的破譯十分重要。
中國工程院院士、中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所名譽(yù)所長唐啟升認(rèn)為：“該研究對于我國南極磷蝦這一海洋生物資源開發(fā)利用的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)建設(shè)、深度參與極地漁業(yè)國際治理具有重大意義。”
冰川之下別有洞天
南極磷蝦生命力頑強(qiáng)，不僅能適應(yīng)南極惡劣的極晝、極夜環(huán)境，還極其扛餓。它們的絕技之一是在度過南極嚴(yán)酷且漫長的冬天時，利用蛻殼生長的方式進(jìn)行負(fù)生長。
簡言之，當(dāng)食物不夠時，南極磷蝦能長出更小的殼來“瘦身”，并減少對食物的需求。那么，它是如何做到的？
邵長偉表示，在磷蝦基因組里鑒定得到的25個顯著擴(kuò)張的基因家族中，有6個基因家族與磷蝦蛻殼及能量代謝相關(guān)。其中，具有代表性的蛻殼和能量代謝相關(guān)基因在冬、夏季顯著差異的表達(dá)水平，與之前有關(guān)南極磷蝦越冬策略和相關(guān)生理變化的研究結(jié)果一致。
這表明，蛻殼和能量代謝相關(guān)基因的改變是南極磷蝦對南大洋不穩(wěn)定食物供應(yīng)的適應(yīng)。
南極磷蝦為什么能適應(yīng)南極的極晝、極夜環(huán)境呢？
為了探究這一問題，研究人員對節(jié)律相關(guān)基因進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)南極磷蝦生物鐘的兩個主要回路沒有發(fā)生基因丟失，但反饋通路中的部分基因顯示出了隨時間變化的表達(dá)水平。
“南極磷蝦可能已經(jīng)進(jìn)化出由晝夜節(jié)律系統(tǒng)控制的身體適應(yīng)和行為模式，這有助于它們在低溫和劇烈變化的光照條件下保存能量并生存?！狈稄V益介紹說，“基因組的破譯有利于我們從分子層面更深入了解這個重要物種及整個南極生態(tài)系統(tǒng)，從而為南極漁業(yè)和生態(tài)資源的可持續(xù)發(fā)展提供助力?！?/p>
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.02.005
來源：《中國科學(xué)報》 (2023-03-21 第1版 要聞) 作者：廖洋 慕欣瑤
