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“南极磷虾基因组图谱”破译记
发布日期:2023-03-17    信息来源:青岛日报     浏览次数:     字号:[ ]

南极磷虾被称为“人类最后的动物蛋白质来源”“海上金矿”。3月3日,中国水产科学研究院黄海水产研究所(以下简称“黄海所”)、青岛华大基因研究院在南极磷虾研究成果发布会上介绍,由两家单位联合德国阿尔弗雷德·魏格纳研究所、澳大利亚联邦科学与工业研究组织等机构组建的国际研究团队,成功破译迄今最大动物基因组图谱——南极磷虾基因组图谱,并揭示了南极磷虾适应极端环境和群体历史演化的分子基础。研究成果发表于国际顶级学术期刊《细胞》(CELL)。这是我国海洋渔业领域第一篇《细胞》论文。

南极磷虾基因组图谱的破译,对于促进南极磷虾深入研究及生物资源开发利用具有重要意义。小小的南极磷虾,基因组有多大、为何如此之大?它是如何适应南极极昼极夜等特殊环境的?随着科研人员对南极磷虾基因组图谱的破译及遗传信息的解析,这些问题逐渐有了答案。

南极磷虾个体虽小,基因组却是人类的16倍

南极磷虾,学名南极大磷虾。从外观上来看,南极磷虾身体透明,长约7-9厘米,重约1-2克,因为体形像虾,且体内的生物萤光器官每隔两三秒就会发出一种类似磷光的黄绿色光,故而得名南极磷虾。其实南极磷虾并不是虾,而是似虾的无脊椎动物。

“南极磷虾是地球上资源量最大、繁衍最成功的物种之一,整体规模3-5亿吨,甚至可以达到10亿吨。南极磷虾的环南极分布特征、巨大的生物量和多种高营养级生物主要饵料的身份,使其在南极生态系统的物质和营养运输过程中发挥着关键作用,是南大洋生态系统的关键物种。同时,南极磷虾也是巨大的人类蛋白储库和战略海洋生物资源,被称为‘人类最后的动物蛋白质来源’‘海上金矿’。”论文共同第一作者兼通讯作者、黄海所研究员邵长伟说,正是因为南极磷虾如此重要,他们选择将南极磷虾作为研究对象,通过开展基因组解析,寻找南极磷虾生命答案。

近年来,国际上多个国家已经开展了南极磷虾基因组破译。2011年,澳大利亚发起南极磷虾基因组计划。后来,多个国家纷纷跟进。不过,由于南极磷虾超大且复杂的基因组结构特征,该项研究一直未能实现根本突破。在此背景下,黄海所和青岛华大基因研究院牵头破译南极磷虾基因组图谱,系国际首次,意义重大,备受关注。

“我们联合青岛华大基因研究院等机构,利用新一代测序技术对南极磷虾开展了高深度的基因组测序、组装和分析,构建了南极磷虾基因组参考序列,成功破译南极磷虾基因组图谱。”邵长伟说,研究发现,南极磷虾的基因组大小为48Gb,约为人类基因组的16倍,比已发表的超大基因组非洲肺鱼和澳大利亚肺鱼大20%-30%。研究还发现,南极磷虾基因组具有高重复的特征,南极磷虾重复序列含量高达92.45%。这是南极磷虾基因组巨大的主要原因。这也是已报道的基因组重复序列含量最高的物种。

面对极端环境,南极磷虾已进化出“大尺度昼夜节律系统”

南极磷虾生命力顽强,不仅能适应南极恶劣的极昼极夜环境,而且极其抗饿,能在度过南极严苛且漫长的冬天时,利用脱壳生长的方式,进行负生长。南极磷虾是如何适应极地极端环境的?对此,研究人员对南极磷虾的抗饿以及极昼极夜环境的适应性进行了研究。

“南极磷虾是否像人类一样具有昼夜节律系统?我们通过对南极磷虾基因组进行完整扫描,一共拿到了625个与节律相关的基因,对于研究南极磷虾为何适应极昼极夜环境奠定了基础。”邵长伟说,研究发现,南极磷虾部分基因在夏季和冬季显示出不同的表达水平,表明南极磷虾已经进化出由昼夜节律系统控制的身体适应和行为模式,有助于它们在低温和剧烈变化的光照条件下保存能量并生存。

当然,南极磷虾的昼夜节律系统“时长”与人类的24小时不同,而是半年。换言之,人类的生命活动以24小时为周期变动,而南极磷虾为适应极昼极夜的环境变化,昼夜节律系统长达半年。因此,在成果发布会上,有科研人员把南极磷虾的昼夜节律系统称为“大尺度昼夜节律系统”。

此外,南极磷虾还有一个显著的特点,即可以不间断地连续性蜕皮,这与其适应南极极端环境相关。科研人员在南极磷虾基因组中鉴定到25个显著扩张的基因家族,发现其中有12个与南极磷虾蜕壳或能量代谢相关。这些基因在冬、夏不同的季节中表现出了显著不同的表达水平,表明南极磷虾蜕壳和能量代谢的相关基因在遗传结构上就有先天的优势,为其适应南大洋不稳定食物供应等极地特殊环境奠定了遗传基础。

回答更多生命答案,今年发起“极地海洋生物基因组计划”

南极磷虾作为整个南极食物链的重要一环,其基因组的破译不仅有利于从分子层面更深入地了解这个重要物种以及整个南极生态系统,而且为南极磷虾资源合理开发利用提供了理论依据。成果发布会上,我国贝类学科带头人之一、发表了我国水产领域首篇《自然》论文的中国科学院海洋研究所研究员张国范评价:“南极磷虾基因组图谱的发布,是世界极地渔业生物学研究的大事件,是南极磷虾生物学研究的分水岭,使我们对南极磷虾的研究从个体、群体水平研究跃升到基因组研究新时代。”

南极磷虾基因组的破译,相当于打开了一扇天窗,对其深入研究才刚刚开始。“南极磷虾为什么那么抗冻?为什么是透明的?它的发光器跟萤火虫发光器一样吗?它的繁殖能力为何那么强大?它的卵为何要在深海孵化?诸多问题答案还有待进一步揭晓。”文章共同通讯作者、青岛华大基因研究院主任科学家范广益表示。

正因如此,青岛华大基因研究院将联合黄海所等机构,于今年发起“极地海洋生物基因组计划”倡议。“2019年以来,我们联合国内院校发起了‘万种鱼基因组计划’‘万种软体动物基因组计划’‘海洋微生物基因组计划’‘深渊环境与生态研究计划’,但在南北极领域还是空白。”范广益介绍,于今年发起的“极地海洋生物基因组计划”倡议,将进一步深化南极磷虾研究,并针对极地藻类、微生物、其他鱼类等海洋生物进行基因组破译、解析,回答更多海洋生物生命奥秘,助力海洋生物资源开发利用。




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