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“小小虾米”不是虾 “海上金矿”苦寒来

信息来源:中国科学报  发布时间: 2023-03-21   点击数:保护视力色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)

南极磷虾 中国水产科学研究院黄海水产研究所供图

它体长3~5厘米,体重通常不超过2克,却是地球上生物量最多的动物。它生活在南极,是南极洲生态系统里的关键物种,是鲸、海豹、海狗、企鹅等动物的主要食物来源。它就是被称为“海上金矿”的南极磷虾。

近日,由中国水产科学研究院黄海水产研究所、青岛华大基因研究院、德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所、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,完成了迄今为止最大的动物基因组参考序列——南极磷虾基因组组装,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。相关研究成果在线发表于《细胞》。

“小虾米”内的“大基因组”

虽然长得像小虾,南极磷虾却不是虾。它是一种生活在南极水域的海洋生物,因每隔两三秒就会发出一种类似磷光的黄绿色光而得名。

中国水产科学研究院黄海水产研究所所长金显仕指出,作为人类可利用的最大的可再生动物蛋白储库及国家战略性资源,南极磷虾的重要性早已形成共识。

“2004年起,许多国际团队便着手研究南极磷虾基因组。因技术受限,当时只能做线粒体分析。2011年,澳大利亚南极局正式发起南极磷虾基因组计划。科学家耗费大量精力,发现南极磷虾的基因组有50G,且非常复杂,于是该计划被搁置。后来,多国发起相关计划,却都不了了之。”论文共同第一作者兼通讯作者、中国水产科学研究院黄海水产研究所基因组室主任邵长伟告诉《中国科学报》。

别看南极磷虾个头小,基因组却具有高复杂、高重复的特征。因此,基因组组装是阻碍该物种组学研究取得突破的最大难题。

邵长伟说,为攻克这一难题,从2019年开始团队成员就咬紧牙关、埋头苦干,一直在摸索、调整策略。

“通过研究,我们构建了约48GB的南极磷虾基因组序列。这是什么概念?相当于人类基因组的16倍,是迄今为止最大的动物基因组参考序列,比已发表的非洲肺鱼和澳大利亚肺鱼的超大基因组还多20%~30%。”论文共同通讯作者、青岛华大基因研究院主任科学家范广益对《中国科学报》说。

同时,研究还发现,南极磷虾重复序列含量高达92.45%,这源于南极磷虾基因组重复序列的两次爆发式扩张。

中国科学院海洋研究所研究员张国范评价说,这项研究虽然只是开始,但它就像在漆黑的房间里突然打开了一扇窗,让所有科学家的视野“一下子敞亮起来”。

南极磷虾自苦寒来

南极磷虾分布广泛,覆盖整个南极水域,喜欢群居。

为探究南极磷虾的群体特征,研究团队在南极水域的4个南极磷虾生物量较高的区域采集了75只南极磷虾,进行了群体遗传学研究。

国家基因库主任、华大生命科学研究院副院长陈力群表示,相关研究已经进入一个多学科交叉、国际合作的新时代。

研究过程中,只靠传统遗传学远远不够。“众人拾柴火焰高。我们还用到了物理海洋团队提供的数据、生物学特征资料,邀请极地渔业资源团队进行渔业声学评估,多学科合作取得最终成果。”邵长伟介绍。

研究结果发现,虽然南极磷虾分布在不同区域,但其遗传序列组成并没有明显区别,这意味着不同地域群体之间没有实质性差异。不过,南极磷虾的遗传分化仍会受其所在环境的影响。

“除此之外,我们还发现气候变化也影响着南极磷虾种群的规模。”邵长伟指出。

从约1000万年前开始,在更新世期间,冰期-间冰期气候剧烈波动、南大洋温度整体下降,南极磷虾的种群数量也急剧减少;而在约10万年前,南极磷虾群体规模出现反弹,开始扩张,其原因可能为晚更新世期间,较冷的温度导致海冰栖息地扩张,扩大了南极磷虾的栖息地。

“该研究不仅破译了南极磷虾的基因组序列,还分析了其重要性状的分子机制,包括生长、繁殖、能量代谢及极端环境适应性等,为我们深入了解南极磷虾奠定了基础,也为南极磷虾资源合理开发利用提供了理论依据。”邵长伟说。

不过,团队也提到,虽然在大尺度上基于基因组数据的推论与历史气候变化相对应,但温度对南极磷虾的影响是复杂的,仍很难预测快速的气候变化对南极磷虾的影响。

南极磷虾作为整个南极食物链的重要一环,其基因组的破译十分重要。

中国工程院院士、中国水产科学研究院黄海水产研究所名誉所长唐启升认为:“该研究对于我国南极磷虾这一海洋生物资源开发利用的新兴战略产业建设、深度参与极地渔业国际治理具有重大意义。”

冰川之下别有洞天

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,还极其扛饿。它们的绝技之一是在度过南极严酷且漫长的冬天时,利用蜕壳生长的方式进行负生长。

简言之,当食物不够时,南极磷虾能长出更小的壳来“瘦身”,并减少对食物的需求。那么,它是如何做到的?

邵长伟表示,在磷虾基因组里鉴定得到的25个显著扩张的基因家族中,有6个基因家族与磷虾蜕壳及能量代谢相关。其中,具有代表性的蜕壳和能量代谢相关基因在冬、夏季显著差异的表达水平,与之前有关南极磷虾越冬策略和相关生理变化的研究结果一致。

这表明,蜕壳和能量代谢相关基因的改变是南极磷虾对南大洋不稳定食物供应的适应。

南极磷虾为什么能适应南极的极昼、极夜环境呢?

为了探究这一问题,研究人员对节律相关基因进行了比较分析,发现南极磷虾生物钟的两个主要回路没有发生基因丢失,但反馈通路中的部分基因显示出了随时间变化的表达水平。

“南极磷虾可能已经进化出由昼夜节律系统控制的身体适应和行为模式,这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。”范广益介绍说,“基因组的破译有利于我们从分子层面更深入了解这个重要物种及整个南极生态系统,从而为南极渔业和生态资源的可持续发展提供助力。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.02.005

《中国科学报》 (2023-03-21 第1版 要闻)