南極磷蝦被稱為“人類最后的動物蛋白質(zhì)來源”“海上金礦”。3月3日，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所（以下簡稱“黃海所”）、青島華大基因研究院在南極磷蝦研究成果發(fā)布會上介紹，由兩家單位聯(lián)合德國阿爾弗雷德·魏格納研究所、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織等機構(gòu)組建的國際研究團隊，成功破譯迄今最大動物基因組圖譜——南極磷蝦基因組圖譜，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)。研究成果發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《細胞》（CELL）。這是我國海洋漁業(yè)領(lǐng)域第一篇《細胞》論文。

南極磷蝦基因組圖譜的破譯，對于促進南極磷蝦深入研究及生物資源開發(fā)利用具有重要意義。小小的南極磷蝦，基因組有多大、為何如此之大？它是如何適應(yīng)南極極晝極夜等特殊環(huán)境的？隨著科研人員對南極磷蝦基因組圖譜的破譯及遺傳信息的解析，這些問題逐漸有了答案。

南極磷蝦個體雖小，基因組卻是人類的16倍

南極磷蝦，學(xué)名南極大磷蝦。從外觀上來看，南極磷蝦身體透明，長約7-9厘米，重約1-2克，因為體形像蝦，且體內(nèi)的生物螢光器官每隔兩三秒就會發(fā)出一種類似磷光的黃綠色光，故而得名南極磷蝦。其實南極磷蝦并不是蝦，而是似蝦的無脊椎動物。

“南極磷蝦是地球上資源量最大、繁衍最成功的物種之一，整體規(guī)模3-5億噸，甚至可以達到10億噸。南極磷蝦的環(huán)南極分布特征、巨大的生物量和多種高營養(yǎng)級生物主要餌料的身份，使其在南極生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和營養(yǎng)運輸過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是南大洋生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵物種。同時，南極磷蝦也是巨大的人類蛋白儲庫和戰(zhàn)略海洋生物資源，被稱為‘人類最后的動物蛋白質(zhì)來源’‘海上金礦’。”論文共同第一作者兼通訊作者、黃海所研究員邵長偉說，正是因為南極磷蝦如此重要，他們選擇將南極磷蝦作為研究對象，通過開展基因組解析，尋找南極磷蝦生命答案。

近年來，國際上多個國家已經(jīng)開展了南極磷蝦基因組破譯。2011年，澳大利亞發(fā)起南極磷蝦基因組計劃。后來，多個國家紛紛跟進。不過，由于南極磷蝦超大且復(fù)雜的基因組結(jié)構(gòu)特征，該項研究一直未能實現(xiàn)根本突破。在此背景下，黃海所和青島華大基因研究院牽頭破譯南極磷蝦基因組圖譜，系國際首次，意義重大，備受關(guān)注。

“我們聯(lián)合青島華大基因研究院等機構(gòu)，利用新一代測序技術(shù)對南極磷蝦開展了高深度的基因組測序、組裝和分析，構(gòu)建了南極磷蝦基因組參考序列，成功破譯南極磷蝦基因組圖譜。”邵長偉說，研究發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦的基因組大小為48Gb，約為人類基因組的16倍，比已發(fā)表的超大基因組非洲肺魚和澳大利亞肺魚大20%-30%。研究還發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦基因組具有高重復(fù)的特征，南極磷蝦重復(fù)序列含量高達92.45%。這是南極磷蝦基因組巨大的主要原因。這也是已報道的基因組重復(fù)序列含量最高的物種。

面對極端環(huán)境，南極磷蝦已進化出“大尺度晝夜節(jié)律系統(tǒng)”

南極磷蝦生命力頑強，不僅能適應(yīng)南極惡劣的極晝極夜環(huán)境，而且極其抗餓，能在度過南極嚴苛且漫長的冬天時，利用脫殼生長的方式，進行負生長。南極磷蝦是如何適應(yīng)極地極端環(huán)境的？對此，研究人員對南極磷蝦的抗餓以及極晝極夜環(huán)境的適應(yīng)性進行了研究。

“南極磷蝦是否像人類一樣具有晝夜節(jié)律系統(tǒng)？我們通過對南極磷蝦基因組進行完整掃描，一共拿到了625個與節(jié)律相關(guān)的基因，對于研究南極磷蝦為何適應(yīng)極晝極夜環(huán)境奠定了基礎(chǔ)。”邵長偉說，研究發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦部分基因在夏季和冬季顯示出不同的表達水平，表明南極磷蝦已經(jīng)進化出由晝夜節(jié)律系統(tǒng)控制的身體適應(yīng)和行為模式，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。

當(dāng)然，南極磷蝦的晝夜節(jié)律系統(tǒng)“時長”與人類的24小時不同，而是半年。換言之，人類的生命活動以24小時為周期變動，而南極磷蝦為適應(yīng)極晝極夜的環(huán)境變化，晝夜節(jié)律系統(tǒng)長達半年。因此，在成果發(fā)布會上，有科研人員把南極磷蝦的晝夜節(jié)律系統(tǒng)稱為“大尺度晝夜節(jié)律系統(tǒng)”。

此外，南極磷蝦還有一個顯著的特點，即可以不間斷地連續(xù)性蛻皮，這與其適應(yīng)南極極端環(huán)境相關(guān)。科研人員在南極磷蝦基因組中鑒定到25個顯著擴張的基因家族，發(fā)現(xiàn)其中有12個與南極磷蝦蛻殼或能量代謝相關(guān)。這些基因在冬、夏不同的季節(jié)中表現(xiàn)出了顯著不同的表達水平，表明南極磷蝦蛻殼和能量代謝的相關(guān)基因在遺傳結(jié)構(gòu)上就有先天的優(yōu)勢，為其適應(yīng)南大洋不穩(wěn)定食物供應(yīng)等極地特殊環(huán)境奠定了遺傳基礎(chǔ)。

回答更多生命答案，今年發(fā)起“極地海洋生物基因組計劃”

南極磷蝦作為整個南極食物鏈的重要一環(huán)，其基因組的破譯不僅有利于從分子層面更深入地了解這個重要物種以及整個南極生態(tài)系統(tǒng)，而且為南極磷蝦資源合理開發(fā)利用提供了理論依據(jù)。成果發(fā)布會上，我國貝類學(xué)科帶頭人之一、發(fā)表了我國水產(chǎn)領(lǐng)域首篇《自然》論文的中國科學(xué)院海洋研究所研究員張國范評價：“南極磷蝦基因組圖譜的發(fā)布，是世界極地漁業(yè)生物學(xué)研究的大事件，是南極磷蝦生物學(xué)研究的分水嶺，使我們對南極磷蝦的研究從個體、群體水平研究躍升到基因組研究新時代。”

南極磷蝦基因組的破譯，相當(dāng)于打開了一扇天窗，對其深入研究才剛剛開始。“南極磷蝦為什么那么抗凍？為什么是透明的？它的發(fā)光器跟螢火蟲發(fā)光器一樣嗎？它的繁殖能力為何那么強大？它的卵為何要在深海孵化？諸多問題答案還有待進一步揭曉。”文章共同通訊作者、青島華大基因研究院主任科學(xué)家范廣益表示。

正因如此，青島華大基因研究院將聯(lián)合黃海所等機構(gòu)，于今年發(fā)起“極地海洋生物基因組計劃”倡議。“2019年以來，我們聯(lián)合國內(nèi)院校發(fā)起了‘萬種魚基因組計劃’‘萬種軟體動物基因組計劃’‘海洋微生物基因組計劃’‘深淵環(huán)境與生態(tài)研究計劃’，但在南北極領(lǐng)域還是空白。”范廣益介紹，于今年發(fā)起的“極地海洋生物基因組計劃”倡議，將進一步深化南極磷蝦研究，并針對極地藻類、微生物、其他魚類等海洋生物進行基因組破譯、解析，回答更多海洋生物生命奧秘，助力海洋生物資源開發(fā)利用。