每經(jīng)編輯 孫志成 蓋源源    

南極洲冰川上終年積雪，氣候寒冷，人類難以生存；冰川之下，生物卻豐富多彩，南極磷蝦就是其中一員。

被稱為“海上金礦”的南極磷蝦體長3-5厘米，體重一般不超過2克，是南極洲生態(tài)系統(tǒng)里的關(guān)鍵物種，也是地球上生物量最大的動物，常常被鯨魚、海豹、海狗、企鵝等動物作為主要食物。

據(jù)新華社，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所海水養(yǎng)殖生物育種與可持續(xù)產(chǎn)出全國重點實驗室聯(lián)合青島華大基因研究院等機構(gòu)，日前在南極磷蝦超大基因組組裝、極端環(huán)境適應(yīng)和群體歷史演化研究方面取得突破性進展。相關(guān)研究成果已于北京時間2日被國際知名學(xué)術(shù)刊物《細胞》正式在線發(fā)表。

構(gòu)建迄今為止最大動物基因組

種群規(guī)模龐大的南極磷蝦，是人類重要的蛋白質(zhì)儲存庫和戰(zhàn)略資源，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，也是南大洋生態(tài)系統(tǒng)生物和功能多樣性的關(guān)鍵物種。但由于其超大且復(fù)雜的基因組結(jié)構(gòu)特征，南極磷蝦的繁衍與生存之謎，一直未有明確答案。

被稱為“海上金礦”的南極磷蝦。中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所供圖

此次來自中國、德國、澳大利亞、意大利等國的科研人員，在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所、青島華大基因研究院主導(dǎo)下，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，最終得到了48Gb的超大動物基因組。這一數(shù)量約為人類基因組的16倍。據(jù)大眾日報，這是迄今為止最大的動物基因組參考序列，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%。

科研人員還發(fā)現(xiàn)在南極磷蝦進化過程中經(jīng)歷了兩次基因組爆發(fā)式擴張。相較其他甲殼類生物，其基因組重復(fù)序列含量達92.45%，也遠超科學(xué)界進行過類似研究的物種。

在進一步研究中，科研人員完善了南極磷蝦生物鐘的雙反饋回路，發(fā)現(xiàn)南極磷蝦已進化出由晝夜節(jié)律系統(tǒng)控制的身體適應(yīng)和行為模式，相關(guān)基因也已為適應(yīng)極地生存特殊環(huán)境奠定遺傳基礎(chǔ)。

采集自不同區(qū)域的南極磷蝦樣本，具有較高的遺傳連通性，地理群體之間沒有實質(zhì)性差異。在群體歷史演化的研究上，科研團隊發(fā)現(xiàn)南極磷蝦的有效種群大小先在1000萬年前急劇減少、又在10萬年前出現(xiàn)反彈擴張。前者與當(dāng)時氣候的劇烈波動和南大洋溫度的整體下降相吻合，后者或因較冷的溫度拓展了海冰面積、擴大了磷蝦棲息地，進而推動種群的擴張。

“這些成果通過基因組學(xué)和群體遺傳學(xué)的深入分析，為海洋生物極端環(huán)境適應(yīng)機制及其群體演化的深入解析提供了新的理論參考, 為生物多樣性保護及后續(xù)海洋生物群體遺傳學(xué)研究提供了實質(zhì)性借鑒。”中國科學(xué)院海洋研究所研究員張琳琳說。

解密南極磷蝦極端環(huán)境適應(yīng)性

據(jù)人民網(wǎng)，南極磷蝦的生命力很頑強，不僅能適應(yīng)南極惡劣的極晝極夜環(huán)境，還極其抗餓，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。在本研究中，研究人員對其抗餓和對極晝極夜環(huán)境的適應(yīng)性進行了研究。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在磷蝦基因組里鑒定得到的25個顯著擴張的基因家族中，分別有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)。

另外，研究人員還對其節(jié)律相關(guān)基因進行了比較分析，發(fā)現(xiàn)南極磷蝦生物鐘的2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水平。這表明，南極磷蝦可能已經(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。

南極磷蝦適應(yīng)南極海洋環(huán)境的基因組變化。中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所供圖

據(jù)青島日報，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)?？蒲腥藛T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)。

另外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，氣候變化影響著南極磷蝦種群的規(guī)模。

從約一千萬年前開始，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。

而在約十萬年前，南極磷蝦群體規(guī)模出現(xiàn)反彈，開始擴張，其原因可能為晚更新世期間，較冷的溫度導(dǎo)致的海冰棲息地擴張，擴大了磷蝦的棲息地。

不過，研究團隊也提到，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)，但是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。

編輯|孫志成 蓋源源

校對|劉思琦

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