每(mei)經(jing)編(bian)輯｜孫志成(cheng) 蓋(gai)源源    

南極(ji)洲冰(bing)川上終年(nian)積雪(xue)，氣(qi)候寒冷(leng)，人類(lei)難以生存；冰(bing)川之下(xia)，生物卻豐富多彩，南極(ji)磷蝦就是其中(zhong)一員。

被(bei)稱為(wei)“海上(shang)金礦(kuang)”的南極(ji)磷(lin)蝦體長3-5厘米，體重(zhong)一(yi)般(ban)不超過2克，是(shi)南極(ji)洲生態系統(tong)里的關鍵(jian)物(wu)種，也是(shi)地(di)球上(shang)生物(wu)量最(zui)大的動物(wu)，常(chang)常(chang)被(bei)鯨魚、海豹、海狗、企鵝等(deng)動物(wu)作為(wei)主(zhu)要(yao)食物(wu)。

據新華社，中國水產科學研究院黃海水產研究所海水養殖生物育種與可持續產出全國重點實驗室聯合青島華大基因研究院等機構，日前在南極磷(lin)蝦超大基因組組裝、極端環境適應(ying)和群體歷史演(yan)化研究(jiu)方面取得突破性(xing)進(jin)展。相關研究成果已于北京時間2日被國際知名學術刊物《細胞》正式在線發表。

構建迄今為止(zhi)最大動物基因組

種群規模龐大的(de)南(nan)極(ji)磷(lin)蝦，是人類重要的(de)蛋(dan)白質(zhi)儲存庫和戰略資源，在南(nan)極(ji)生態(tai)系統(tong)的(de)物(wu)質(zhi)和營養運輸過程中(zhong)發揮著關鍵作用(yong)，也是南(nan)大洋生態(tai)系統(tong)生物(wu)和功能多樣性的(de)關鍵物(wu)種。但由于其超大且復雜的基因組結構特征，南極磷蝦的繁衍與生存之謎，一直未有明確答案。

被(bei)稱(cheng)為“海上金礦(kuang)”的南極(ji)磷(lin)蝦。中國水(shui)產(chan)科學(xue)研(yan)(yan)究院黃海水(shui)產(chan)研(yan)(yan)究所供(gong)圖

此次來自中國、德國、澳大利亞、意大利等國的科研人員，在中國水產科學研究院黃海水產研究所、青島華大基因研究院主導下，利用新一代測序技術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(de)超大動物(wu)基(ji)因(yin)組。這一數量約為人(ren)類(lei)基(ji)因(yin)組的(de)16倍。據(ju)大眾日報(bao)，這是迄今為止最大(da)的動物(wu)基因組(zu)參(can)考序列，比已發表的超大(da)基因組非洲肺(fei)魚和(he)澳大(da)利亞(ya)肺(fei)魚大(da)20%-30%。

科(ke)研人員還發(fa)現在南極磷蝦進化(hua)過程中經歷(li)了(le)兩次基因組爆發(fa)式擴張(zhang)。相較其他甲殼類生物(wu)，其基因組重復序列(lie)含量達92.45%，也遠超科(ke)學界進行過類似研究的(de)物(wu)種。

在進(jin)一步研究中，科研人員完善了(le)南(nan)極磷(lin)蝦生物鐘(zhong)的(de)雙反饋回路，發(fa)現南(nan)極磷(lin)蝦已進(jin)化出由晝夜(ye)節律系統控制(zhi)的(de)身體適應和行為模(mo)式，相(xiang)關基(ji)因(yin)也已為適應極地(di)生存特殊環(huan)境奠定遺傳基(ji)礎。

采集自不同區域的(de)(de)南(nan)極磷蝦(xia)樣本(ben)，具有(you)(you)較(jiao)高的(de)(de)遺傳連通(tong)性，地理群(qun)體之(zhi)間沒有(you)(you)實質性差異。在(zai)群(qun)體歷史演化的(de)(de)研(yan)究上，科研(yan)團(tuan)隊(dui)發現南(nan)極磷蝦(xia)的(de)(de)有(you)(you)效種群(qun)大小(xiao)先(xian)在(zai)1000萬年前(qian)(qian)急劇(ju)減少、又在(zai)10萬年前(qian)(qian)出現反彈擴張。前(qian)(qian)者(zhe)(zhe)與當時氣候的(de)(de)劇(ju)烈波動和南(nan)大洋溫度(du)的(de)(de)整體下(xia)降相吻合，后(hou)者(zhe)(zhe)或(huo)因較(jiao)冷(leng)的(de)(de)溫度(du)拓展(zhan)了(le)海冰面積、擴大了(le)磷蝦(xia)棲息(xi)地，進而(er)推動種群(qun)的(de)(de)擴張。

“這(zhe)些成果通過(guo)基因組學(xue)(xue)和(he)群體(ti)遺(yi)傳學(xue)(xue)的深入分析，為(wei)海(hai)洋生(sheng)物極端(duan)環境適應機(ji)制及其群體(ti)演化的深入解析提供了新(xin)的理論參考, 為(wei)生(sheng)物多樣性(xing)保護及后(hou)續海(hai)洋生(sheng)物群體(ti)遺(yi)傳學(xue)(xue)研究(jiu)提供了實質性(xing)借鑒。”中國科學院海洋研究所研究員張琳琳說。

解密南極磷蝦極端環境適(shi)應性(xing)

據人民網，南(nan)極(ji)磷蝦的生(sheng)命力很頑強，不僅能適應南(nan)極(ji)惡劣的極(ji)晝極(ji)夜環(huan)境(jing)，還極(ji)其(qi)抗餓，能在度過南(nan)極(ji)嚴苛且漫(man)長的冬天時，利用脫殼生(sheng)長的方式(shi)，進(jin)行負生(sheng)長。在本研(yan)究中(zhong)，研(yan)究人員(yuan)對其(qi)抗餓和(he)對極(ji)晝極(ji)夜環(huan)境(jing)的適應性進(jin)行了研(yan)究。

結(jie)果(guo)發現，在(zai)磷蝦(xia)基因(yin)組里鑒(jian)定得(de)到的(de)25個(ge)顯(xian)著(zhu)擴張(zhang)的(de)基因(yin)家(jia)族中，分別有(you)6個(ge)基因(yin)家(jia)族與(yu)磷蝦(xia)蛻殼及能量(liang)代謝(xie)相(xiang)關(guan)(guan)。其中，具有(you)代表(biao)性的(de)蛻殼和能量(liang)代謝(xie)相(xiang)關(guan)(guan)基因(yin)在(zai)冬、夏(xia)季顯(xian)著(zhu)差異(yi)的(de)表(biao)達水平(ping)，與(yu)之前(qian)有(you)關(guan)(guan)南極磷蝦(xia)越冬策(ce)略和相(xiang)關(guan)(guan)生理變化的(de)研(yan)究(jiu)結(jie)果(guo)一(yi)致。這表(biao)明，蛻殼和能量(liang)代謝(xie)相(xiang)關(guan)(guan)基因(yin)的(de)改變是南極磷蝦(xia)對(dui)南大洋(yang)不穩定食物供應(ying)的(de)適應(ying)。

另(ling)外，研(yan)究(jiu)人員還對其(qi)節(jie)律(lv)相關基因進(jin)行了比較分析，發現(xian)南極磷蝦(xia)生物(wu)鐘的(de)2個主要回路沒有發生基因丟失，但反饋通路中的(de)部(bu)分基因顯示出(chu)了隨(sui)時(shi)間(jian)變化(hua)的(de)表達(da)水平。這表明，南極磷蝦(xia)可能(neng)已經(jing)進(jin)化(hua)出(chu)由晝(zhou)夜節(jie)律(lv)系統控制的(de)身體適應和行為模式(shi)，有助于它們在低溫和劇烈變化(hua)的(de)光照條件下保存能(neng)量并生存。

南極磷蝦適應南極海(hai)洋環境的基因組變(bian)化。中國水產科學研究(jiu)院黃海水產研究(jiu)所(suo)供圖

據青島日報，當然，南(nan)極(ji)磷蝦的晝夜(ye)節(jie)(jie)律(lv)系(xi)統(tong)“時長”與人類的24小時不同，而(er)是半年。換言之，人類的生命活(huo)動(dong)以(yi)24小時為周(zhou)期變(bian)動(dong)，而(er)南(nan)極(ji)磷蝦為適應極(ji)晝極(ji)夜(ye)的環境變(bian)化，晝夜(ye)節(jie)(jie)律(lv)系(xi)統(tong)長達半年。因此，在成果發布(bu)會上，有(you)科(ke)研(yan)人員把南(nan)極(ji)磷蝦的晝夜(ye)節(jie)(jie)律(lv)系(xi)統(tong)稱(cheng)為“大(da)尺度晝夜(ye)節(jie)(jie)律(lv)系(xi)統(tong)”。

此(ci)外，南極(ji)磷蝦還有一(yi)個(ge)顯著(zhu)的(de)特點，即可以(yi)不間斷地連(lian)續性(xing)蛻(tui)皮(pi)，這與(yu)其(qi)適(shi)應(ying)南極(ji)極(ji)端環境相(xiang)關。科研(yan)人員在南極(ji)磷蝦基因(yin)(yin)組中鑒(jian)定(ding)到25個(ge)顯著(zhu)擴張的(de)基因(yin)(yin)家族，發(fa)現(xian)其(qi)中有12個(ge)與(yu)南極(ji)磷蝦蛻(tui)殼或(huo)能量(liang)(liang)代謝相(xiang)關。這些(xie)基因(yin)(yin)在冬、夏不同的(de)季節中表(biao)(biao)現(xian)出了(le)顯著(zhu)不同的(de)表(biao)(biao)達(da)水(shui)平(ping)，表(biao)(biao)明南極(ji)磷蝦蛻(tui)殼和能量(liang)(liang)代謝的(de)相(xiang)關基因(yin)(yin)在遺(yi)(yi)傳(chuan)結構(gou)上就(jiu)有先天(tian)的(de)優勢(shi)，為(wei)其(qi)適(shi)應(ying)南大洋不穩定(ding)食物(wu)供應(ying)等極(ji)地特殊環境奠(dian)定(ding)了(le)遺(yi)(yi)傳(chuan)基礎。

另外，研究人員還(huan)發現(xian)，氣候變化(hua)影響著南極磷(lin)蝦種群的規模。

從約(yue)一(yi)千萬年前開始，在更(geng)新(xin)世期(qi)間，冰期(qi)-間冰期(qi)氣候劇烈波(bo)動、南大洋溫度整(zheng)體下降(jiang)，南極磷蝦的種群數量也急(ji)劇減(jian)少。

而(er)在(zai)約十萬(wan)年(nian)前，南極磷蝦群體(ti)規模出(chu)現反(fan)彈，開始擴張，其原(yuan)因可能為晚更(geng)新世期間，較冷的溫(wen)度導致的海冰棲(qi)息地(di)擴張，擴大了磷蝦的棲(qi)息地(di)。

不過，研究(jiu)團隊(dui)也提(ti)到，雖然(ran)在大(da)尺度(du)上，基于基因組數據的(de)(de)推論(lun)與(yu)歷史氣候(hou)(hou)變(bian)(bian)化相對應，但(dan)是(shi)(shi)溫度(du)對南極磷蝦(xia)的(de)(de)影(ying)響是(shi)(shi)復(fu)雜的(de)(de)，仍(reng)很難預測快速的(de)(de)氣候(hou)(hou)變(bian)(bian)化對南極磷蝦(xia)的(de)(de)影(ying)響。

編輯|孫志成 蓋源源

校對|劉思(si)琦

每日經濟(ji)新聞綜合新華社、人民網、青島日報等