被稱為“海上金礦”的南極磷蝦是南極洲生態(tài)系統(tǒng)里的關(guān)鍵物種，是鯨魚、海豹、海狗、企鵝等動(dòng)物的主要食物來(lái)源。它體長(zhǎng)3-5厘米，體重一般不超過(guò)2克，卻是地球上生物量最大的動(dòng)物。

3月2日，由中國(guó)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、德國(guó)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(jī)構(gòu)組建的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，完成了迄今為止最大動(dòng)物基因組參考序列——南極磷蝦基因組組裝，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)。相關(guān)研究成果于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表。

Cell官網(wǎng)截圖

構(gòu)建迄今為止最大動(dòng)物基因組

南極磷蝦的基因組約為人類基因組的16倍，且具有高重復(fù)的特征，因此,基因組組裝是阻礙該物種組學(xué)研究突破的最大挑戰(zhàn)。本研究構(gòu)建了約48GB的南極磷蝦基因組序列，這是迄今為止最大的動(dòng)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%。研究發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦重復(fù)序列含量高達(dá)92.45%，這源于南極磷蝦基因組重復(fù)序列的兩次爆發(fā)式擴(kuò)張。

解密南極磷蝦極端環(huán)境適應(yīng)性

南極磷蝦的生命力很頑強(qiáng)，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(guò)南極嚴(yán)苛且漫長(zhǎng)的冬天時(shí)，利用脫殼生長(zhǎng)的方式，進(jìn)行負(fù)生長(zhǎng)。在本研究中，研究人員對(duì)其抗餓和對(duì)極晝極夜環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)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(gè)顯著擴(kuò)張的基因家族中，分別有6個(gè)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(dá)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(duì)南大洋不穩(wěn)定食物供應(yīng)的適應(yīng)。

另外，研究人員還對(duì)其節(jié)律相關(guān)基因進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)南極磷蝦生物鐘的2個(gè)主要回路沒(méi)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(shí)間變化的表達(dá)水平。這表明，南極磷蝦可能已經(jīng)進(jìn)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?cè)诘蜏睾蛣×易兓墓庹諚l件下保存能量并生存。

探究地域差異、氣候變化等對(duì)南極磷蝦群體的影響

南極磷蝦分布廣泛，覆蓋整個(gè)南冰洋，但又非常喜歡群居。為了探究南極磷蝦的群體特征，研究團(tuán)隊(duì)在南冰洋的4個(gè)南極磷蝦生物量較高的區(qū)域采集了75只，進(jìn)行了群體遺傳學(xué)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然分布在不同的區(qū)域，但南極磷蝦的遺傳序列組成沒(méi)有明顯區(qū)別，這就意味著不同地域群體之間沒(méi)有實(shí)質(zhì)性差異。但是，南極磷蝦的遺傳分化仍會(huì)受其所在環(huán)境的影響。

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(wàn)年前開(kāi)始，在更新世期間，冰期-間冰期氣候劇烈波動(dòng)、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(wàn)年前，南極磷蝦群體規(guī)模出現(xiàn)反彈，開(kāi)始擴(kuò)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?cái)U(kuò)張，擴(kuò)大了磷蝦的棲息地。不過(guò)，研究團(tuán)隊(duì)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(duì)應(yīng)，但是溫度對(duì)南極磷蝦的影響是復(fù)雜的，仍很難預(yù)測(cè)快速的氣候變化對(duì)南極磷蝦的影響。

“本研究不僅破譯了南極磷蝦的基因組序列，還分析了其重要性狀的分子機(jī)制，包括生長(zhǎng)、繁殖、能量代謝以及極端環(huán)境適應(yīng)性等，為我們深入了解南極磷蝦提供了基礎(chǔ)，也為南極磷蝦資源合理開(kāi)發(fā)利用提供了理論依據(jù)。”文章共同第一作者兼通訊作者、中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所基因組室主任邵長(zhǎng)偉表示。

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：“南極磷蝦作為整個(gè)南極食物鏈的重要一環(huán)，其基因組的破譯不僅有利于我們從分子層面更深入地了解這個(gè)重要物種以及整個(gè)南極生態(tài)系統(tǒng)，更有望對(duì)南極漁業(yè)和生態(tài)資源的可持續(xù)發(fā)展提供助力?！?/p>

本論文的主要內(nèi)容和結(jié)論

論文地址：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.02.005

編輯：王洪