南極磷蝦被稱為“人類最后的動(dòng)物蛋白質(zhì)來(lái)源”“海上金礦”。3月3日，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所（以下簡(jiǎn)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(huì)上介紹，由兩家單位聯(lián)合德國(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)，成功破譯迄今最大動(dòng)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(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（CELL）。這是我國(guó)海洋漁業(yè)領(lǐng)域第一篇《細(xì)胞》論文。

南極磷蝦基因組圖譜的破譯，對(duì)于促進(jìn)南極磷蝦深入研究及生物資源開(kāi)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(duì)南極磷蝦基因組圖譜的破譯及遺傳信息的解析，這些問(wèn)題逐漸有了答案。

南極磷蝦個(gè)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(lái)看，南極磷蝦身體透明，長(zhǎng)約7-9厘米，重約1-2克，因?yàn)轶w形像蝦，且體內(nèi)的生物螢光器官每隔兩三秒就會(huì)發(fā)出一種類似磷光的黃綠色光，故而得名南極磷蝦。其實(shí)南極磷蝦并不是蝦，而是似蝦的無(wú)脊椎動(dòng)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(dá)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(yíng)養(yǎng)級(jí)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(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸過(guò)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(shí)，南極磷蝦也是巨大的人類蛋白儲(chǔ)庫(kù)和戰(zhàn)略海洋生物資源，被稱為‘人類最后的動(dòng)物蛋白質(zhì)來(lái)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(zhǎng)偉說(shuō)，正是因?yàn)槟蠘O磷蝦如此重要，他們選擇將南極磷蝦作為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展基因組解析，尋找南極磷蝦生命答案。

近年來(lái)，國(guó)際上多個(gè)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)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(jì)劃。后來(lái)，多個(gè)國(guó)家紛紛跟進(jìn)。不過(guò)，由于南極磷蝦超大且復(fù)雜的基因組結(jié)構(gòu)特征，該項(xiàng)研究一直未能實(shí)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(guó)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(jī)構(gòu)，利用新一代測(cè)序技術(shù)對(duì)南極磷蝦開(kāi)展了高深度的基因組測(cè)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?！鄙坶L(zhǎng)偉說(shuō)，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(yú)和澳大利亞肺魚(yú)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(dá)92.45%。這是南極磷蝦基因組巨大的主要原因。這也是已報(bào)道的基因組重復(fù)序列含量最高的物種。

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

南極磷蝦生命力頑強(qiáng)，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(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)。南極磷蝦是如何適應(yīng)極地極端環(huán)境的？對(duì)此，研究人員對(duì)南極磷蝦的抗餓以及極晝極夜環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)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(guò)對(duì)南極磷蝦基因組進(jìn)行完整掃描，一共拿到了625個(gè)與節(jié)律相關(guān)的基因，對(duì)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)?！鄙坶L(zhǎng)偉說(shuō)，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(dá)水平，表明南極磷蝦已經(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。

當(dāng)然，南極磷蝦的晝夜節(jié)律系統(tǒng)“時(shí)長(zhǎng)”與人類的24小時(shí)不同，而是半年。換言之，人類的生命活動(dòng)以24小時(shí)為周期變動(dòng)，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(zhǎng)達(dá)半年。因此，在成果發(fā)布會(huì)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(gè)顯著的特點(diǎn)，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(gè)顯著擴(kuò)張的基因家族，發(fā)現(xiàn)其中有12個(gè)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(dá)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(shì)，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(jì)劃”

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)，而且為南極磷蝦資源合理開(kāi)發(fā)利用提供了理論依據(jù)。成果發(fā)布會(huì)上，我國(guó)貝類學(xué)科帶頭人之一、發(fā)表了我國(guó)水產(chǎn)領(lǐng)域首篇《自然》論文的中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員張國(guó)范評(píng)價(jià)：“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(duì)南極磷蝦的研究從個(gè)體、群體水平研究躍升到基因組研究新時(shí)代?！?/p>

南極磷蝦基因組的破譯，相當(dāng)于打開(kāi)了一扇天窗，對(duì)其深入研究才剛剛開(kāi)始?！澳蠘O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(chóng)發(fā)光器一樣嗎？它的繁殖能力為何那么強(qiáng)大？它的卵為何要在深海孵化？諸多問(wèn)題答案還有待進(jìn)一步揭曉?！蔽恼鹿餐ㄓ嵶髡摺⑶鄭u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(jī)構(gòu)，于今年發(fā)起“極地海洋生物基因組計(jì)劃”倡議。“2019年以來(lái)，我們聯(lián)合國(guó)內(nèi)院校發(fā)起了‘萬(wàn)種魚(yú)基因組計(jì)劃’‘萬(wàn)種軟體動(dòng)物基因組計(jì)劃’‘海洋微生物基因組計(jì)劃’‘深淵環(huán)境與生態(tài)研究計(jì)劃’，但在南北極領(lǐng)域還是空白?！狈稄V益介紹，于今年發(fā)起的“極地海洋生物基因組計(jì)劃”倡議，將進(jìn)一步深化南極磷蝦研究，并針對(duì)極地藻類、微生物、其他魚(yú)類等海洋生物進(jìn)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(kāi)發(fā)利用。