南極磷蝦資源蘊藏量約6.5-10億噸，是地球上多細胞生物中資源量最大、繁衍最成功的物種之一。但因其基因組巨大且重復(fù)序列極多，南極磷蝦基因組圖譜的繪制一直是學(xué)界的難題，阻礙了人們對其基礎(chǔ)生物學(xué)以及種群歷史演化的認(rèn)知。

“整個磷蝦在南極大陸的食物鏈處于非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它屬于能量和物質(zhì)循環(huán)的一個最核心的位置。所以，南極磷蝦是整個南大洋生態(tài)系統(tǒng)的一個奠基性的生物，奠基種?！敝袊a(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所研究員邵長偉說。

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所領(lǐng)銜破譯了國際上迄今為止最大的動物基因組圖譜-南極磷蝦基因組圖譜，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)，為海洋生物極端環(huán)境適應(yīng)機制及群體演化研究提供了新的理論參考，為極地漁業(yè)資源的管理提供了理論依據(jù)。2023年，研究成果以封面文章發(fā)表在Cell，是我國海洋漁業(yè)領(lǐng)域首篇Cell主刊論文，也使得我國在南極磷蝦資源乃至極地生態(tài)系統(tǒng)研究領(lǐng)域步入國際領(lǐng)先序列。

南極磷蝦成果CELL雜志封面

自主研發(fā)組裝算法突破超大基因組

組裝瓶頸

小小的南極磷蝦，是世界上擁有最大動物基因組的物種。

據(jù)中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所研發(fā)團隊介紹，南極磷蝦生活在南極洲水域，其資源蘊藏量據(jù)估計可達10億噸，資源量巨大，成為南極生態(tài)系統(tǒng)的奠基性物種。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”。

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所將南極磷蝦作為研究對象，通過開展基因組解析，尋找南極磷蝦的生命答案。

破譯南極磷蝦基因組圖譜是理解南極磷蝦基礎(chǔ)生物學(xué)和群體演化歷史的前提。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工作，澳大利亞等國科研人員研究發(fā)現(xiàn)南極磷蝦基因組大小高達50G，具有重復(fù)序列含量多，雜合度高的特征，極大限制了該基因組圖譜的破譯。

在此背景下，項目組利用團隊自主研發(fā)的基因組組裝算法，突破了超大且高重復(fù)基因組組裝的技術(shù)瓶頸，繪制完成了迄今為止最大的動物基因組——南極磷蝦基因組圖譜。

邵長偉表示，研發(fā)團隊正在對南極磷蝦油的精深加工進行研究，基于磷蝦油關(guān)鍵組分磷脂的遺傳通路解析，開展磷蝦油的生物合成。“通過對南極磷蝦的基因組解析及其食物鏈下游物種的基因組和代謝產(chǎn)物分析，獲得磷脂、多不飽和脂肪酸和蝦青素等磷蝦油中主要活性物質(zhì)的合成通路與代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并在底盤細胞中進行構(gòu)建并優(yōu)化這些通路和網(wǎng)絡(luò)，以高效生物合成磷蝦油?！?/p>

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所領(lǐng)銜破譯了國際上迄今為止最大的動物基因組圖譜

南極磷蝦適應(yīng)極端環(huán)境的基因特性和大尺度晝夜節(jié)律系統(tǒng)

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院研發(fā)團隊組裝完成的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還要大20%-30%。

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所研究員邵長偉說：“我們?nèi)祟惖幕蚪M才3.2個G，小小的南極磷蝦，雖然個兒很小，但它的基因組卻是我們?nèi)祟惢蚪M的16倍那么大?！?/p>

“中國水產(chǎn)科學(xué)研究院還證實了南極磷蝦高重復(fù)的基因組特征，其重復(fù)序列含量高達92.45%，這源于南極磷蝦基因組重復(fù)序列的兩次爆發(fā)式擴張?！敝袊a(chǎn)科學(xué)研究院研發(fā)人員表示，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。

有了完整的DNA序列圖譜，南極磷蝦的許多生物特性就有了根據(jù)。

南極磷蝦是如何適應(yīng)極地極端環(huán)境的？據(jù)悉，在南極磷蝦基因組中發(fā)現(xiàn)多個極端環(huán)境適應(yīng)相關(guān)的功能基因，首次揭示了南極磷蝦具備完整生物節(jié)律等極晝極夜適應(yīng)的分子機制。

南極磷蝦如何“抗餓”？中國水產(chǎn)科學(xué)研究院研發(fā)人員表示，南極磷蝦不間斷地連續(xù)性蛻皮的特征與其適應(yīng)南極極端環(huán)境息息相關(guān)?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，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)。

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)?！敝袊a(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所研究員邵長偉說，研究發(fā)現(xiàn)，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，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。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)”。

南極磷蝦研究成果概覽

南極磷蝦地理群體同質(zhì)性之爭和資源量演變之爭

“南極磷蝦基因組圖譜的破譯，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)，為南極磷蝦資源的合理開發(fā)利用提供了重要理論依據(jù)?！敝袊a(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所研發(fā)團隊表示，研究成果為深入解析海洋生物環(huán)境適應(yīng)機制及群體演化規(guī)律提供了新的理論支撐，為我國深度參與極地漁業(yè)國際治理提供了科學(xué)依據(jù)，對于培育我國南極磷蝦這一海洋生物資源，開發(fā)利用新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)及深度參與極地漁業(yè)國際治理具有重大意義。

南極磷蝦基因組圖譜證實了環(huán)南極大陸不同群體間具有遺傳連通性，解決了百年以來關(guān)于南極磷蝦地理種群異質(zhì)性的爭議。

由于南大洋繞極流的存在，南極磷蝦是否為遺傳同質(zhì)的種群一直以來都是備受關(guān)注的熱點?！拔覀儗碓从?個生物量較高的南大洋區(qū)域的75個個體進行了群體遺傳學(xué)分析，共鑒定出3.65億個SNP（單核苷酸多態(tài)性）, 通過核苷酸多樣性、群體分化指數(shù)、遷移率等綜合分析，結(jié)果表明，南極磷蝦在大的地理范圍上具有較高的遺傳連通性，不同地理群體之間沒有實質(zhì)性差異。但是由于環(huán)境差異產(chǎn)生的自然選擇，不同地理區(qū)域南極磷蝦群體的遺傳結(jié)構(gòu)還是呈現(xiàn)出微弱差異。”

此外，南極磷蝦何以形成如此巨大的資源量？南極磷蝦資源量形成與積聚又經(jīng)歷了怎樣的歷史演變過程？南極磷蝦基因組圖譜闡明了南極磷蝦資源量形成與積聚的歷史演變規(guī)律，回答了地球上資源量最大的物種形成原因。

研究人員對磷蝦群體演化歷史進行分析后發(fā)現(xiàn)，磷蝦的有效種群大小在1000萬年前急劇減少，這與更新世期間冰期-間冰期氣候的劇烈波動相吻合；在10萬年前，南極磷蝦種群大小出現(xiàn)反彈，開始擴張，其原因可能是晚更新世期間較冷的溫度導(dǎo)致海冰擴張，擴大了磷蝦的棲息地，進而出現(xiàn)了種群的擴張。研究結(jié)果顯示，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)，但是環(huán)境因素對南極磷蝦群體的影響非常復(fù)雜，當(dāng)今快速的氣候變化對南極磷蝦種群的影響還需進一步深入研究。

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所研究員邵長偉表示，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制，包括生長、繁殖、能量代謝以及極端環(huán)境適應(yīng)性等?！盀槲覀兩钊肓私饽蠘O磷蝦的生物學(xué)特征提供了新認(rèn)知，也為南極磷蝦資源合理開發(fā)利用提供了理論依據(jù)?！?nbsp;

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