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、企鵝等動物的主要食物來源。它體長3-5厘米，體重一般不超過2克，卻是地球上生物量最大的動物。

3月2日，由中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所、青島華大基因研究院、德國阿爾弗雷德·魏格納研究所、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織等機構(gòu)組建的國際研究團隊，完成了迄今為止最大動物基因組參考序列——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)研究成果于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《細胞》（Cell）在線發(fā)表。

Cell官網(wǎng)截圖

構(gòu)建迄今為止最大動物基因組

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。

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，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。

探究地域差異、氣候變化等對南極磷蝦群體的影響

南極磷蝦分布廣泛，覆蓋整個南冰洋，但又非常喜歡群居。為了探究南極磷蝦的群體特征，研究團隊在南冰洋的4個南極磷蝦生物量較高的區(qū)域采集了75只，進行了群體遺傳學(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有明顯區(qū)別，這就意味著不同地域群體之間沒有實質(zhì)性差異。但是，南極磷蝦的遺傳分化仍會受其所在環(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。

“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，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發(fā)利用提供了理論依據(jù)?！蔽恼鹿餐谝蛔髡呒嫱ㄓ嵶髡?、中國水產(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重要物種以及整個南極生態(tài)系統(tǒng)，更有望對南極漁業(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