突破性進展！完成破譯

每經編輯 孫志成 蓋源源    

南極洲冰川上終年積雪，氣候寒冷，人類難以生存；冰川之下，生物卻豐富多彩，南極磷蝦就是其中一員。

被稱為“海上金礦”的南極磷蝦體長3-5厘米，體重一般不超過2克，是南極洲生態系統里的關鍵物種，也是地球上生物量最大的動物，常常被鯨魚、海豹、海狗、企鵝等動物作為主要食物。

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，日前在南極磷蝦超大基因組組裝、極端環境適應和群體歷史演化研究方面取得突破性進展。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。

構建迄今為止最大動物基因組

種群規模龐大的南極磷蝦，是人類重要的蛋白質儲存庫和戰略資源，在南極生態系統的物質和營養運輸過程中發揮著關鍵作用，也是南大洋生態系統生物和功能多樣性的關鍵物種。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。

被稱為“海上金礦”的南極磷蝦。中國水產科學研究院黃海水產研究所供圖

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的超大動物基因組。這一數量約為人類基因組的16倍。據大眾日報，這是迄今為止最大的動物基因組參考序列，比已發表的超大基因組非洲肺魚和澳大利亞肺魚大20%-30%。

科研人員還發現在南極磷蝦進化過程中經歷了兩次基因組爆發式擴張。相較其他甲殼類生物，其基因組重復序列含量達92.45%，也遠超科學界進行過類似研究的物種。

在進一步研究中，科研人員完善了南極磷蝦生物鐘的雙反饋回路，發現南極磷蝦已進化出由晝夜節律系統控制的身體適應和行為模式，相關基因也已為適應極地生存特殊環境奠定遺傳基礎。

采集自不同區域的南極磷蝦樣本，具有較高的遺傳連通性，地理群體之間沒有實質性差異。在群體歷史演化的研究上，科研團隊發現南極磷蝦的有效種群大小先在1000萬年前急劇減少、又在10萬年前出現反彈擴張。前者與當時氣候的劇烈波動和南大洋溫度的整體下降相吻合，后者或因較冷的溫度拓展了海冰面積、擴大了磷蝦棲息地，進而推動種群的擴張。

“這些成果通過基因組學和群體遺傳學的深入分析，為海洋生物極端環境適應機制及其群體演化的深入解析提供了新的理論參考, 為生物多樣性保護及后續海洋生物群體遺傳學研究提供了實質性借鑒。”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應性

據人民網，南極磷蝦的生命力很頑強，不僅能適應南極惡劣的極晝極夜環境，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境的適應性進行了研究。

結果發現，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。其中，具有代表性的蛻殼和能量代謝相關基因在冬、夏季顯著差異的表達水平，與之前有關南極磷蝦越冬策略和相關生理變化的研究結果一致。這表明，蛻殼和能量代謝相關基因的改變是南極磷蝦對南大洋不穩定食物供應的適應。

另外，研究人員還對其節律相關基因進行了比較分析，發現南極磷蝦生物鐘的2個主要回路沒有發生基因丟失，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，南極磷蝦可能已經進化出由晝夜節律系統控制的身體適應和行為模式，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。

南極磷蝦適應南極海洋環境的基因組變化。中國水產科學研究院黃海水產研究所供圖

據青島日報，當然，南極磷蝦的晝夜節律系統“時長”與人類的24小時不同，而是半年。換言之，人類的生命活動以24小時為周期變動，而南極磷蝦為適應極晝極夜的環境變化，晝夜節律系統長達半年。因此，在成果發布會上，有科研人員把南極磷蝦的晝夜節律系統稱為“大尺度晝夜節律系統”。

此外，南極磷蝦還有一個顯著的特點，即可以不間斷地連續性蛻皮，這與其適應南極極端環境相關。科研人員在南極磷蝦基因組中鑒定到25個顯著擴張的基因家族，發現其中有12個與南極磷蝦蛻殼或能量代謝相關。這些基因在冬、夏不同的季節中表現出了顯著不同的表達水平，表明南極磷蝦蛻殼和能量代謝的相關基因在遺傳結構上就有先天的優勢，為其適應南大洋不穩定食物供應等極地特殊環境奠定了遺傳基礎。

另外，研究人員還發現，氣候變化影響著南極磷蝦種群的規模。

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，南極磷蝦的種群數量也急劇減少。

而在約十萬年前，南極磷蝦群體規模出現反彈，開始擴張，其原因可能為晚更新世期間，較冷的溫度導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，基于基因組數據的推論與歷史氣候變化相對應，但是溫度對南極磷蝦的影響是復雜的，仍很難預測快速的氣候變化對南極磷蝦的影響。

編輯|孫志成 蓋源源

校對|劉思琦

每日經濟新聞綜合新華社、人民網、青島日報等