南極磷蝦基因組圖譜的破譯，對於促進南極磷蝦深入研究及生物資源開發利用具有重要意義。小小的南極磷蝦，基因組有多大、為何如此之大？它是如何適應南極極晝極夜等特殊環境的？隨著科研人員對南極磷蝦基因組圖譜的破譯及遺傳信息的解析，這些問題逐漸有了答案。
其實，近年來，國際上多個國家已經開展了南極磷蝦基因組破譯。2011年，澳大利亞發起南極磷蝦基因組計劃。後來，多個國家紛紛跟進。不過，由於南極磷蝦超大且複雜的基因組結構特徵，該項研究一直未能實現根本突破。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，系國際首次，意義重大，備受關注。
「我們聯合青島華大基因研究院等機構，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，構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。」邵長偉說，研究發現，南極磷蝦的基因組大小為48Gb，約為人類基因組的16倍，比已發表的超大基因組非洲肺魚和澳大利亞肺魚大20%-30%。研究還發現，南極磷蝦基因組具有高重複的特徵，南極磷蝦重複序列含量高達92.45%。這是南極磷蝦基因組巨大的主要原因。這也是已報導的基因組重複序列含量最高的物種。
邵長偉補充說，南極磷蝦基因組具有高重複的特性，是源於南極磷蝦基因組重複序列的兩次爆發式擴張。而至於為什麼會出現爆發式擴張，還需要進一步研究。
面對極端環境，南極磷蝦已進化出「大尺度晝夜節律系統」
南極磷蝦生命力頑強，不僅能適應南極惡劣的極晝極夜環境，而且極其抗餓，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。南極磷蝦是如何適應極地極端環境的？對此，研究人員對南極磷蝦的抗餓以及極晝極夜環境的適應性進行了研究。
「南極磷蝦是否像人類一樣具有晝夜節律系統？我們通過對南極磷蝦基因組進行完整掃描，一共拿到了625個與節律相關的基因，對於研究南極磷蝦為何適應極晝極夜環境奠定了基礎。」邵長偉說，研究發現，南極磷蝦部分基因在夏季和冬季顯示出不同的表達水平，表明南極磷蝦已經進化出由晝夜節律系統控制的身體適應和行為模式，有助於它們在低溫和劇烈變化的光照條件下保存能量並生存。
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鑑定到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。
南極磷蝦分布廣泛，覆蓋整個南大洋。針對近年來南極磷蝦地理群體同質性之爭，研究團隊還在南大洋的4個南極磷蝦生物量較高的區域採集了75隻樣本，進行了群體遺傳學研究。結果發現，雖然分布在不同的區域，但南極磷蝦的遺傳序列組成沒有明顯區別，這就意味著不同地域群體之間沒有實質性差異（群體分化）。但是，由於不同地理區域環境差異產生的自然選擇壓力，導致南極磷蝦出現微弱的群體結構。
為了回答更多生命答案，今年發起「極地海洋生物基因組計劃」
南極磷蝦作為整個南極食物鏈的重要一環，其基因組的破譯不僅有利於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系統，而且為南極磷蝦資源合理開發利用提供了理論依據。成果發布會上，我國貝類學科帶頭人之一、發表了我國水產領域首篇《自然》論文的中國科學院海洋研究所研究員張國范評價：「南極磷蝦基因組圖譜的發布，是世界極地漁業生物學研究的大事件，是南極磷蝦生物學研究的分水嶺，使我們對南極磷蝦的研究從個體、群體水平研究躍升到基因組研究新時代。」
南極磷蝦基因組的破譯，相當於打開了一扇天窗，對其深入研究才剛剛開始。比如，研究人員發現，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，基於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複雜的，仍很難預測快速的氣候變化對南極磷蝦的影響。
「南極磷蝦為什麼那麼抗凍？為什麼是透明的？它的發光器跟螢火蟲發光器一樣嗎？它的繁殖能力為何那麼強大？它的卵為何要在深海孵化？諸多問題答案還有待進一步揭曉。」文章共同通訊作者、青島華大基因研究院主任科學家范廣益表示。
正因如此，青島華大基因研究院將聯合黃海所等機構，於今年發起「極地海洋生物基因組計劃」倡議。「2019年以來，我們聯合國內院校發起了『萬種魚基因組計劃』、『萬種軟體動物基因組計劃』、『海洋微生物基因組計劃』、『深淵環境與生態研究計劃』，但在南北極領域還是空白。」范廣益介紹，而將於今年發起的「極地海洋生物基因組計劃」倡議，將進一步深化南極磷蝦研究，並將針對極地藻類、微生物、其他魚類等海洋生物進行基因組破譯、解析，回答更多海洋生物生命奧秘，助力海洋生物資源開發利用。（青島日報/觀海新聞記者 李勛祥）
（作者：李勛祥)