3月2日，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所邵長偉研究員領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊(duì)在國際頂級期刊Cell（《細(xì)胞》）在線發(fā)表題為“The enormous repetitive Antarctic krill genome reveals environmental adaptations and population insights”的研究論文。該研究論文在南極磷蝦超大基因組組裝、極端環(huán)境適應(yīng)和群體歷史演化研究方面取得突破性進(jìn)展，研究成果為海洋生物極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制及其群體演化的深入解析提供了新的理論參考，也為南極磷蝦漁業(yè)資源的管理提供了理論依據(jù)，對于培育我國南極生物資源開發(fā)利用新興產(chǎn)業(yè)、深度參與極地漁業(yè)國際治理具有重大意義。
南極大磷蝦（Euphausia superba，簡稱南極磷蝦）是地球上資源量最大、繁衍最成功的物種之一，也是南極海洋生物圈的重要基石，在南極生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量循環(huán)過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，南極磷蝦也是全球最大的動(dòng)物蛋白儲(chǔ)庫。多個(gè)國家先后發(fā)起了南極磷蝦基因組計(jì)劃，其超大且復(fù)雜的基因組結(jié)構(gòu)特征，使得解析南極磷蝦極端環(huán)境適應(yīng)性以及群體演化機(jī)制困難重重，阻礙了南極磷蝦基因資源的發(fā)掘與利用。
本研究利用新一代測序技術(shù)對南極磷蝦開展了高深度的基因組測序、組裝和分析，構(gòu)建了迄今為止地球上最大的已測序動(dòng)物基因組，其大小為48Gb，重復(fù)序列含量高達(dá)92.45%。基于基因組和全長轉(zhuǎn)錄組，研究團(tuán)隊(duì)完善了南極磷蝦生物鐘的雙反饋回路，通過與果蠅和哺乳動(dòng)物比較發(fā)現(xiàn)，雙反饋回路中的關(guān)鍵基因沒有缺失，而部分基因（CRY1、CLK、NEMO和PDP1）在夏季（白晝時(shí)間長）和冬季（黑夜時(shí)間長）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。此外，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，與南極磷蝦在相對高溫、長光照和食物充足的夏季生命活動(dòng)旺盛，蛻皮快的研究結(jié)果一致，表明南極磷蝦的相關(guān)顯著擴(kuò)張基因?yàn)槠溥m應(yīng)極地特殊環(huán)境奠定了遺傳基礎(chǔ)。
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(diǎn)。本研究對來源于4個(gè)生物量較高的南大洋區(qū)域[南喬治亞島（SG）、南設(shè)得蘭群島（SSI）、普里茲灣 （PB）、羅斯海（RS）]的75個(gè)個(gè)體進(jìn)行了群體遺傳學(xué)分析，共鑒定出3.65億個(gè)SNP,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(shí)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。
通過南極磷蝦群體演化歷史的分析發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦的有效種群大小先在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(dòng)相吻合；在10萬年前，南極磷蝦種群大小出現(xiàn)反彈，開始擴(kuò)張，其原因可能是晚更新世期間較冷的溫度導(dǎo)致海冰擴(kuò)張，擴(kuò)大了南極磷蝦的棲息地，進(jìn)而出現(xiàn)了種群的擴(kuò)張。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(jìn)一步深入研究。
中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所邵長偉研究員為論文第一作者和通訊作者。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(jī)構(gòu)組建的國際研究團(tuán)隊(duì)共同完成了該項(xiàng)研究。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.02.005
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