千萬IP創(chuàng)科普 科技人才話強國丨從南極磷蝦入手探索海洋生物如何適應(yīng)極端環(huán)境

南極磷蝦，這個微小卻極為重要的生物，是南極洲生態(tài)系統(tǒng)中的“支柱”物種。盡管它們的身體透明，身材嬌?。w長數(shù)厘米，體重僅1~2克），但卻是鯨魚、海豹、企鵝等南極動物的主要食物來源。

南極磷蝦是地球上生物量最大的動物，它們的整體規(guī)模達(dá)到了驚人的3億到5億噸。如此龐大的數(shù)量使得南極磷蝦成為南極生態(tài)系統(tǒng)中至關(guān)重要的物質(zhì)和營養(yǎng)輸送者，連接著不同營養(yǎng)級的生物鏈。

由于南極磷蝦的重要性，科學(xué)家們便將其作為研究對象，希望通過解析南極磷蝦的基因組來揭開其生命奧秘。來自中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所和青島華大基因研究院等單位的科研人員開始了迎難攻堅。他們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，成功構(gòu)建了南極磷蝦基因組參考序列，破譯了其基因組圖譜。

基因組圖譜顯示，南極磷蝦的基因組大小為48Gb，是人類基因組（約3Gb）的16倍，比目前已知的超大基因組——非洲肺魚和澳大利亞肺魚的基因組還要大20%到30%。此外，南極磷蝦基因組中高達(dá)92.45%的序列都是重復(fù)的，這也是其基因組如此龐大的主要原因。南極磷蝦基因組具有如此高的重復(fù)性，是因為其基因組經(jīng)歷了兩次爆發(fā)式擴張。然而，這些擴張背后的原因仍是一個謎。

南極磷蝦不僅在基因組結(jié)構(gòu)上令人驚嘆，它們的生存能力同樣令人稱奇。這種生物不僅能適應(yīng)南極惡劣的極晝極夜環(huán)境，還具有極強的抗餓能力。那么，南極磷蝦是如何適應(yīng)這種極端環(huán)境的呢？為了解答這個問題，研究人員依照已有的基因圖譜，對南極磷蝦展開深入研究。

他們發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦擁有“獨樹一幟”的晝夜節(jié)律系統(tǒng)。通過對其基因組進(jìn)行全面掃描，他們發(fā)現(xiàn)了625個與節(jié)律相關(guān)的基因，其中的部分基因在夏季和冬季表現(xiàn)出不同的表達(dá)水平，反應(yīng)出了它們長達(dá)半年的晝夜節(jié)律，也表明它們已經(jīng)進(jìn)化出一種由晝夜節(jié)律系統(tǒng)控制的身體適應(yīng)和行為模式，幫助它們在極端環(huán)境下生存。

此外，南極磷蝦還可以連續(xù)不斷地蛻皮，這一特點與其適應(yīng)南極極端環(huán)境的能力密切相關(guān)。研究人員在南極磷蝦基因組中發(fā)現(xiàn)了25個顯著擴張的基因家族，其中有12個與蛻殼或能量代謝相關(guān)。這些基因在冬、夏兩季的表達(dá)水平存在顯著差異，表明南極磷蝦的蛻殼和能量代謝基因在遺傳結(jié)構(gòu)上有先天優(yōu)勢，為其適應(yīng)南大洋不穩(wěn)定的食物供應(yīng)等極地環(huán)境奠定了遺傳基礎(chǔ)。

南極磷蝦的分布范圍極為廣泛，幾乎覆蓋了整個南大洋。針對近年來關(guān)于南極磷蝦地理群體同質(zhì)性之爭，研究團隊還在南大洋的四個南極磷蝦生物量較高的區(qū)域采集了75個樣本，進(jìn)行了群體遺傳學(xué)研究。結(jié)果顯示，盡管南極磷蝦分布在不同區(qū)域，但其遺傳序列并無顯著差異，意味著這些群體之間并沒有實質(zhì)性的分化。然而，由于不同地理區(qū)域環(huán)境差異所帶來的自然選擇壓力，南極磷蝦在微觀上表現(xiàn)出一些群體結(jié)構(gòu)的差異。

除了這些特性，南極磷蝦的數(shù)量還受到氣候變化的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，從大約一千萬年前開始，在更新世期間，由于冰期和間冰期的劇烈氣候波動，南極磷蝦的種群數(shù)量急劇減少；而在大約十萬年前，隨著晚更新世期間較冷氣候?qū)е碌暮１鶙⒌財U張，南極磷蝦的種群規(guī)模出現(xiàn)了反彈。然而，盡管基因組數(shù)據(jù)和歷史氣候變化在大尺度上相符，科學(xué)家們?nèi)匀浑y以預(yù)測當(dāng)前快速的氣候變化對南極磷蝦的具體影響。

總的來說，這項工作不僅成功破譯了南極磷蝦的基因組序列，還深入分析了其生長、繁殖、能量代謝及極端環(huán)境適應(yīng)等重要性狀的分子機制。這些發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步解析海洋生物如何適應(yīng)極端環(huán)境及其群體演化提供了新的理論參考，同時也為南極磷蝦漁業(yè)資源的管理提供了科學(xué)依據(jù)。這一研究成果對于培育我國南極磷蝦資源開發(fā)利用的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，以及深度參與極地漁業(yè)國際治理具有重要意義。

文：四川大學(xué)博士牛明澤

審稿：祝葉華，清華大學(xué)環(huán)境工程博士