南极磷虾资源蕴藏量约6.5-10亿吨，是地球上多细胞生物中资源量最大、繁衍最成功的物种之一。但因其基因组巨大且重复序列极多，南极磷虾基因组图谱的绘制一直是学界的难题，阻碍了人们对其基础生物学以及种群历史演化的认知。
“整个磷虾在南极大陆的食物链处于非常关键的环节，它属于能量和物质循环的一个最核心的位置。所以，南极磷虾是整个南大洋生态系统的一个奠基性的生物，奠基种。”中国水产科学研究院黄海水产研究所研究员邵长伟说。
中国水产科学研究院黄海水产研究所领衔破译了国际上迄今为止最大的动物基因组图谱-南极磷虾基因组图谱，揭示了南极磷虾适应极端环境和群体历史演化的分子基础，为海洋生物极端环境适应机制及群体演化研究提供了新的理论参考，为极地渔业资源的管理提供了理论依据。2023年，研究成果以封面文章发表在Cell，是我国海洋渔业领域首篇Cell主刊论文，也使得我国在南极磷虾资源乃至极地生态系统研究领域步入国际领先序列。
南极磷虾成果CELL杂志封面
自主研发组装算法突破超大基因组
组装瓶颈
小小的南极磷虾，是世界上拥有最大动物基因组的物种。
据中国水产科学研究院黄海水产研究所研发团队介绍，南极磷虾生活在南极洲水域，其资源蕴藏量据估计可达10亿吨，资源量巨大，成为南极生态系统的奠基性物种。同时，南极磷虾也是巨大的人类蛋白储库和战略海洋生物资源，被称为“人类最后的动物蛋白质来源”“海上金矿”。
中国水产科学研究院黄海水产研究所将南极磷虾作为研究对象，通过开展基因组解析，寻找南极磷虾的生命答案。
破译南极磷虾基因组图谱是理解南极磷虾基础生物学和群体演化历史的前提。近年来，国际上多个国家已经开展了南极磷虾基因组破译工作，澳大利亚等国科研人员研究发现南极磷虾基因组大小高达50G，具有重复序列含量多，杂合度高的特征，极大限制了该基因组图谱的破译。
在此背景下，项目组利用团队自主研发的基因组组装算法，突破了超大且高重复基因组组装的技术瓶颈，绘制完成了迄今为止最大的动物基因组——南极磷虾基因组图谱。
邵长伟表示，研发团队正在对南极磷虾油的精深加工进行研究，基于磷虾油关键组分磷脂的遗传通路解析，开展磷虾油的生物合成。“通过对南极磷虾的基因组解析及其食物链下游物种的基因组和代谢产物分析，获得磷脂、多不饱和脂肪酸和虾青素等磷虾油中主要活性物质的合成通路与代谢调控网络，并在底盘细胞中进行构建并优化这些通路和网络，以高效生物合成磷虾油。”
中国水产科学研究院黄海水产研究所领衔破译了国际上迄今为止最大的动物基因组图谱
南极磷虾适应极端环境的基因特性和大尺度昼夜节律系统
中国水产科学研究院研发团队组装完成的南极磷虾的基因组大小为48Gb，约为人类基因组的16倍，比已发表的超大基因组非洲肺鱼和澳大利亚肺鱼还要大20%-30%。
中国水产科学研究院黄海水产研究所研究员邵长伟说：“我们人类的基因组才3.2个G，小小的南极磷虾，虽然个儿很小，但它的基因组却是我们人类基因组的16倍那么大。”
“中国水产科学研究院还证实了南极磷虾高重复的基因组特征，其重复序列含量高达92.45%，这源于南极磷虾基因组重复序列的两次爆发式扩张。”中国水产科学研究院研发人员表示，这是南极磷虾基因组巨大的主要原因，这也是已报道的基因组重复序列含量最高的物种。
有了完整的DNA序列图谱，南极磷虾的许多生物特性就有了根据。
南极磷虾是如何适应极地极端环境的？据悉，在南极磷虾基因组中发现多个极端环境适应相关的功能基因，首次揭示了南极磷虾具备完整生物节律等极昼极夜适应的分子机制。
南极磷虾如何“抗饿”？中国水产科学研究院研发人员表示，南极磷虾不间断地连续性蜕皮的特征与其适应南极极端环境息息相关。科研人员发现，南极磷虾蜕壳和能量代谢的相关基因在遗传结构上就有先天的优势，为其适应南大洋不稳定食物供应等极地特殊环境奠定了遗传基础。
南极磷虾是否像人类一样具有昼夜节律系统？“我们通过对南极磷虾基因组进行完整扫描，一共拿到了625个与节律相关的基因，对于研究南极磷虾为何适应极昼极夜环境奠定了基础。”中国水产科学研究院黄海水产研究所研究员邵长伟说，研究发现，南极磷虾已经进化出由昼夜节律系统控制的身体适应和行为模式，南极磷虾的昼夜节律系统“时长”与人类的24小时不同，而是半年。因此，在成果发布会上，有科研人员把南极磷虾的昼夜节律系统称为“大尺度昼夜节律系统”。
南极磷虾研究成果概览
南极磷虾地理群体同质性之争和资源量演变之争
“南极磷虾基因组图谱的破译，揭示了南极磷虾适应极端环境和群体历史演化的分子基础，为南极磷虾资源的合理开发利用提供了重要理论依据。”中国水产科学研究院黄海水产研究所研发团队表示，研究成果为深入解析海洋生物环境适应机制及群体演化规律提供了新的理论支撑，为我国深度参与极地渔业国际治理提供了科学依据，对于培育我国南极磷虾这一海洋生物资源，开发利用新兴战略产业及深度参与极地渔业国际治理具有重大意义。
南极磷虾基因组图谱证实了环南极大陆不同群体间具有遗传连通性，解决了百年以来关于南极磷虾地理种群异质性的争议。
由于南大洋绕极流的存在，南极磷虾是否为遗传同质的种群一直以来都是备受关注的热点。“我们对来源于4个生物量较高的南大洋区域的75个个体进行了群体遗传学分析，共鉴定出3.65亿个SNP（单核苷酸多态性）, 通过核苷酸多样性、群体分化指数、迁移率等综合分析，结果表明，南极磷虾在大的地理范围上具有较高的遗传连通性，不同地理群体之间没有实质性差异。但是由于环境差异产生的自然选择，不同地理区域南极磷虾群体的遗传结构还是呈现出微弱差异。”
此外，南极磷虾何以形成如此巨大的资源量？南极磷虾资源量形成与积聚又经历了怎样的历史演变过程？南极磷虾基因组图谱阐明了南极磷虾资源量形成与积聚的历史演变规律，回答了地球上资源量最大的物种形成原因。
研究人员对磷虾群体演化历史进行分析后发现，磷虾的有效种群大小在1000万年前急剧减少，这与更新世期间冰期-间冰期气候的剧烈波动相吻合；在10万年前，南极磷虾种群大小出现反弹，开始扩张，其原因可能是晚更新世期间较冷的温度导致海冰扩张，扩大了磷虾的栖息地，进而出现了种群的扩张。研究结果显示，虽然在大尺度上，基于基因组数据的推论与历史气候变化相对应，但是环境因素对南极磷虾群体的影响非常复杂，当今快速的气候变化对南极磷虾种群的影响还需进一步深入研究。
中国水产科学研究院黄海水产研究所研究员邵长伟表示，本研究不仅破译了南极磷虾的基因组序列，还分析了其重要性状的分子机制，包括生长、繁殖、能量代谢以及极端环境适应性等。“为我们深入了解南极磷虾的生物学特征提供了新认知，也为南极磷虾资源合理开发利用提供了理论依据。”
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