3月2日，中国水产科学研究院黄海水产研究所邵长伟研究员领衔的国际研究团队在国际顶级期刊Cell（《细胞》）在线发表题为“The enormous repetitive Antarctic krill genome reveals environmental adaptations and population insights”的研究论文。该研究论文在南极磷虾超大基因组组装、极端环境适应和群体历史演化研究方面取得突破性进展，研究成果为海洋生物极端环境适应机制及其群体演化的深入解析提供了新的理论参考，也为南极磷虾渔业资源的管理提供了理论依据，对于培育我国南极生物资源开发利用新兴产业、深度参与极地渔业国际治理具有重大意义。
南极大磷虾（Euphausia superba，简称南极磷虾）是地球上资源量最大、繁衍最成功的物种之一，也是南极海洋生物圈的重要基石，在南极生态系统的物质和能量循环过程中发挥着至关重要的作用。同时，南极磷虾也是全球最大的动物蛋白储库。多个国家先后发起了南极磷虾基因组计划，其超大且复杂的基因组结构特征，使得解析南极磷虾极端环境适应性以及群体演化机制困难重重，阻碍了南极磷虾基因资源的发掘与利用。
本研究利用新一代测序技术对南极磷虾开展了高深度的基因组测序、组装和分析，构建了迄今为止地球上最大的已测序动物基因组，其大小为48Gb，重复序列含量高达92.45%。基于基因组和全长转录组，研究团队完善了南极磷虾生物钟的双反馈回路，通过与果蝇和哺乳动物比较发现，双反馈回路中的关键基因没有缺失，而部分基因（CRY1、CLK、NEMO和PDP1）在夏季（白昼时间长）和冬季（黑夜时间长）显示出不同的表达水平，表明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。此外，在南极磷虾基因组中鉴定到25个显著扩张的基因家族中，有12个与南极磷虾蜕壳或能量代谢相关。这些基因在冬、夏不同的季节中表现出了显著不同的表达水平，与南极磷虾在相对高温、长光照和食物充足的夏季生命活动旺盛，蜕皮快的研究结果一致，表明南极磷虾的相关显著扩张基因为其适应极地特殊环境奠定了遗传基础。
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。本研究对来源于4个生物量较高的南大洋区域[南乔治亚岛（SG）、南设得兰群岛（SSI）、普里兹湾 （PB）、罗斯海（RS）]的75个个体进行了群体遗传学分析，共鉴定出3.65亿个SNP,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。
通过南极磷虾群体演化历史的分析发现，南极磷虾的有效种群大小先在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，扩大了南极磷虾的栖息地，进而出现了种群的扩张。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邵长伟研究员为论文第一作者和通讯作者。黄海水产研究所、青岛华大基因研究院、德国阿尔弗雷德？魏格纳研究所、澳大利亚联邦科学与工业研究组织等机构组建的国际研究团队共同完成了该项研究。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.02.005
日期：2023-03-06
