它體長3-5厘米，體重通常不超過2克，卻是地球上生物量最多的動物。如果把它們放一起稱重，那將比全世界人類的總重量還大！

它生活在南極，是南極洲生態系統里的關鍵物種，是鯨魚、海豹、海狗、企鵝等動物的主要食物來源。它就是我們今天研究的主角——被稱為“海上金礦”的南極磷蝦。

南極磷蝦 黃海水產研究所供圖

近日，由中國水產科學研究院黃海水產研究所、青島華大基因研究院、德國阿爾弗雷德?魏格納研究所、澳大利亞聯邦科學與工業研究組織等機構組建的國際研究團隊，完成了迄今為止最大動物基因組參考序列——南極磷蝦基因組組裝，并揭示了南極磷蝦適應極端環境和群體歷史演化的分子基礎。相關研究成果于《細胞》在線發表。

據悉，這是我國海洋漁業領域發表的第一篇《細胞》主刊論文，也使得我國在南極磷蝦資源乃至極地生態系統研究領域步入國際領先序列。

《細胞》官網截圖 黃海水產研究所供圖

“小蝦米”內的“大基因組”

雖然長得像小蝦，南極磷蝦卻不是蝦。它是一種生活在南極水域的海洋生物，因每隔兩三秒就會發出一種類似磷光的黃綠色光而得名。

黃海水產研究所所長金顯仕指出，作為人類可利用的最大的可再生動物蛋白儲庫、國家戰略性資源，南極磷蝦的重要性早有共識。

“2004年起，許多國際團隊便著手研究南極磷蝦基因組。技術受限，只能做線粒體分析。2011年，澳大利亞南極局正式發起了南極磷蝦基因組計劃。科學家們耗費大量精力，發現南極磷蝦的基因組有50G之大，且非常復雜，于是該計劃被擱淺。后來，德國、意大利也發起了相關計劃，都不了了之。”文章共同第一作者兼通訊作者、中國水產科學研究院黃海水產研究所基因組室主任邵長偉告訴《中國科學報》。

別看南極磷蝦個頭小，基因組卻具有高復雜、高重復的特征。因此,基因組組裝是阻礙該物種組學研究突破的最大挑戰。

邵長偉說，光攻克這個難題，從2019年開始，團隊成員咬緊牙關、悶頭苦干，一直在摸索、調整策略。

“通過研究，我們構建了約48GB的南極磷蝦基因組序列。這是什么概念呢？相當于人類基因組的16倍，是迄今為止最大的動物基因組參考序列，比已發表的超大基因組非洲肺魚和澳大利亞肺魚還大20%-30%。”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對《中國科學報》介紹。

同時，研究還發現，南極磷蝦重復序列含量高達92.45%，這源于南極磷蝦基因組重復序列的兩次爆發式擴張。

中國科學院海洋研究所研究員張國范評價說，這項研究只是開始，但像漆黑房間里突然打開的一扇天窗，讓所有科學家的視野“一下子敞亮起來了”。

南極磷蝦自苦寒來

南極磷蝦分布廣泛，覆蓋整個南冰洋，但又喜歡群居。

為探究南極磷蝦的群體特征，研究團隊在南冰洋的4個南極磷蝦生物量較高的區域采集了75只，進行了群體遺傳學研究。

國家基因庫主任、華大生命科學研究院副院長陳力群表示，研究已經進入了一個多學科交叉、國際合作的新時代。

研究過程中，只靠傳統遺傳學是遠遠不夠的。“眾人拾柴火焰高。我們還用到了物理海洋團隊提供的數據、生物學特征資料，借助極地漁業資源團隊進行漁業聲學評估，多學科合作，取得最終成果。”邵長偉介紹。

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，這意味著不同地域群體之間沒有實質性差異。但南極磷蝦的遺傳分化仍會受其所在環境的影響。

“除此之外，我們還發現，氣候變化也影響著南極磷蝦種群的規模。”邵長偉指出。

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、南大洋溫度整體下降，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。

“研究不僅破譯了南極磷蝦的基因組序列，還分析了其重要性狀的分子機制，包括生長、繁殖、能量代謝以及極端環境適應性等，為我們深入了解南極磷蝦提供了基礎，也為南極磷蝦資源合理開發利用提供了理論依據。”邵長偉介紹。

不過，團隊也提到，雖然在大尺度上，基于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復雜的，仍很難預測快速的氣候變化對南極磷蝦的影響。

南極磷蝦作為整個南極食物鏈的重要一環，其基因組的破譯十分重要。

中國工程院院士、黃海水產研究所名譽所長唐啟升認為：“該研究對于培育我國南極磷蝦這一海洋生物資源開發利用新興戰略產業、深度參與極地漁業國際治理具有重大意義。”

冰川之下 別有洞天

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，還極其抗餓。它們的絕技之一是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。

簡言之，當食物不夠的時候，南極磷蝦能長出更小的殼來“瘦身”并減少對食物的需求。那么，它是如何做到的呢？

邵長偉表示，在磷蝦基因組里鑒定得到的25個顯著擴張的基因家族中，分別有6個基因家族與磷蝦蛻殼及能量代謝相關。其中，具有代表性的蛻殼和能量代謝相關基因在冬、夏季顯著差異的表達水平，與之前有關南極磷蝦越冬策略和相關生理變化的研究結果一致。

這表明，蛻殼和能量代謝相關基因的改變是南極磷蝦對南大洋不穩定食物供應的適應。

南極磷蝦為什么能適應南極的極晝極夜環境呢？

為了探究這個問題，研究人員對節律相關基因進行了比較分析，發現南極磷蝦生物鐘的2個主要回路沒有發生基因丟失，但反饋通路中的部分基因顯示出了隨時間變化的表達水平。

“南極磷蝦可能已經進化出由晝夜節律系統控制的身體適應和行為模式，有助于它們在低溫和劇烈變化的光照條件下保存能量并生存。”范廣益饒有興致的介紹，“基因組的破譯有利于我們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，更有望對南極漁業和生態資源的可持續發展提供助力。”