Cell发表迄今最大动物基因组参考序列:南极磷虾基因组组装

2023-03-06 1731CNGBdb

3月2日,由中国水产科学研究院黄海水产研究所、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,完成了迄今为止最大动物基因组参考序列——南极磷虾基因组组装,并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。相关研究成果于国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)在线发表。

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深圳国家基因库为本项目提供测序支持。同时,本研究产生的基因组测序及组装、转录组、群体重测序数据均已存储于国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号为: CNP0001930

南极磷虾不是虾,却能吃

南极磷虾虽然叫虾,长得也像小虾,却不是虾,而是一种生活在南极水域的海洋生物。我们常说的小龙虾、基围虾等是它的远亲。它以浮游植物为食,身体透明,从外壳还能看到里面绿色的消化腺。

更有意思的是,它们每隔两三秒就会发出一种类似磷光的黄绿色光,像手电筒一样,南极磷虾因此得名。

或许很多读者会关心一个问题,南极磷虾能吃吗?答案当然是“可以”,它的蛋白含量高达20%,被称为“人类最后的动物蛋白质来源”。

小小“虾米”,基因组比人的还大

南极磷虾基因组非常大,约为人类基因组的16倍,且具有高重复的特征,因此,基因组组装是阻碍该物种组学研究突破的最大挑战。

本研究构建了约48GB的南极磷虾基因组序列,这是迄今为止最大的动物基因组参考序列,比已发表的超大基因组非洲肺鱼和澳大利亚肺鱼大20%-30%。研究发现,南极磷虾重复序列含量高达92.45%,这源于南极磷虾基因组重复序列的两次爆发式扩张。

适应极端环境,成为生物量最大的动物

南极磷虾的生命力很顽强,不仅能适应南极恶劣的极昼极夜环境,还极其抗饿。它们的绝技之一是在度过南极严苛且漫长的冬天时,利用脱壳生长的方式,进行负生长。简而言之就是,当食物不够的时候,它就长出更小的壳来“瘦身”并减少对食物的需求。那么,它是如何做到的呢?

研究人员发现,在磷虾基因组里鉴定得到的25个显著扩张的基因家族中,分别有6个基因家族与磷虾蜕壳及能量代谢相关。其中,具有代表性的蜕壳和能量代谢相关基因在冬、夏季显著差异的表达水平,与之前有关南极磷虾越冬策略和相关生理变化的研究结果一致。这表明,蜕壳和能量代谢相关基因的改变是南极磷虾对南大洋不稳定食物供应的适应。

至于南极磷虾为什么能适应南极的极昼极夜环境,研究人员对节律相关基因进行了比较分析,发现南极磷虾生物钟的2个主要回路没有发生基因丢失,但反馈通路中的部分基因显示出了随时间变化的表达水平。这表明,南极磷虾可能已经进化出由昼夜节律系统控制的身体适应和行为模式,有助于它们在低温和剧烈变化的光照条件下保存能量并生存。

地域差异、气候变化等对南极磷虾有影响吗?

南极磷虾分布广泛,覆盖整个南冰洋,但又非常喜欢扎堆,有时候1立方米的海水里能同时出现1-3万只磷虾。那它们有什么群体特征呢?不同地域的南极磷虾是否一样?会不会和不同地域会有不同的人种一样,也分不同的“磷虾种”?

研究团队在南冰洋的4个南极磷虾生物量较高的区域采集了75只,进行了群体遗传学研究。结果发现,虽然分布在不同的区域,但南极磷虾的遗传序列组成没有明显区别,这就意味着不同地域群体之间没有实质性差异。但是,南极磷虾的遗传分化仍会受其所在环境的影响。

另外,研究人员还发现,气候变化影响着南极磷虾种群的规模。从约一千万年前开始,在更新世期间,冰期-间冰期气候剧烈波动、南大洋温度整体下降,南极磷虾的种群数量也急剧减少;而在约十万年前,南极磷虾群体规模出现反弹,开始扩张,其原因可能为晚更新世期间,较冷的温度导致的海冰栖息地扩张,扩大了磷虾的栖息地。不过,研究团队也提到,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,但是温度对南极磷虾的影响是复杂的,仍很难预测快速的气候变化对南极磷虾的影响。

“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提供了基础,也为南极磷虾资源合理开发利用提供了理论依据。” 文章共同第一作者兼通讯作者、中国水产科学研究院黄海水产研究所基因组室主任邵长伟表示。

文章共同通讯作者、青岛华大基因研究院主任科学家范广益表示:“南极磷虾作为整个南极食物链的重要一环,其基因组的破译不仅有利于我们从分子层面更深入地了解这个重要物种以及整个南极生态系统,更有望对南极渔业和生态资源的可持续发展提供助力。”

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中国水产科学研究院黄海水产研究所基因组室主任、研究员邵长伟为本研究的共同第一作者兼通讯作者,青岛华大基因研究院主任科学家范广益、德国阿尔弗雷德•魏格纳研究所Bettina Meyer为该论文的共同通讯作者。青岛华大基因研究院孙帅、王佳昊、刘群,以及中国水产科学研究院黄海水产研究所刘凯强、李硕为该论文的共同作者。

该项研究工作得到了国家重点研发计划(2022YFD2400100,2022YFC2807500),青岛海洋科学与技术试点国家实验室“十四五”重大项目(2022QNLM030004),中央公益性科研机构基本科研业务费(2019QY01)等项目的支持。

参考文献:https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.02.005
信息及图片均来源于“华大集团BGI”公众号

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