千万IP创科普 科技人才话强国丨从南极磷虾入手探索海洋生物如何适应极端环境

南极磷虾，这个微小却极为重要的生物，是南极洲生态系统中的“支柱”物种。尽管它们的身体透明，身材娇小（体长数厘米，体重仅1~2克），但却是鲸鱼、海豹、企鹅等南极动物的主要食物来源。

南极磷虾是地球上生物量最大的动物，它们的整体规模达到了惊人的3亿到5亿吨。如此庞大的数量使得南极磷虾成为南极生态系统中至关重要的物质和营养输送者，连接着不同营养级的生物链。

由于南极磷虾的重要性，科学家们便将其作为研究对象，希望通过解析南极磷虾的基因组来揭开其生命奥秘。来自中国水产科学研究院黄海水产研究所和青岛华大基因研究院等单位的科研人员开始了迎难攻坚。他们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，成功构建了南极磷虾基因组参考序列，破译了其基因组图谱。

基因组图谱显示，南极磷虾的基因组大小为48Gb，是人类基因组（约3Gb）的16倍，比目前已知的超大基因组——非洲肺鱼和澳大利亚肺鱼的基因组还要大20%到30%。此外，南极磷虾基因组中高达92.45%的序列都是重复的，这也是其基因组如此庞大的主要原因。南极磷虾基因组具有如此高的重复性，是因为其基因组经历了两次爆发式扩张。然而，这些扩张背后的原因仍是一个谜。

南极磷虾不仅在基因组结构上令人惊叹，它们的生存能力同样令人称奇。这种生物不仅能适应南极恶劣的极昼极夜环境，还具有极强的抗饿能力。那么，南极磷虾是如何适应这种极端环境的呢？为了解答这个问题，研究人员依照已有的基因图谱，对南极磷虾展开深入研究。

他们发现，南极磷虾拥有“独树一帜”的昼夜节律系统。通过对其基因组进行全面扫描，他们发现了625个与节律相关的基因，其中的部分基因在夏季和冬季表现出不同的表达水平，反应出了它们长达半年的昼夜节律，也表明它们已经进化出一种由昼夜节律系统控制的身体适应和行为模式，帮助它们在极端环境下生存。

此外，南极磷虾还可以连续不断地蜕皮，这一特点与其适应南极极端环境的能力密切相关。研究人员在南极磷虾基因组中发现了25个显著扩张的基因家族，其中有12个与蜕壳或能量代谢相关。这些基因在冬、夏两季的表达水平存在显著差异，表明南极磷虾的蜕壳和能量代谢基因在遗传结构上有先天优势，为其适应南大洋不稳定的食物供应等极地环境奠定了遗传基础。

南极磷虾的分布范围极为广泛，几乎覆盖了整个南大洋。针对近年来关于南极磷虾地理群体同质性之争，研究团队还在南大洋的四个南极磷虾生物量较高的区域采集了75个样本，进行了群体遗传学研究。结果显示，尽管南极磷虾分布在不同区域，但其遗传序列并无显著差异，意味着这些群体之间并没有实质性的分化。然而，由于不同地理区域环境差异所带来的自然选择压力，南极磷虾在微观上表现出一些群体结构的差异。

除了这些特性，南极磷虾的数量还受到气候变化的影响。研究人员发现，从大约一千万年前开始，在更新世期间，由于冰期和间冰期的剧烈气候波动，南极磷虾的种群数量急剧减少；而在大约十万年前，随着晚更新世期间较冷气候导致的海冰栖息地扩张，南极磷虾的种群规模出现了反弹。然而，尽管基因组数据和历史气候变化在大尺度上相符，科学家们仍然难以预测当前快速的气候变化对南极磷虾的具体影响。

总的来说，这项工作不仅成功破译了南极磷虾的基因组序列，还深入分析了其生长、繁殖、能量代谢及极端环境适应等重要性状的分子机制。这些发现为进一步解析海洋生物如何适应极端环境及其群体演化提供了新的理论参考，同时也为南极磷虾渔业资源的管理提供了科学依据。这一研究成果对于培育我国南极磷虾资源开发利用的战略产业，以及深度参与极地渔业国际治理具有重要意义。

文：四川大学博士牛明泽

审稿：祝叶华，清华大学环境工程博士