它体长3-5厘米，体重通常不超过2克，却是地球上生物量最多的动物。如果把它们放一起称重，那将比全世界人类的总重量还大！

它生活在南极，是南极洲生态系统里的关键物种，是鲸鱼、海豹、海狗、企鹅等动物的主要食物来源。它就是我们今天研究的主角——被称为“海上金矿”的南极磷虾。

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南极磷虾  黄海水产研究所供图

近日，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《细胞》在线发表。

据悉，这是我国海洋渔业领域发表的第一篇《细胞》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。 

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《细胞》官网截图      黄海水产研究所供图

“小虾米”内的“大基因组”

虽然长得像小虾，南极磷虾却不是虾。它是一种生活在南极水域的海洋生物，因每隔两三秒就会发出一种类似磷光的黄绿色光而得名。

黄海水产研究所所长金显仕指出，作为人类可利用的最大的可再生动物蛋白储库、国家战略性资源，南极磷虾的重要性早有共识。

“2004年起，许多国际团队便着手研究南极磷虾基因组。技术受限，只能做线粒体分析。2011年，澳大利亚南极局正式发起了南极磷虾基因组计划。科学家们耗费大量精力，发现南极磷虾的基因组有50G之大，且非常复杂，于是该计划被搁浅。后来，德国、意大利也发起了相关计划，都不了了之。”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告诉《中国科学报》。

别看南极磷虾个头小，基因组却具有高复杂、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。

邵长伟说，光攻克这个难题，从2019年开始，团队成员咬紧牙关、闷头苦干，一直在摸索、调整策略。

“通过研究，我们构建了约48GB的南极磷虾基因组序列。这是什么概念呢？相当于人类基因组的16倍，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还大20%-30%。”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对《中国科学报》介绍。

同时，研究还发现，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。

中国科学院海洋研究所研究员张国范评价说，这项研究只是开始，但像漆黑房间里突然打开的一扇天窗，让所有科学家的视野“一下子敞亮起来了”。

南极磷虾自苦寒来

南极磷虾分布广泛，覆盖整个南冰洋，但又喜欢群居。

为探究南极磷虾的群体特征，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。

国家基因库主任、华大生命科学研究院副院长陈力群表示，研究已经进入了一个多学科交叉、国际合作的新时代。

研究过程中，只靠传统遗传学是远远不够的。“众人拾柴火焰高。我们还用到了物理海洋团队提供的数据、生物学特征资料，借助极地渔业资源团队进行渔业声学评估，多学科合作，取得最终成果。”邵长伟介绍。

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，这意味着不同地域群体之间没有实质性差异。但南极磷虾的遗传分化仍会受其所在环境的影响。

“除此之外，我们还发现，气候变化也影响着南极磷虾种群的规模。”邵长伟指出。

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。

“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。”邵长伟介绍。

不过，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。

南极磷虾作为整个南极食物链的重要一环，其基因组的破译十分重要。

中国工程院院士、黄海水产研究所名誉所长唐启升认为：“该研究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、深度参与极地渔业国际治理具有重大意义。”

冰川之下  别有洞天

南极磷虾生命力顽强，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。

简言之，当食物不够的时候，南极磷虾能长出更小的壳来“瘦身”并减少对食物的需求。那么，它是如何做到的呢？

邵长伟表示，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。

南极磷虾为什么能适应南极的极昼极夜环境呢？

为了探究这个问题，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。

“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。”范广益饶有兴致的介绍，“基因组的破译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。”