基因组大小达人类 16 倍，《细胞》破译迄今最大动物基因组图谱

在南极的海水下，有一群数量庞大的生物在其中不惧寒冷地生存与繁衍。它可以深入 1000-2000 米深的水域中产卵，然后新生个体又会再次浮上水面捕捉微生物为食。

另外，这群生物还严格遵循着类似果蝇，甚至哺乳动物的昼夜节律，根据光照变化，它们会在觅食和休整状态之间切换。在食物匮乏的情况下，它们 200 天不进食也不是问题，甚至为此可以从成年退回幼年体型。

这就是令许多科学家痴迷，也想要探索清楚的神奇生物——南极磷虾。

▲南极磷虾含有的基因组大小可达人类的 16 倍（图片来源：参考资料 [1]）

尽管南极磷虾有虾字，但它与真正的虾却只是远亲，像我们常说的龙虾是十足目，南极磷虾却是磷虾目。从体型上看，磷虾也是远远更小，看起来甚至只比回形针大一点，体长只有 3-5 厘米。但是，这微小的身体却蕴藏着巨大的基因组，其基因组大小约是人类的 16 倍。

如此之小的南极磷虾，为何基因组如此之大？它又是如何适应南极极昼极夜的特殊环境？最近，中国科学家参与的国际研究团队共同破解了磷虾基因组的谜团，他们完成了迄今为止最大的动物基因组图谱构建，相关研究已经发表于《细胞》杂志上。

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，构建了约 48 GB 的南极磷虾基因组序列。其中南极磷虾基因组中重复序列含量高达 92.45%，这源于其基因组重复序列的两次爆发式扩张，这也使南极磷虾成为了基因组重复序列含量最高的物种。

研究者指出，这使得南极磷虾在面临剧烈的环境变化时，基因组中有充足的遗传物质来适应体型的增加或者缩小。

结合全长转录组数据，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）在夏季和冬季显示出不同的表达水平，表明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，以适应极昼极夜的环境变化。

▲新研究构建了最大的动物基因组图谱（图片来源：参考资料 [1]）

此外，磷虾还有着 25 个显著扩张的基因家族，其中 12 个与磷虾脱壳、能量代谢相关，这也可以让磷虾在不同季节适应光照、温度和食物丰富度的变化。

而南极磷虾还有一个最大的特征就是它们巨大的生物量，它们的总重量可能达 3 亿到 5 亿吨，为鲸等生物提供了丰富的食物来源，也是南极洲海洋生态系统中不可缺少的一环。

而根据对磷虾群体的演化分析结果，研究者发现这种巨大的生物量也曾经历了波折，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，由于较冷的温度导致海冰扩张，扩大了磷虾的栖息地，南极磷虾种群大小才出现反弹，开始扩张。

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指出，新研究为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。

参考资料：

[1] The enormous repetitive Antarctic krill genome reveals environmental adaptations and population insights. Cell (2023). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.02.005

[2] 黄海水产研究所联合华大等机构破译迄今最大动物基因组图谱——南极磷虾基因组图谱. Retrieved March 3, 2023 from http://ysfri.cafs.ac.cn/info/1115/38581.htm

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