为啥一生要蜕皮50多次? 青岛解开基围虾的秘密

2019-01-28 08:53:24来源:青岛晚报

原标题:青岛解开 基围虾的秘密

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研究人员在实验室工作。王伟 摄凡纳滨对虾。

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基因技术的出现让人类的生物学研究视野延伸到了微观领域。

1996年是基因学初展峥嵘的时候,全球学术界野心勃勃,宣布将启动大马哈鱼、罗非鱼、鲶鱼、牡蛎、对虾这5种水产动物基因组测序工程。时隔23年,前四种水产生物的基因组测序工作都已完成,而对虾的基因组“天书”却始终未被打开过。 1月21日,中科院海洋研究所相建海和李富花研究组宣布:“我们破译了凡纳滨对虾基因组。 ”历时十年,他们跑在日本、美国、澳大利亚、泰国等国同样想破解对虾基因组的那些研究团队前面,向全球水产基因学界交上了答卷。

名词解释

凡纳滨对虾

凡纳滨对虾又称南美白对虾,别名白脚虾、凡纳对虾,原产国家厄瓜多尔,原产地中南美太平洋海岸水域,生长在热带、亚热带、暖温带、温带海域,分布于太平洋西海岸至墨西哥湾中部,生命周期一年。凡纳滨对虾是当前世界上养殖产量最高的三大优良品种之一 (其它两种为斑节对虾、中国对虾),它具有生长快、抗病能力强,养殖经济效益显著等特点。凡纳滨对虾于1988年引入我国后迅速遍及全国。从2001年以来,我国养殖南美白对虾面积和产量一直居于对虾养殖的首位,其养殖量已达到我国对虾养殖量的70%以上,同时也已成为世界上养殖规模最大产量最高的对虾品种。

海水养殖凡纳滨对虾在尝味和质地两个方面得分明显高于淡水养殖凡纳滨对虾,海水养殖凡纳滨对虾在鲜味、甜味、土腥味、咀嚼性、硬度、弹性和凝聚性几个方面与淡水养殖凡纳滨对虾差异显著。

“跑赢”发达国家研究团队

海洋所对虾基因组测序工作从2009年开始,整整十年时间。对虾的基因组测序是学界的一大难题,这个堡垒为何如此难以攻克?李富花研究员告诉记者,对虾基因组测序是全球多国科研团队在 “赛跑”,“互相之间都知道对方在做这个研究,但是具体的研究进度是不清楚的,据我所知,美国、澳大利亚、日本、泰国都有研究团队在做对虾的基因组测序。 ”这项工作他们用了十年时间去完成,之所以需要这么长时间,就是因为凡纳滨对虾的基因组与鱼类等水产动物相比复杂得多。研究组成员张小军研究员介绍,对虾基因组测序难度主要有两个:一是基因组碱基数量大,大约有24亿对,约是人体的2/3,基因组测序的信息量很大。另外,对虾基因组有很多重复简单序列,是目前已测基因组物种中含量最高的。 “这就跟拼图一样,重复的片段太多,看起来都是一样的,你很难去决定重复片段应该放在哪个准确的位置,所以很难拼接。这也是一直以来的破译难点之一。 ”

张小军告诉记者,一代和二代的基因测序技术都无法破译对虾的基因组,后来随着技术的不断进步,以及团队对基因组测试序列后组装策略的改进,才最终成功破译。

反应最快的动物原来是对虾

对虾为什么一生要蜕皮50多次?对虾的视觉系统有什么特点使它们能在幽暗的底栖环境中生存?对虾的反应速度是章鱼的十倍?这些关于对虾的秘密全部藏在基因组图谱中。

“虾只有蜕皮才能生长,而蜕皮后正是虾最脆弱的时候,可能会被天敌吃掉,也可能有病菌感染,但实际上它们都很好地生存下来。 ”通过基因组破译,研究人员发现对虾有一套完整的蜕皮调控系统,包括激素如何去调控等,而且它的相关基因也发生了明显扩张,调控蜕皮的这些相关基因。另外,对虾拥有非常发达的视觉系统和神经系统,以适应底栖环境。对虾有一对眼柄连接的能自由活动的复眼,每只复眼包含约5.5——8万个小眼,具有非常广的视角。比较基因组学分析发现,对虾基因组上感应长波长的基因发生了明显的扩张,可能与其底栖暗环境适应有关。 “我们以前一直以为章鱼的神经传导速度最快,但是通过我们的基因组分析,对虾才是最快的。 ”张小军说,章鱼的神经传导速度是20米/秒,而对虾的神经传导速度达200米/秒,刷新纪录成为了目前已报道物种中反应速度最快的生物。可以说,凡纳滨对虾基因组的成功破译,为很多科学问题的解析与发展提供了基因学层面的依据。

据介绍,本研究还对22个野生和养殖的凡纳滨对虾个体进行了重测序,获得了大量的SNP分子标记,为对虾的遗传育种工作提供了宝贵的资源。此外,通过选择纯化分析,研究人员还找到了对虾基因组上14个受选择的区域和28个受选择的基因,它们可能与对虾养殖环境适应有关。对虾基因组的发表为甲壳动物底栖适应和蜕皮等研究提供了重要的理论基础和数据支撑,同时也为对虾基因组育种和分子改良工作提供了重要的基础平台。

开展全基因组育种工作

凡纳滨对虾俗称南美白对虾,青岛人也称之为“基围虾”。记者探访市场获悉,养殖基围虾也是目前水产市场销量最大的品种。数据统计,作为四大养殖虾类之首,南美白对虾年产量超过400万吨,具有非常重要的经济价值。凡纳滨对虾不仅能够在海水中养殖,还可以在淡水中养殖,比如新疆、青海等地,内陆地区的人们也可以吃到活虾,因此养殖产量和市场需求一直位居水产养殖业的前列。2016年,全球对虾养殖产值约为320亿美元,凡纳滨对虾占80%左右,中国占世界产量1/4。然而,由于种质资源匮乏,我国每年需从南美引进大量种虾,每对种虾价格高达100美元,而我国每年种虾进口量在20-30万对间。不仅价格昂贵,亲虾依赖进口也带来了一系列问题。例如,进口亲虾价格连年增长,导致整个行业的养殖成本逐年提高;一旦进口亲虾断供国内市场,会影响下游整个育苗、养殖、加工产业。

“最重要的问题是,我们的需求量这么大,如果对方技术封锁,不出口给你了怎么办? ”李富花研究员说,只有我们自己掌握了相关的育种技术,才能根本解决这个问题。目前,受限于没有良好的参考基因组,对虾分子遗传育种工作进展一直相对缓慢。 “遗传选育是养殖业的基础和源头。中国要在世界对虾养殖产业占领一席之地,从跟跑到并跑再到领跑,就要建立自己的育种技术,摆脱国外种业的制约。并严格控制群虾的来源,建立溯源体系,推进遗传技术的升级换代,推动全基因育种技术,提高选育效果。 ”中科院海洋研究所研究员相建海说。该研究团队从2002年开始进行遗传育种工作,已培育了2个凡纳滨对虾新品种,在国内的推广效果非常明显。基因组的破译将有助于遗传育种工作更加精准,他们将挑选抗病性强的优良品种进行繁育。目前,该团队正在开展全基因组育种工作,将建立分子育种技术平台,针对不同的养殖环境培育不同的新品种,未来自主培育新品种的比例将会越来越高。青岛晚报/掌上青岛/青网 记者 王伟

 

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