科普 | 食营养贫瘠水母 翻车鱼何以长出巨躯

来源:中国海洋网   发布时间:2017-09-13 09:32:50 

海洋占地球面积的70%以上,但迄今人类对深海的认知远不如对浩瀚苍穹的认识。破解海洋奥秘,有助于了解地球生命的起源。近日由深圳华大生命科学研究院、深圳国家基因库等单位在青岛主办的首届国际海洋基因组学大会上,来自世界各地的海洋研究领域专家共同探讨海洋基因组学领域的科研发展、产业应用、前沿探索研究等话题,海洋生物进化、深海微生物研究等成为专家关注的重点。

  深海里的微生物或许是地球早期物种的典型代表,海洋生物的进化有助于了解陆地四足动物的起源,大会上学术大咖的演讲表明海洋物种与人类从生命源头紧密相连。记者从会上获悉,华大基因拟在未来3~5年的时间里测序上千种海洋物种,拟构建海洋鱼类演化树,以探寻海洋生物的进化起源。

世界上最大的硬骨鱼——翻车鱼。文、图/广州日报全媒体记者鲍文娟

  深海微生物:古菌不靠阳光的生存之道

  海洋平均深度是3800米,其中深海区约占海洋面积的84%。高压、幽暗、寒冷,过去人们总认为大洋深处是生命的禁区,但越来越多的观察和研究证明,在环境生存恶劣的深海生长着众多海底生物,且种种迹象暗示海底热液口可能是地球早期生命起源与演化的重要场所。

  9月7、8两日举行的海洋基因组会议以“海洋基因组学”为主题,持续两天的会议上,专家学者就海洋脊椎动物、海洋无脊椎动物、海洋微生物等专题进行了深入的交流与探讨。但海洋特性决定了深海探索的困难,从国际海底环境样品中,分离、培养、获得国际海底极端生物及其基因资源,是国内外至今未完全突破的世界性技术难题。

  “万物生长靠太阳,例如海洋中的细菌就是靠吃光合作用产生的有机化合物生存的。但是古菌却相反,在海水深100米以下,古菌开始增多。它不靠光生存,而是靠吃无机化合物氨。”国家“千人计划”特聘教授、南方科技大学海洋与工程系讲座教授张传伦举例说“我们现在可以通过基因测序了解其整个基因组并进行分析,有助于研究其实如何利用非常少的氨离子生存在极端环境下进行生存的,这为认识早期生命的起源打开了一扇新的窗户。”

  在学术研讨会上,美国伍兹霍尔海洋研究所微生物生态与生理实验室的Stefan Sievert教授介绍了深海热液口微生物的群落结构、多样性和功能特征研究的最新进展。他介绍,具备高压、高温以及低氧等特征的深海热液口,仍有无机化能自养微生物的身影,这类微生物通过氧化无机化合物获得能量,可能是地球早期物种的典型代表,作为整个食物链的基础在海洋以及其他生态系统中起着重要作用。

  而就应用来说,有研究表明,特殊环境里成长起来的深海微生物能产生一些新结构化合物,具有新活性,从而具有新的药用价值。“目前适合人类找到新抗生素的环境极少,只有在人类污染不到的极端环境下才可能找到新的抗生素,或通过新的代谢产物产生新的药物。所以从药物开发的角度来说,也要到深海去寻找。”张传伦说:“这些都是深海微生物的魅力所在,也是吸引世界各国科学家争相‘深潜’的一个重要原因。”

  抹香鲸:基因组序列组装效果良好

 

基因组学研究有助于抹香鲸这类濒危物种的保护。广州日报全媒体记者轩慧摄

  “海洋基因组学研究,目前最重要的是搭建好技术平台,进一步降低测序成本及优化分析流程,以对更多的海洋物种进行基因组测序。”华大基因研究院执行副院长刘心在接受记者采访时表示,预计3~5年内华大基因将至少测序上千种海洋物种。

  对海洋生物的关注,也有助于了解陆地动物的起源。中国西北工业大学生态与环境科学研究中心王文教授在会上分享了对海洋动物进化的见解,解读了环状体动物发育过程中的基因组重新排列机制以及如何通过海洋生物的进化来了解陆地四足动物的起源。

  在对海洋生物基因组序列的测序中,研究人员已经取得了进展,也解码了它们基因中的部分奥秘。来自深圳国家基因库和新加坡A*STAR研究所的研究人员去年首次破译了世界上最大的硬骨鱼——翻车鱼的基因组。令人惊诧的是,这种鱼主要食物来源是营养贫瘠的水母,它却可以以大约每天1公斤的惊人速率生长,可长成2.7米长,2.3吨重的巨型体形。华大基因的研究人员表示,一些和生长激素信号通路相关的基因在翻车鱼里面发生快速进化,这也许可以解释翻车鱼如此巨大的体形和快速的生长速率。

  当然其中有许多有趣的问题等待科学家去揭秘。“例如斗鱼,非常好斗。那研究人员也有兴趣从基因组学的角度来研究为何其具备这个行为。” 刘心说。海洋物种基因组计划也有助于濒危物种的保护。他告诉记者,对之前搁浅在大亚湾的抹香鲸生物样本已完成了基因组测序,这也是国内首个抹香鲸样本。刘心说,目前基因组序列组装效果良好。

  “海洋物种的多样性决定了可用、可发现的资源多。海洋有许多特殊环境,海洋深海压力很大,那些海洋生物是如何在深海中生存的。人类搜集到相关资源,并进行基因组研究,对于将来为人类利用海洋发展起到关键作用。”刘心说。

  “这需要分门别类地进行,例如海洋中的微生物、鱼类、植物以及哺乳动物等,还会针对海沟等特殊环境下的海洋生物进行测序分析。”刘心说。除了测序技术的改进,对海洋生物进行基因组测序的另一大难点是样本获取的难度较大,这需要与国内外的相关机构进行合作。

  半滑舌鳎:雌性比雄性大2~4倍

 

  基因组学也有助于传统水产鱼类的育种辅助。“可基于研究基础,来判断性状在基因组上的位置,使得序列信息的选择更准确且更有目的性,有助于进行品种的鉴定。”刘心说。

  此外,水产类经济作物的基因测序是其中一个重点。 记者了解到,仅是水产动物,华大基因目前已相继完成了弹涂鱼、金线鲃、金龙鱼、大黄鱼、中华绒螯蟹、斑点叉尾鮰等十余种重要水产动物基因组图谱。

  中国水产科学研究院黄海水产研究所研究员陈松林在大会上介绍了对国际上第一种比目鱼类——半滑舌鳎全基因组解析情况,这也是陈松林牵头、联合深圳华大基因研究院和德国Wuerzburg大学经过4年多的联合攻关完成的项目。

  半滑舌鳎的雌性比雄性大2~4倍,是目前发现的雌雄生长差异最大的鱼类之一。为什么雄鱼长不大?是否存在雄性决定基因?雄鱼比例为何还高达80%?这都是研究人员目前在研究的问题。专家通过雌雄鱼基因组序列比对,发现了性别连锁微卫星标记,采用这个标记发现半滑舌鳎养殖苗种中存在少数遗传上雌性、表型上雄性的伪雄鱼。

  他们通过全基因组甲基化分析发现伪雄鱼后代继承了伪雄鱼的甲基化模式,揭示了性逆转的表观遗传调控机制,阐明了养殖苗种中雄鱼比例高的奥秘和形成机制;进一步发现dmrt1基因是半滑舌鳎Z染色体连锁、精巢特异表达的雄性决定基因;建立了半滑舌鳎基因组编辑技术,采用该技术将雄性决定基因敲除后提高了雄鱼的生长速率,接近雌鱼的大小。

  而对于海洋生物的基因组学研究来能用于环境保护。“赤潮就是海洋生物的爆发。我们目前有一个研究时从基因组学角度研究赤潮产生的机制以及如何发展。”刘心表示:“目前拟在中国近海绘制一个环境基线图,从微生物的角度用基因手段来监控,这也有助于了解目前近海的环境情况。如果未来能开发源于海洋微生物的抑藻基因,建立与赤潮生消有关的专门的微生物资源库, 将会使我们对赤潮前后海洋微生态系统平衡的建立、污染水体的自净等研究有极大的助益。”


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