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【青岛日报】用基因讲述对虾一生的“故事”
2019-01-24   海洋研究所 【

——中科院海洋所破译对虾基因组“密码”,获国际首个对虾基因组参考图谱 

李富花在实验室展示研究用的凡纳滨对虾

凡纳滨对虾 

  青岛日报记者 郑文斌

  对虾生活在海底,是怎么接收光线的?为什么对虾每次都“活蹦乱跳”?对虾为什么一生要经历50次蜕皮?这些问题都能通过基因组图谱来解密。

  日前,由中科院海洋研究所相建海和李富花研究组主导,与国内外多家单位共同合作,历时十年成功破译了凡纳滨对虾基因组“密码”,获得了世界上首个且高质量的对虾基因组参考图谱,研究成果1月21日在《自然》杂志子刊《自然通讯》在线发表,该成果为实现南美白对虾全基因组育种打下坚实基础。

  白对虾产量全球第一,优质苗种繁育却迫在眉睫

  “全球南美白对虾总产量在400万吨左右,占到虾类养殖产量的80%以上,国内养殖产量占全球四分之一多。”中科院海洋所研究员李富花告诉记者,南美白对虾因其适应性强、经济价值高,从上世纪90年代左右起在我国大规模、大面积推广养殖,是目前市场上居民购买最多的虾类水产品之一。但就是这样一种和百姓餐桌息息相关的水产品,由于其苗种主要依靠每年从国外引进,产业发展十分受限。据了解,从国外引进亲虾,苗种质量不稳定,经济代价还十分高昂。

  “进口一对种虾需要100美元左右,每年在进口种虾上中国要花费近3000万美元,而且进口种虾难以保证品质,同时还容易受到国外限制,在国内培育优质对虾种苗迫在眉睫。”李富花说。记者在网上查阅相关资料,发现近年来我国南美白对虾产量数据波动较大,相关专家分析原因是受病害增多,其中苗种质量良莠不齐是关键问题,已然成为限制我国南美白对虾养殖端的命门。

  “要实现亲虾的‘中国制造’,必须破译对虾的基因组,这是实现全基因组育种的前提和基础。”中科院海洋所研究员张晓军是该文章的第一作者,他向记者解释了全基因组育种的必要性:传统的育种方法问题十分明显,南美白对虾生长周期短,容易近亲繁殖,种质退化现象十分严重,养殖风险始终居高不下。相比之下,全基因组育种可以筛选对虾个体优势,培育最适合养殖的对虾品种。“比如这个抗病性好,那个成长速度快,把这些优质基因筛选出来,实现‘定制’最适合养殖、经济产量最高的对虾品种。当然,前提是掌握对虾基因组参考图谱。”

  获国际首个对虾“图谱”,亲虾“中国造”提上日程

  采访前一天,赴京参加完科技部2018“蓝色粮仓”专项项目推进会的李富花刚刚返青。她告诉记者,此次由海洋所牵头的“重要养殖虾蟹类良种创制与健康苗种繁育”项目用到了他们的研究成果,亲虾“中国造”提上日程。

  “2009年左右,我们开启对凡纳滨对虾的基因组测序研究,历时十年才有了如今的成果,研发过程殊为不易。”说起研发,张晓军坦言其中过程的艰辛,可谓“十年磨一剑”。“对虾基因组是世界上公认的高复杂基因组,1996年国际上开始启动5种水产动物的基因组测序工作,大马哈鱼、罗非鱼、鲶鱼、牡蛎这四种陆续成功实现测序,但对虾的测序迟迟未能解决。”

  张晓军说,人类基因组大概有30亿对碱基,而对虾的基因组碱基数量只有人的三分之二,以目前的技术水平,几天时间就能实现测试一个人的基因组。为什么实现对虾的基因组测序更难呢?“对虾的基因组组成十分复杂,简单重复的串联序列占到对虾基因组的23.93%以上,是目前已测基因组物种中含量最高的,因此获取大片段的基因组十分困难,也难以拼成整个对虾的基因组参考图谱。”张晓军形象地将这个过程比作拼图,当你拿到几块形状、大小不一的“拼图碎片”,往哪里拼接才算正确就成了难题。

  “我们尝试了一代到三代的各种测序平台以及各种组装软件,屡败屡战。2014年团队引进第三代测序仪器后,研究瓶颈得到突破,最终完成了凡纳滨对虾的全基因组测序和组装。”张晓军告诉记者,这也是国际上首个且高质量的对虾基因组参考图谱,研究成果在《自然》杂志子刊《自然通讯》在线发表后立即有很多下载量。“很多国家都在研究对虾的基因组测序,近年来成果寥寥无几,这次成果的发表受到了业内极大关注。”

  对虾一生大解密,养殖将更有针对性

  研究组通过研究发现,对虾物种的大量特异性基因和大量串联重复基因存在,和对虾科的特异性进化有密切联系。

  对虾生活在海底,是怎么接收光线的?为什么对虾每次都“活蹦乱跳”?对虾为什么一生要经历约50次蜕皮?这些问题都能通过基因组图谱来解密。李富花举例,通过研究发现,对虾拥有非常发达的视觉系统和神经系统,对虾有一对连接眼柄能自由活动的复眼,每只复眼包含约5.5—8万个小眼,具有非常广的视角,能够识别出许多人类看不见的颜色及不同波长的光线。

  “我们发现对虾感受长波长的基因达到了42个,是人类的好几倍,这可能是对虾适应底栖生活产生的基因改变。”李富花说,非常有意思的现象还有对虾的神经传导速度非常快,达到每秒200米,即使神经系统发达的章鱼速度也不及其十分之一,这和大量与神经信号传导相关的基因发生扩张密不可分。

  “蜕皮是蜕皮动物的典型特征,对虾一生经历约50次蜕皮,远多于昆虫。通过比较发现,对虾拥有一条强化的蜕皮信号调控通路,该通路上大量基因都发生了扩张,还有多个基因受到正选择作用。”李富花说,这些基因都在讲述对虾一生的“故事”,掌握这些特性,养殖对虾将更有针对性。

  “利用分子标记辅助选育、全基因组关联育种和分子设计育种等新技术,意味着今后选育新品种的过程将大大缩短。未来,不同品种的对虾将满足多元化的市场需求。”“南美白对虾在内陆也能养殖,只是不能进行淡水繁殖,在口味上海水虾比淡水虾口感更紧实、甘甜。南美白对虾离水存活时间长、可以长途运输等特点,都使其得到了消费者喜爱,未来必将更加丰富百姓的餐桌。”李富花的讲述,为我们展示了“蓝色粮仓”造福百姓的瑰丽愿景。

  南美白对虾小档案

  学名:凡纳滨对虾,是三大养殖对虾中单产量最高的虾种。

  身长:成体最长可达24厘米,甲壳较薄,正常体色为浅青灰色,全身不具斑纹,步足常呈白垩状,故也有白肢虾之称。

  特点:白天一般静伏池底,入暮后则活动频繁,属杂食性,具有适应性强、生长速度快、抗病能力强等三大特点,幼苗经100多天的培养即可长成成体,可生活在海水、咸淡水和淡水中,因此在我国南方、北方,淡水、海水均有养殖。

  肉质:在口味上海水养殖的南美白对虾比淡水虾口感更紧实、甘甜,对水环境因子变化适应能力较强,具有对饲料蛋白含量要求低、出肉率高达65%以上、离水存活时间长等优点,是集约化高产养殖的优良品种

 
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