南极洲冰川上终年积雪，气候寒冷，人类难以生存；冰川之下，生物却丰富多彩，南极磷虾就是其中一员。
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被称为“海上金矿”的南极磷虾体长3-5厘米，体重一般不超过2克，是南极洲生态系统里的关键物种，也是地球上生物量最大的动物，常常被鲸鱼、海豹、海狗、企鹅等动物作为主要食物。
据新华社，中国水产科学研究院黄海水产研究所海水养殖生物育种与可持续产出全国重点实验室联合青岛华大基因研究院等机构，日前在南极磷虾超大基因组组装、极端环境适应和群体历史演化研究方面取得突破性进展。相关研究成果已于北京时间2日被国际知名学术刊物《细胞》正式在线发表。
构建迄今为止最大动物基因组
种群规模庞大的南极磷虾，是人类重要的蛋白质储存库和战略资源，在南极生态系统的物质和营养运输过程中发挥着关键作用，也是南大洋生态系统生物和功能多样性的关键物种。但由于其超大且复杂的基因组结构特征，南极磷虾的繁衍与生存之谜，一直未有明确答案。
被称为“海上金矿”的南极磷虾。中国水产科学研究院黄海水产研究所供图
此次来自中国、德国、澳大利亚、意大利等国的科研人员，在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主导下，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，最终得到了48Gb的超大动物基因组。这一数量约为人类基因组的16倍。据大众日报，这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大20%-30%。
科研人员还发现在南极磷虾进化过程中经历了两次基因组爆发式扩张。相较其他甲壳类生物，其基因组重复序列含量达92.45%，也远超科学界进行过类似研究的物种。
在进一步研究中，科研人员完善了南极磷虾生物钟的双反馈回路，发现南极磷虾已进化出由昼夜节律系统控制的身体适应和行为模式，相关基因也已为适应极地生存特殊环境奠定遗传基础。
采集自不同区域的南极磷虾样本，具有较高的遗传连通性，地理群体之间没有实质性差异。在群体历史演化的研究上，科研团队发现南极磷虾的有效种群大小先在1000万年前急剧减少、又在10万年前出现反弹扩张。前者与当时气候的剧烈波动和南大洋温度的整体下降相吻合，后者或因较冷的温度拓展了海冰面积、扩大了磷虾栖息地，进而推动种群的扩张。
“这些成果通过基因组学和群体遗传学的深入分析，为海洋生物极端环境适应机制及其群体演化的深入解析提供了新的理论参考, 为生物多样性保护及后续海洋生物群体遗传学研究提供了实质性借鉴。”中国科学院海洋研究所研究员张琳琳说。
解密南极磷虾极端环境适应性
据人民网，南极磷虾的生命力很顽强，不仅能适应南极恶劣的极昼极夜环境，还极其抗饿，能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。在本研究中，研究人员对其抗饿和对极昼极夜环境的适应性进行了研究。
结果发现，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。
另外，研究人员还对其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。这表明，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。
南极磷虾适应南极海洋环境的基因组变化。中国水产科学研究院黄海水产研究所供图
据青岛日报，当然，南极磷虾的昼夜节律系统“时长”与人类的24小时不同，而是半年。换言之，人类的生命活动以24小时为周期变动，而南极磷虾为适应极昼极夜的环境变化，昼夜节律系统长达半年。因此，在成果发布会上，有科研人员把南极磷虾的昼夜节律系统称为“大尺度昼夜节律系统”。
此外，南极磷虾还有一个显著的特点，即可以不间断地连续性蜕皮，这与其适应南极极端环境相关。科研人员在南极磷虾基因组中鉴定到25个显著扩张的基因家族，发现其中有12个与南极磷虾蜕壳或能量代谢相关。这些基因在冬、夏不同的季节中表现出了显著不同的表达水平，表明南极磷虾蜕壳和能量代谢的相关基因在遗传结构上就有先天的优势，为其适应南大洋不稳定食物供应等极地特殊环境奠定了遗传基础。
另外，研究人员还发现，气候变化影响着南极磷虾种群的规模。
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。
不过，研究团队也提到，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。
编辑|孙志成 盖源源
校对|刘思琦
每日经济新闻综合新华社、人民网、青岛日报等
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