风口专访 - 青岛华大基因研究院主任科学家范广益：解码迄今最大动物基因组耗时不到三年，中国测序技术成“关键助攻”

风口财经记者 王好

今天，我们聊点有趣的新闻。新闻主角可以用一句话来形容，“小小的身体，大大的能量”。它居住在南极海域，身高3-5厘米，体重一般不超过2克，却比人类更加“高质量”，如果把它们放一起称重，比全世界人类的总重量还大。它是南极圈众多物种的“口粮”，没了它，鲸鱼、海豹、海狗、企鹅等动物就“活不下去”。

它就是地球上生物量最多的动物，被称为“海上金矿”的南极磷虾。

因为它如此独特，长期以来成为了无数科学家的“梦中情课题”。其中，对于南极磷虾基因组的研究尤其受到关注，因为这可以从根本上揭示这一物种起源的秘密。

就在最近，谜题被成功破译。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，完成了迄今为止最大动物基因组参考序列——南极磷虾基因组组装，并揭示了南极磷虾适应极端环境和群体历史演化的分子基础。3月16日，相关研究成果于国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）以封面文章的形式发表。风口财经对文章共同通讯作者、青岛华大基因研究院主任科学家范广益进行了专访，讲述南极磷虾基因组破译背后的故事。

青岛华大基因研究院主任科学家范广益

南极磷虾貌似“青岛虾皮”，抗寒耐饿还长寿

“南极磷虾的长相，有点像我们常见的‘青岛虾皮’。”范广益介绍，虽然长得像小虾，但从生物学角度来说，它并不是虾，我们常说的小龙虾、基围虾等只能算是它的远亲。准确的说，南极磷虾是一种生活在南极水域的海洋生物。

南极磷虾生物量巨大，长期以来，围绕它的科学研究和开发利用也未曾停止。但相信不少人也跟记者一样，对于这个名字仍然较为陌生。它跟我们普通人的生活有交集吗？

当然有。事实上，南极磷虾蛋白含量高达20%，被称为“人类最后的动物蛋白质来源”。“目前主要是作为鱼类饲料使用。”据介绍，由于南极磷虾体内氟化物超标，制作成人类食品必须进行工艺处理，加之捕捞运输等成本，因此尚未作为人类食物规模化生产。不过，其体内含有虾青素等活性物质，已经有被开发为南极磷虾油等保健品进入市场。

一个“冷知识”，同时也是南极磷虾不是虾的“证据”在于，相对普通虾米一到两年的寿命，它可谓十分“长寿”，大概四到六年。“因为南极磷虾生长环境恶劣，温度低，代谢相对慢，寿命也相对偏长。”

此外，南极磷虾的顽强生命力，不仅体现在能适应南极恶劣的极昼极夜环境，科学家们通过在实验室中模拟其生长环境进行研究后，还得到了一个惊人发现，在食物匮乏等极端环境下，南极磷虾可以“逆生长”，“也就是说，它会越长越小，而且不仅仅是个头缩小，已经发育出来的生物性状、性征也会小消失。”不过，范广益介绍，这并不意味着它可以“长生不老”，而只是一种应对严酷生存环境的特殊技能。

能当上生物量届的“世界第一”，当然不会只有这点技能。它的生物量为什么这么大呢，因为它一次能产六千到一万个卵。同时，南极磷虾可以说是“母胎彪悍”，从一颗卵开始，它就不需要父母照顾了，为了保护自己，它会沉到一千到两千米深的海底，待达到适合条件后，幼虫会自行破卵而出，以浮游植物为食，边长边往上浮。

南极磷虾基因强大，气候变化或是“致命宿敌”

南极磷虾的一切“绝技”，都跟基因组有关。作为一项基础科研研究，这也是此次研究的重要成果之一。

例如，南极磷虾为何能“逆生长”？研究人员发现，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。

至于南极磷虾为什么能适应南极的极昼极夜环境，研究人员对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。

“我们知道，所有生物随时随刻都在发生基因突变，对于一些有害突变，我们的肌体可以实现自我纠正和清除，而有利突变，则能够帮助生物快速响应环境变化。这就意味着，在突变率相同的情况下，只有基因组足够大，产生的突变足够多，才能足够去应对环境变化。”范广益介绍，南极磷虾拥有庞大的基因组，这帮助它可以适应南极的极端环境，对于科研团队来说，这也是南极磷虾基因组破译工作吸引力所在。

研究还发现，南极磷虾虽然拥有庞大的基因组，支撑它适应剧烈的环境变化，但也并非无坚不摧。“气候变化会对磷虾有效种群产生影响。”据介绍，在约一千万年前到两百万年前，南极磷虾的种群数量急剧减少，而那段时间正是冰期-间冰期气候剧烈波动、南大洋温度整体下降的气候变化剧烈期。

“南极磷虾作为整个南极食物链的重要一环，其基因组的破译有利于我们从分子层面更深入地了解这个重要物种以及整个南极生态系统，更有望对南极渔业和生态资源的可持续发展提供助力。”范广益表示。

解码迄今最大动物基因组耗时不到三年，中国测序技术成“关键助攻”

南极磷虾不仅生物量巨大，基因组同样是迄今为止动物基因组参考序列中最大的。虽然它的体长只有3-5厘米，但是此次研究构建的南极磷虾基因组序列约为48GB，是人类基因组的约16倍，比已发表的超大基因组非洲肺鱼和澳大利亚肺鱼还要大20%-30%。

我们可以把基因组组装，想象成拼图，基因组越大，组装挑战越大。始于上世纪90年代的人类基因组计划，六国科学家耗时13年，才完成破译。

“如果放在以前，比如人类基因组计划那个时候，做南极磷虾，可能四五十年都做不完。”范广益介绍，除了基因组庞大，研究还发现，南极磷虾重复序列含量高达92.45%，远超科学界进行过类似研究的物种，这对于组装算法来说是另一个挑战，因为要针对该物种开发独立软件，“我们从19年启动项目，基因组组装花了一年半时间，又用了半年时间深入解读数据，整个研究工作耗时不到三年。”

也就是说，南极磷虾基因组虽然是人类基因组的约16倍之大，但组装时间却较此前足足提速了四倍多。

高效的研究工作，得益于技术的突飞猛进。此次研究是由来自中国、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的高深度基因组测序、组装和分析。

值得关注的是，两大主导单位都位于青岛。对于正在建设引领型现代海洋城市的青岛来说，称得上一次海洋“人才红利”释放的集中体现。

“华大基于自主研发的高通量国产测序仪平台，为南极磷虾提供了基因测序关键技术支持。”据介绍，华大智造是全球少数几家拥有自主只是产权可量产临床级基因测序平台的公司，2019年与青岛牵手以来，在青岛布局了基于DNBSEQ测序技术的全球超大通量基因测序仪等的开发，搭建的T系列超高通量测序平台，已在全球范围内支撑多个国家20多个基因组项目。与此同时，其海洋生物基因测序能力位居全球第一，对全球贡献度达到28%。

对于海洋生物基础研究来说，样本采集是另一个关键因素。“多年以来，黄海水产研究所开展的远洋科考和渔业资源调查，为研究提供了重要的样本。”范广益表示，海洋生物基因组研究离开样本，等于无米之炊，青岛海洋科研院所集聚，有丰富的资源调查和生物学研究，能够为青岛华大基因研究院的数据解读工作提供生物学支撑，充分发挥优势互补，“我们大部分问题都可以在青岛市内获得解决，这是我们实现良性发展的重要依靠。”

3月16日，南极磷虾相关研究成果于国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）以封面文章的形式发表

南极磷虾打开南极生态研究突破口，海洋生物基因研究需更多国际交流

众所周知，基因组学属于基础科研领域，距离实际应用，仍有漫长转化之路。南极磷虾基因组破译会带来什么，下一个小目标又是什么？

“破译南极磷虾基因组，相当于给南极磷虾这一关键物种制作了一本地图，不仅有助于我们对该物种全面认知，更可以为它的上下游生物链研究提供指导。”范广益表示，如同人类基因组的破译为后续药物开发提供了大量数据资源，同理，南极磷虾基因组的破译，相当于为整个南极生态以及生物链的研究打开突破口。

当然，研究无止尽。在此次研究成果于国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）发表的同时，由全球领域内顶级科学家组成的审稿人团队也对文章提出了诸多疑问。比如，南极磷虾这么多，一共取样75只，研究有代表性吗？整个南极圈那么大，只设置了四个取样点，这就一定能代表整个南极的生态吗？

“我们接下来要做的就是尽可能去更多的点取样，让我们之前研究成果的结论更加可信，具有指导意义。”范广益表示。

此外，记者了解到，除破译全球重要海洋物种基因组，华大基因还陆续启动“万种鱼类基因组计划”“万种软体生物基因组计划”等全球首次发起的大科学计划，通过构建最全面的海洋生物数据库，已完成873个水生物种的测序和分析工作，解析海洋物种水陆转换、器官发育等重大科学问题。

“对于基因组的基础研究，不仅可以为后端应用提供数据支撑，由此进行的生命起源和物种演化探究，更是为回答‘我是谁，我从哪里来，将到哪里去’这一生命圈待解之谜的科研责任所在。”范广益坦言，全球视野来看海洋生物基因组研究，我国目前仍有不少差距，需要在深海潜器、样本采集等多个领域协同发展，同时广泛开展海洋生物领域国际交流。对于青岛来说，涉海院校、科研院所集聚，海洋人才红利优势明显的同时，也具有更上一层楼的实力，应当瞄准全球顶级海洋人才，在打造吸引人才落地发展的软环境方面有更大作为。