陳松林 ，徐文騰 ，陳張帆

（1.中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島266071；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室海洋漁業(yè)科學與食物產(chǎn)出過程功能實驗室， 山東青島266237）

一、前言

極地的生存環(huán)境極端惡劣，氣候酷寒干燥，食物資源稀缺，每年長達數(shù)月的極晝極夜使得生物節(jié)律難以保持，新陳代謝被打亂。極地動物是如何在這種環(huán)境下生存？哪些基因幫助它們調(diào)節(jié)、適應極端寒冷和高鹽等環(huán)境，海中魚類如何抗凍？極地陸上動物如何保暖？這些都是極為有趣的科學問題。然而，長久以來極地以其寒冷的生存環(huán)境嚴重制約了生命科學領域的研究，近年來隨著極地勘測和樣品獲取技術的飛速發(fā)展，極地動物生命科學領域的研究也取得了長足進步。揭秘極地動物，特別是漁業(yè)動物的基因組結構，發(fā)掘功能基因，探究極地動物適應寒冷環(huán)境的分子機制，不僅具有重要的科學意義，而且還有重大的應用價值和潛力。

二、極地動物基因資源研究與應用現(xiàn)狀

（一）極地動物基因組研究現(xiàn)狀

1.極地動物基因組研究處于起步階段

據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2018年9 月，已進行基因組測序的動物種類有380 余種，發(fā)表論文385 篇（見圖1（a）），而現(xiàn)今只有13 種極地動物的基因組發(fā)表在12 篇文章上，比例不足3%（見表1）。當然，這與極地動物樣品獲取困難、基因組研究起步較晚有關。

表1 已完成基因組測序的極地動物

如圖1 所示， 我們可以看到動物基因組研究始于1998年。以2010年為節(jié)點，文章發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)明顯增加趨勢，而在2011年大西洋鱈魚才是第一個完成基因組測序的極地動物[1]（見圖1（b））。此外，極地動物資源并不像想象中的那么匱乏，盡管極地動物中哺乳動物的種類有限，但魚類的種類可達數(shù)百種。因此，相對極地動物的多樣性而言，基因組的相關研究存在明顯的滯后。

2.國外研究機構在極地基因組研究工作中占據(jù)主導地位

除了企鵝以及近期南極美露鱈的基因組文章由我國科學家領銜完成，其他10 篇極地動物基因組文章的第一單位均來自國外：北極紅點鮭、白鯨（加拿大2 種）、南極蠓、北極熊（美國2 種）、大西洋鱈魚、大西洋鮭魚（挪威2 種）、革首南極魚、扁嘴副帶腭魚、南極橈足類、小須鯨（韓國4 種），見表1。其中大多數(shù)是位于北美或北歐的研究機構，這與他們的地理優(yōu)勢以及長期以來對極地的重視密切相關。然而值得注意的是，韓國已經(jīng)對革首南極魚、扁嘴副帶腭魚、南極橈足類、小須鯨4 個物種進行了基因組測序，成為完成極地動物基因組測序最多的國家（極地動物基因組工作的國別歸屬均以第一完成單位所在國家為準）。

（二）極地動物轉錄組的研究進展和現(xiàn)狀

極地動物具有獨特的生物學現(xiàn)象和性狀，如抗凍魚的抗凍性狀及其缺少血紅細胞、北極露脊鯨的長壽和不患癌癥等。轉錄組是研究基因表達的重要工具，開展轉錄組分析，挖掘功能基因，為產(chǎn)業(yè)化利用提供基因資源，具有重要意義和應用潛力。據(jù)不完全統(tǒng)計，人們已對31 種極地動物進行了轉錄組測序，其中北極物種有8 個、南極物種有23 個。自2008年起，相關文章陸續(xù)發(fā)表；2013年文章發(fā)表數(shù)量明顯增多，2015年達到小高峰。此類研究大多在北美和歐洲機構中展開，英美發(fā)表文章占45%，2012年以來，韓國的研究成果增長顯著（見圖2）。

圖1 動物基因組發(fā)表文章數(shù)量（a）和極地動物基因組發(fā)表文章數(shù)量（b）

1.生物對環(huán)境適應性的轉錄組研究

極地以其極端環(huán)境引起人們對生物在極端環(huán)境下生存機理的研究興趣。研究主要集中在低溫適應、干燥脅迫、海水酸化、海洋變暖等方面。從植物（如南極嗜寒衣藻[13]）、無脊椎動物（如南極線蟲[14]、南極水蚤[15]）到魚類（如博氏南冰鰧[16]、南極美露鱈[17]、獨角雪冰魚[18]、裸身雅南極魚[19]），學者們對轉錄組進行了測序、組裝，對信號通路進行分析，研究這些物種對冷環(huán)境適應的分子機理。

Cocca 等[20]通過cDNA 文庫等手段，發(fā)現(xiàn)南極冰魚發(fā)生了血紅蛋白基因的丟失，導致血液呈現(xiàn)純白色；隨后研究發(fā)現(xiàn)在其中的6 個物種中肌紅蛋白基因也跟著丟失，使得心臟等器官也呈現(xiàn)白色；血紅蛋白基因丟失使得冰魚對氧氣的運輸能力只有10%，可通過皮膚呼吸和心臟變大彌補這種缺失[21]。Xu 等[22]通過轉錄組分析進一步揭示冰魚通過血紅蛋白基因丟失適應低溫的分子機制。

Shin 等[23]通過對革首南極魚、頭帶冰魚、南極多線魚這3 種南極魚與生活在溫帶氣候的魚類的轉錄組比較后發(fā)現(xiàn)，南極魚類的泛素結合蛋白表達量較高，而這類蛋白對寒冷環(huán)境下魚體內(nèi)蛋白保持活性狀態(tài)起重要作用。

Bilyk 等[16]發(fā)現(xiàn)泛素蛋白連接酶活性和蛋白泛素化等途徑相關的基因對博氏南冰鰧在寒冷環(huán)境中的生存起到了重要作用。Coppe 等[24]發(fā)現(xiàn)獨角雪冰魚在線粒體生物合成和有氧呼吸過程中，魚體一直保持著基因復制和較高的線粒體密度，這或許是獨角雪冰魚在寒冷環(huán)境并缺乏氧運輸?shù)鞍椎那闆r下，調(diào)節(jié)自身產(chǎn)能方式和效率，以適應外界環(huán)境的一種方式。

圖2 2008—2018年極地動物轉錄組發(fā)表文章數(shù)量（a）和發(fā)表的國家統(tǒng)計（b）

全球氣候變化使人們對兩極動植物的生存問題產(chǎn)生更多關注。海水酸化、氣溫升高是學者研究的熱點。Clark 等[25]發(fā)現(xiàn)，在南極磷蝦轉錄組中熱激蛋白（Hsp70、Hsp90）、鐵蛋白、谷胱甘肽S 轉移酶（GST）的表達量較高，可能在磷蝦適應環(huán)境變化中起重要作用。Meyer 等[26]通過轉錄組測序研究了CO2含量變化對磷蝦的影響以及磷蝦對環(huán)境變化的適應性。Buckley 等 [27]報道了環(huán)境溫度升高過程中伯氏肩孔南極魚的轉錄水平上的變化，發(fā)現(xiàn)熱激蛋白表達量并未有差異，而其他與細胞應激反應相關的基因表達量上調(diào)，說明在全球變暖下伯氏肩孔南極魚對環(huán)境的適應性較差。Huth 等[28]則報道了伯氏肩孔南極魚在海水酸化和氣溫升高的脅迫下，參與代謝轉移、DNA 損傷修復、免疫系統(tǒng)、細胞凋亡通路的活躍性、細胞分化調(diào)控等途徑的基因表達量均較高。

2.生物對污染物應激反應的轉錄組研究

Andersen 等[29]研究表明，原油污染會造成成纖維細胞生長因子基因（FGF7）的表達量大幅上調(diào)，對膽汁富集毒素魚體的肝臟保護起到重要作用，因此FGF7可作為生物體內(nèi)監(jiān)控原油泄漏的標志。Kang 等[30]對污染物處理的南極隱須鉤蝦進行了轉錄組測序，篩選到658 個基因可作為潛在的多氯化聯(lián)苯污染標志基因、168 個基因為潛在的全氟辛烷磺酸污染標志基因、367 個基因為全氟辛酸污染標志基因。Rhee 等[31]以北極綠海膽為材料，研究了多氯聯(lián)苯對生物體的影響。發(fā)現(xiàn)在使用多氯聯(lián)苯處理北極綠海膽48 h 后，其11 個基因的表達量大幅上調(diào)，因此這些基因或許可以作為標志物，用于環(huán)境中多氯聯(lián)苯的檢測和環(huán)境毒理學研究。

3.生物發(fā)育階段或不同組織的轉錄組分析

極地生物的生長發(fā)育也是學者們關注的重點。自Pitta 等[32] 于2008年首次報道了磷蝦不同組織的轉錄組數(shù)據(jù)后，Seear 等[33]篩選出磷蝦蛻殼過程中的26 個差異表達基因，分別參與幾丁質(zhì)合成、分化和吸收。海蛇尾的斷肢可以再生，而南極海蛇尾的斷肢再生速度是最慢的。Burns 等[34]通過對南極海蛇尾轉錄組的分析，發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin 信號通路、同源盒基因（Hox）及SRY 盒-SOX 基因家族、TGF-β信號轉導通路可能在其斷肢再生過程中發(fā)揮重要作用。Gudbrandsson 等[35]對不同群體的北極紅點鮭的四個胚胎發(fā)育階段進行轉錄組分析，發(fā)現(xiàn)若干生物途徑的基因在胚胎發(fā)育過程中的表達量有差異，而能量代謝和血液凝結相關基因在不同群體的鮭魚中差異表達；單核苷酸多態(tài)性（SNP）頻率分析表明，不同群體的鮭魚之間存在大范圍遺傳分化。Magnanou 等 [36]對北極紅點鮭不同組織的轉錄組進行測序，分析了神經(jīng)內(nèi)分泌、代謝、行為等關鍵生物學途徑。

4.極地動物功能基因的研究現(xiàn)狀

通過同源克隆、基因組和轉錄組測序，獲得一些極地動物的功能基因。據(jù)不完全統(tǒng)計，涉及到30 多個物種，其中20 多個是魚類；同時涉及20 多個生命過程或功能（見表2）[37～50]。

表2 已研究的功能基因（不完全統(tǒng)計）

極地地區(qū)的一些魚類具有合成抗凍蛋白的能力，以適應極地的低溫生活條件。在斷線真狼綿鳚基因中，共發(fā)現(xiàn)抗凍蛋白III 型有7 個不同的變體，翻譯成5 個不同的蛋白亞型；亞型的分化是正向選擇的結果，說明抗凍蛋白的多樣性對生物體抗低溫有重要作用[37]。南極多線魚和南極鱈魚中的抗凍蛋白IV 型基因序列相似度達94%，進化分析顯示這個基因在硬骨魚中廣泛存在，并且內(nèi)含子區(qū)域高度保守。兩個重組蛋白中均結出星型冰晶，且冰晶的溫度在0.08 ℃，證明了重組蛋白具有抗凍活性。

熱休克蛋白（HSPs）是一類廣泛存在的熱應激蛋白，當生物體處于高溫暴露時，就會由熱激發(fā)合成此種蛋白，以保護自身。在10 ℃的環(huán)境下，南極帽貝HSP70 表達量可以顯著增高，表明HSP70在南極帽貝調(diào)節(jié)適應環(huán)境溫度的過程中起到了重要作用[44]。在伯氏肩孔南極魚、博氏南冰鰧、斷線真狼綿鳚這3 種南極魚中，HSC71 和HSP70 的表達量隨低溫處理時間增加而變化。研究表明，在低溫環(huán)境下，蛋白會發(fā)生冷變性或折疊錯誤，導致分子伴侶熱擊蛋白的表達量升高，從而幫助生物體在低溫環(huán)境下生存[45]。

三、問題與挑戰(zhàn)

（一）極地動物基因組解析工作處于起步階段

受限于樣品的獲取技術，目前只有13 種極地動物完成了全基因組測序，占已進行基因組測序并發(fā)表文章的動物種類（380 余種）的3%。相比而言，極地動物基因組測序開展的規(guī)模小、種類少，這與極地相對豐富的動物資源相比遠遠不夠。而且已測序的極地動物中也主要以魚類為主（6 種），還有許多極地動物（如大西洋庸鰈、南極磷蝦）的基因組圖譜尚未見報道。因此，極地動物基因組研究有著極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（二）極地動物轉錄組測序缺乏系統(tǒng)性

據(jù)不完全統(tǒng)計，進行轉錄組測序的極地動物達31 種，但由于樣品獲取和保存技術等因素的限制，轉錄組方面的研究比較零散，難以系統(tǒng)支撐極地生物特殊性狀的遺傳解析工作。因此，對同一物種的樣品采集進行細化以及對其他極地物種展開批量化轉錄組研究，是規(guī)?；l(fā)掘極地動物基因資源的關鍵，也是進行極地動物特殊性狀解析的基礎。

（三）功能基因的研究不夠深入

目前在多種極地動物中初步開展了一些功能基因的研究，但研究手段較單一，主要以描述性分析為主（如克隆基因序列、表達模式分析等），加之模擬極地生存環(huán)境難度較大，很難開發(fā)出極地模式生物進行研究，也沒有相應細胞系等研究材料。這導致在極地動物中缺乏相應的基因功能分析平臺，難以對基因功能進行驗證和深入研究。

（四）極地動物表觀遺傳研究有待開展

表觀遺傳在動物適應外界環(huán)境和溫度變化中起著重要作用，而極地的寒冷氣候對極地動物表型影響的表觀遺傳調(diào)控機制研究目前尚未見報道，亟待開展。

（五）極地動物基因應用很少

由于極地動物基因在獲取、鑒定和功能分析方面的限制，加上缺少極地動物基因工程產(chǎn)品的研制，迄今極地動物功能基因的應用還很薄弱，基因工程產(chǎn)品亟待研發(fā)。

四、 極地動物基因資源發(fā)掘與應用研究的技術需求

（一）系統(tǒng)開展極地動物組學研究，針對極地漁業(yè)生物特殊性狀展開遺傳解析

系統(tǒng)開展極地動物組學研究，研發(fā)極地動物樣品獲取和保存技術。加大以極地漁業(yè)動物為主的基因組測序研究，有針對性地選取對極端環(huán)境適應等具有特殊意義的極地動物展開組學研究，為開展極地動物適應性機制和全球環(huán)境變化影響等研究提供理論依據(jù)。

（二）構建極地動物基因功能研究平臺，對特有基因功能進行深入研究

進行極地動物特殊性狀的遺傳解析，篩選關鍵的功能基因，建立極地動物細胞系，探索極地動物的實驗室養(yǎng)殖技術，開發(fā)極地漁業(yè)模式動物，為極地漁業(yè)動物基因功能驗證分析提供技術保障。

（三）開展極地動物適應極地生存環(huán)境的機制解析

極地動物特殊的適應性為研究環(huán)境與基因互作最終形成特定表型提供了理想材料。在極地動物中開展表觀遺傳學研究，有助于分析極地極寒環(huán)境對極地動物基因表達的調(diào)控機制。極地魚類一般生長代謝緩慢、生命周期長，但是也有一些魚類生長速度不亞于常溫下的魚類。例如大西洋庸鰈，作為冷水性魚類，耐低溫能力強，生長速度快，2年內(nèi)可從0.25 kg 長到2.5 kg。對大西洋庸鰈的全基因組測序和精細圖譜繪制，有助于解析大西洋庸鰈生長代謝的分子機制，可為其他鲆鰈魚類和海水魚類的養(yǎng)殖提供創(chuàng)新思路和基因資源。

（四）加強極地動物基因工程產(chǎn)品研發(fā)和應用研究

基因組研究的最終目的就是開發(fā)出能夠應用的基因，研制基因工程產(chǎn)品。以抗凍蛋白為例，已廣泛應用于食品添加劑、作物抗寒等領域，但現(xiàn)在的主要來源是提取天然抗凍蛋白，產(chǎn)量受到極大限制；而通過基因工程技術則可以規(guī)?；a(chǎn)抗凍蛋白，實現(xiàn)抗凍蛋白在細胞和組織冷凍保存、食品、醫(yī)藥、化妝品等領域的產(chǎn)業(yè)化應用。此外，開展南極魚類低溫酶基因工程產(chǎn)品的研發(fā)，開發(fā)其作為洗衣粉添加劑、消毒劑的應用途徑也具有重要意義和應用前景。

五、對策建議

（一）發(fā)展目標（2025年和2035年）

到2025年，完成5～10 種極地魚類和南極磷蝦等重要極地漁業(yè)生物的全基因組測序，揭示重要極地漁業(yè)動物適應特殊生存環(huán)境的分子機制；在模式魚類或魚類細胞系中通過基因編輯技術對極地魚類候選基因的功能進行驗證；探索適于極地動物暫養(yǎng)的實驗室條件，為建立極地動物功能驗證平臺提供支撐。

到2035年，建立較為完善的極地動物基因資源發(fā)掘平臺，完成20 種以上極地漁業(yè)動物基因組解析；完成3～5 個極地漁業(yè)動物特殊性狀的遺傳解析計劃，鑒定一批在極地生存環(huán)境適應過程中的關鍵基因；完善極地動物細胞系建立技術；實現(xiàn)極地動物的實驗室暫養(yǎng)和長期培養(yǎng)，應用于功能基因的深入研究；挑選合適的候選基因，研發(fā)1～2 種極地漁業(yè)動物的基因工程產(chǎn)品，進行成果轉化和產(chǎn)業(yè)應用。

（二）重點任務

1.極地漁業(yè)動物特殊性狀的遺傳解析

加強對極地重要漁業(yè)動物基因組和轉錄組研究，增加測序的物種種類，有針對性地對特殊性狀展開遺傳解析；開展極地漁業(yè)動物表觀遺傳學及其調(diào)控動物適應寒冷機制的研究；作為對生態(tài)系統(tǒng)和產(chǎn)物資源都具有戰(zhàn)略意義的物種，南極磷蝦和大西洋庸鰈等極地漁業(yè)動物基因組的精細圖譜值得開展系統(tǒng)、細致的繪制。

2.極地動物特有基因的功能驗證

深入挖掘和分析極地動物的基因組和轉錄組，篩選極地動物特有基因（或進化出特殊功能的基因）；在模式魚類或魚類細胞系中，利用基因編輯技術、過表達技術、轉基因技術，對基因功能進行驗證和研究；探索極地動物的實驗室培養(yǎng)條件，建立極地動物基因功能研究平臺。

3.極地漁業(yè)動物基因工程產(chǎn)品的研發(fā)和應用

在極地動物抗寒、抗病、抗癌、快速生長、長壽等方面，針對已驗證功能的基因，通過基因工程技術獲得抗凍蛋白、低溫酶、快速生長等基因工程產(chǎn)物，探索其在食品、醫(yī)藥、日用、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領域的應用潛力，實現(xiàn)基因資源的成果轉化和利用，為這些領域實現(xiàn)增值提效提供基因資源和產(chǎn)品。

（三）重大科技工程建議

建議設立極地漁業(yè)生物基因資源發(fā)掘與應用的國家重點研發(fā)計劃專項，重點支持如下方向：①極地魚類和南極磷蝦等極地重要漁業(yè)動物全基因組測序及精細圖譜繪制；②極地漁業(yè)動物特殊性狀的遺傳解析；③極地漁業(yè)動物細胞培養(yǎng)與細胞系建立；④極地漁業(yè)動物基因工程產(chǎn)品研發(fā)與應用。