有了这个图谱，对虾育苗不用再“摸瞎”
中科院海洋所破译对虾基因组“密码”并获国际首个对虾基因组参考图谱
青岛日报/青岛观/青报网讯 凡纳滨对虾，俗称南美白对虾，因其适应性强、经济价值高等特点，在我国南方、北方，淡水、海水均有养殖，是百姓餐桌上的重要蛋白质来源之一。中国的南美白对虾养殖业近几年来产量和规模已居世界第一位，但由于苗种主要靠国外引进，优良种质这一关键环节被国外垄断，产业发展受限严重。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的全基因组育种打下坚实基础。
▲凡纳滨对虾。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大概在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，由于其苗种主要是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，同时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，而且进口的种虾难以保证品质，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，发现近几年来我国的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。”海洋所研究员张晓军是该文章的共同第一作者，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，前提是掌握了对虾基因组参考图谱。”张晓军说。
▲李富花在实验室展示研究用的凡纳滨对虾。获国际首个对虾“图谱”，亲虾“中国造”已提上日程
记者采访的前一天，李富花刚刚在北京参加完科技部2018“蓝色粮仓”专项项目的推进会议返回青岛。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”项目正是用到了他们的研究成果，亲虾“中国造”已提上日程。
“2009年左右，我们开启了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，但对虾的测序却迟迟未能解决。”
张晓军告诉记者，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。”张晓军形象的将这个过程比作拼图，当你拿到几张形状、大小都一样的“拼图碎片”，往哪里拼接才正确就成为了难题。
“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，曾屡败屡战。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，近年来成果却寥寥无几，这次成果的发表也是受到了业内极大关注。”张晓军说。
▲对虾基因组重测序。对虾一生大“解密”，这些特征都和基因有关
对虾基因组的参考图谱发布，对于学界意义重大。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以及不同波长的光线。“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，对虾一生经过约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。”李富花已经可以看到未来“蓝色粮仓”的富裕景象。
