半岛全媒体记者 刘金震 刘恺琦
半岛记者5月9日从中国海洋大学了解到,该校团队在对一只虾夷扇贝的科学研究中,原本计划培育高产、抗逆的扇贝新品种,中途却有了意外收获,经过五年努力在国际上首次完成了扇贝基因组精细图谱绘制。论文近日在国际生态与进化领域权威期刊《自然》子刊上发表,并将为了解动物早期起源和演化机制提供关键线索。
扇贝近乎完美地保留了双侧对称动物祖先的染色体核型。
首绘高质量扇贝基因图谱
中国海洋大学的包振民教授带领其团队在国际上发起了扇贝基因组计划,领导完成了首张高质量扇贝全基因组精细图谱绘制。记者联系团队成员之一的王师教授时,他也是刚刚结束了一天的忙碌,但说起扇贝基因组精细图谱,整个人的精神头一下子又提了起来。王师教授告诉记者,为培育高产、抗逆的扇贝新品种,需要破解扇贝的遗传密码,解析扇贝的基因组,从2012年开始我们启动了这一工作,与其他团队破解海蛎子的基因组密码一样,我们开始的主攻方向重点关注与高产、抗逆相关的基因信息,但随着研究的深入,扇贝也许蕴藏着解开动物早期起源和演化机制的重要线索。
王师教授说,测序的这只扇贝属于虾夷扇贝,是我国从日本引种的一种高经济价值的养殖扇贝,市面上很常见。“扇贝的基因组杂合度很高,非常复杂,组装其基因组精细图很困难,为解决这一难题,我们制定了新的基因组组装策略,选择了一只雌雄同体扇贝,它可以同时产生卵子和精子,自体受精完成繁衍生息,如此降低了基因组的杂合度,就可以使基因组组装的精确度更高。”
课题研究意外发现新方向
“我们以往关注虾夷扇贝的经济价值,却一定程度上忽略了其他方面的研究价值。”王师告诉记者,现今地球上的动物99%的物种隶属双侧对称动物,进化学家推测这些双侧对称动物可能起源于一个古老的共同祖先。但由于早期动物在地层中的化石记录匮乏,长期以来人们对双侧对称动物的起源和进化机制存有较多争议。在地球生物演化进程中,曾出现过几次被称为“生命大爆发”的时期,即在短时间大量物种出现,最著名的如寒武纪生命大爆发,达尔文进化论对此现象一直难以解释。他们在对扇贝基因组深入研究的过程中意外地发现,虾夷扇贝的基因组比其他贝类的更保守,进一步与已经完成测序的其他动物比较似乎也更古老。贝类在距今5亿年前的早寒武纪就已出现,他们敏锐地感觉到扇贝可为研究双侧动物进化提供难得的基因组模型,通过重构推断双侧对称动物祖先的基因组特征,可为理解动物早期起源和进化机制提供关键线索。
这对于团队而言无疑是重大发现,经过进一步地研究和确定之后,包振民教授团队果断地决定调整研究方向,在保留一部分研究人员继续开展经济性状的基因组分析外,充实调整力量一头扎进动物早期起源和进化的研究领域,生命演化是生物学研究领域的历史悠久学科,也是科学界关注的热点学科,宏观进化研究需要涉及生物界主要的分类单元和关键物种,这一工作无疑是巨大的,参入这一项目的国内外研究人员先后有50多人。
对国际主流假说提出挑战
“物种是从古老基因进化而来的,扇贝的基因组有可能揭示物种起源。”王师教授说,生命研究领域对生命演化的争论一直存在,有专家提出以化石作为研究基础,但现实中的化石资源非常匮乏,许多重要环节化石的短缺使争议不断,因此从动物基因组分析了解生命演化过程也是进化研究方向之一,“我们的研究就是从基因的角度入手推断动物的起源。”
团队在研究中发现,扇贝的基因组19对染色体在宏观性上与推测得到的两体侧动物共同祖先的基因组连锁群具有非常完好的对应性,所以扇贝的基因组可称为“化石基因组”。扇贝控制躯体模式发育的Hox基因簇呈“分段共线性”表达模式,与目前普遍认为完整Hox基因簇遵循“完全时空共线性”表达模式不同。深入研究揭示“分段共线性”表达模式在低等动物普遍存在,是一种独特、古老的躯体模式决定机制,为理解寒武纪动物躯体模式多样化的起源和进化机制提供了新视野。扇贝具有数十至上百的眼睛,结构上属于镜眼类型。他们发现扇贝眼睛拥有不同寻常的多套光传导通路系统,其眼睛发生由pax2/5/8基因而非pax6基因主导,对目前国际主流的眼睛单源起源假说(pax6控制)提出了挑战,为动物体侧眼独立于头眼起源进化的新假说提供关键证据。据悉,这些重要发现将贝类在动物进化研究领域提升到一个新地位,拓展和加深了当前学术界对双侧对称动物的早期起源和演化机制的认识。
研究工作获国家自然科学基金、国家863计划、海洋国家实验室“鳌山人才”等项目资助,獐子岛集团股份有限公司也为项目的顺利完成提供资金和材料的大力支持。王师教授介绍,新成果除对动物起源和进化研究提供参考,其实对于扇贝品质的改良、快速成长也将有所裨益。
[编辑: 张珍珍]
