点击显示 收起
9月20日，由中国科学院海洋研究所联合华大基因、美国新泽西州立大学等多家单位完成的牡蛎对潮间带逆境适应机制的研究成果，由《自然》（Nature）杂志以长篇论文（Article）形式在线发表。
该研究利用新一代测序技术和全新的组装策略，构建了牡蛎全基因组序列图谱，证实了牡蛎基因组序列具有极高的多态性、较高比例的重复序列和活跃的转座子。结合转录组、蛋白谱等最新组学技术，研究人员发现一系列与牡蛎抗逆能力相关的基因发生明显扩张，这可能是牡蛎适应潮间带逆境适应的主要分子基础。研究还揭示了在逆境适应中发挥重要作用的贝壳的复杂形成机制。
此成果的发表，标志着基于短序列的复杂基因组拼接和组装技术获得重大突破，在国际上填补了牡蛎为代表的冠轮动物基因组和海洋生物潮间带逆境适应机制研究的空白，这也是我国海洋生物及水产经济生物相关研究成果以研究论文形式第一次登上Nature杂志。
牡蛎隶属于动物界第二大门-软体动物门，拥有厚重的钙化贝壳，营固着、滤食性生活，对维护近海与河口生态系统的稳定发挥着重要的调控作用。牡蛎为世界性分布，是潮间带极端生境的代表种。牡蛎也是养殖产量最大的海洋动物，为重要的海洋蛋白源，与人类生活和健康息息相关，中国的牡蛎产量占全世界的3/4。重要的生态意义、重大的经济价值和独到的生物学特性使牡蛎成为海洋生物学研究的重点，且逐渐发展成为海洋生物逆境适应机制研究的模式种。而牡蛎基因组学研究，对于进一步理解以牡蛎为代表的潮间带海洋生物进化历程，对于探索在海洋酸化日益严重的情况下海洋生物对逆境的适应机制，对于认识海洋基因资源利用潜力都有重要科学价值。
牡蛎生活在环境高度多变的潮间带，其环境温度、盐度在不同潮位、季节变化非常大，而牡蛎一般附着在浅海物体和礁石上，不能够通过主动移动来逃避不利环境的影响，所以必须有一套遗传机制使其对温度、盐度、露空、重金属和海区常见病原等具有很强的抵抗力。研究人员结合基因组和转录组信息，发现一系列与牡蛎强抗逆能力相关的基因发生了明显扩张，比如热激蛋白70基因（heat shock protein 70，HSP70）的数目高达88个，接近海葵等其它各类代表物种均值的5倍，这很可能是牡蛎能够在潮间带高达49 ℃甚至更高的温度下仍能维持细胞内稳态平衡，从而保持生存的主要原因。凋亡抑制蛋白基因（inhibitors of apoptosis proteins，IAP）的数目为48个，接近海葵等其它各类物种均值的9倍，这表明牡蛎可能具有复杂的抗凋亡系统，从而使其能够在离水露空等复杂多变的环境下长期生存。在外壳生物矿化形成机制的研究中，研究人员发现多种不同的蛋白参与了贝壳复杂的组装和修饰，其中涉及血细胞及外来体的参与，并且大部分贝壳蛋白是非分泌性蛋白，这表明贝壳的生物矿化机制远比当前人们的认识要复杂得多。
由中国科学院海洋研究所和深圳华大基因研究院领导的一个国际研究小组完成了对太平洋牡蛎（Pacific oyster）的测序、组装与分析，这是第一个测序的软体动物基因组，将有助于填补我们对于种类丰富而较少研究的软体动物家族的了解空白。这一研究在线发布在9月19日的《自然》（Nature）杂志上，揭示了牡蛎对高压环境的独特适应以及贝壳形成的复杂机制。
中国工程院院士、中国著名贝类学科学家张福绥(Fusui Zhang)教授说：“该成果是在国际贝类学研究中的一项重大突破，在贝类学和海洋生物学领域取得的重要研究进展。这项研究将为研究软体动物和其他海洋物种的生物学和遗传改良提供宝贵的资源。”
牡蛎是一种具有双开合贝壳的软体无脊椎动物，双开合贝壳是许多水生生态系统的重要组成部分。牡蛎呈全球分布，相比于所有其他的淡水或海洋生物多年来具有更高的年产量。除经济和生态重要性，牡蛎独特的生物学特性使得它成为了研究海洋适应的一个重要模型，引发了大量的生物学和基因组学研究。全面测序牡蛎基因组为了解如环境压力适应和贝壳形成等自然机制，更好地探索海洋基因资源等等提供了一个新视角。
不同于许多的哺乳动物和社会性昆虫，牡蛎以及许多其他的海洋无脊椎动物已知是高度多态性的，基于当前的策略进行从头组装是一个挑战。在这项研究中，研究人员采用短读（short reads）结合“分而治之”的fosmid合并策略测序并组装了太平洋牡蛎基因组。这是深圳华大基因研究院开发的一种新方法，可用于研究具有高水平杂合性和/或重复序列的基因组。经过数据处理，组装牡蛎基因组大约为559Mb，总共有大约28,000个基因。
基于基因组和转录组分析结果，研究人员发现了广泛的一组基因使得牡蛎能够适应和应对环境压力，如温度变化和盐度改变，空气接触和重金属等。例如，热休克蛋白70(HSP 70)的扩增或许有助于解释太平洋牡蛎能够耐受高温的原因，这是因为当处于高温时HSP家族发生了扩增和高表达。凋亡抑制蛋白(IAPs)扩增以及其他的研究发现表明存在强有力的抗凋亡系统，有可能对于牡蛎空气暴露和其他压力的惊人耐受力至关重要。一项关于发育的重要发现是牡蛎的Hox基因簇被破坏，并有不同寻常的基因损失，以及TALE和PRD类扩增。Hox是必不可少的，在机体发育布局（body plan）中起至关重要的作用，在许多生物体中发现的Hox基因簇更为保守。
研究人员发现旁系同源基因有可能发挥功能改变了基因表达更好地应对压力。这一结果表明重复防御相关基因的扩增和选择性保留有可能对于牡蛎的适应极其重要。此外，许多免疫相关基因高度表达于牡蛎的消化腺中，表明它的消化系统是对抗滤食动物病原体的重要一线防御器官。在如牡蛎等固着海洋动物中贝壳提供了强有力的保护防止捕食和脱水。
当前对于软体动物贝壳形成提出了两种模式，但两种都不够准确。在这项研究中，通过测序贝壳中的肽类，研究人员鉴别了259种贝壳蛋白，进一步的分析揭示贝壳形成是一个远比原来认为的要复杂得多的过程。他们发现许多不同的蛋白如Laminin和一些胶原在贝壳中高表达，表明贝壳基质与动物的结缔组织和基底膜的ECM具有相似性。如它们在ECM中一样，血细胞有可能调控了贝壳基质中纤连蛋白（FN）样的纤丝形成。此外，蛋白质功能的多样性表明细胞和外来体有可能参与了贝壳形成。
深圳华大基因研究院该项目的主要负责人方晓东（Xiaodong Fang）说：“牡蛎基因组的这种组装方法为研究人员更好地破译具有高度杂合性和高度多态性的基因组开辟了一条新途径。牡蛎基因组在全基因组水平上为全面地了解软体动物基因组或甚至冠轮动物（Lophotrochozoa）基因组提供了新认识，并将焦点放在了对多样性、进化适应机制、发育生物学和基因组学辅助育种等研究上。”
（生物通：何嫱）
