世界上產(chǎn)量最大的海水養(yǎng)殖動物牡蠣全基因組序列圖譜繪制完成

牧童

世界上產(chǎn)量最大的海水養(yǎng)殖動物牡蠣全基因組序列圖譜繪制完成

科技日報  2010 年 7 月 30 日　星期 五

廖洋 建高


  
　　牡蠣基因組計劃（OGP）團隊成員在深圳華大基因研究院討論項目

　　近日，牡蠣基因組計劃（Oyster Genome Project，OGP）項目組宣布，歷時2年的牡蠣基因組序列圖譜終于繪制完成。這是世界上第一張養(yǎng)殖貝類的全基因組序列圖譜，標志著基于短序列的高雜合度基因組拼接和組裝技術(shù)獲得了重大突破。據(jù)悉，牡蠣基因組圖譜已達到國際領(lǐng)先的基因組圖譜標準。

　　水產(chǎn)養(yǎng)殖研究進入基因組時代！

　　根據(jù)資料顯示，2007年全國水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量已達到3490萬噸，占世界水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的70%，其中海水養(yǎng)殖產(chǎn)量為1384萬噸，占到我國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的41%。我國海水養(yǎng)殖產(chǎn)量75%以上是貝類，而牡蠣作為貝類的“模式種”，一直受到科學家們的廣泛關(guān)注。

　　鑒于國家海洋經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略和現(xiàn)代生物學科的發(fā)展需求、牡蠣優(yōu)越的經(jīng)濟價值及其潛在的基礎(chǔ)研究價值，2008年5月，中國科學院海洋研究所研究員張國范博士和美國新澤西州立大學教授郭希明博士聯(lián)合發(fā)起了牡蠣基因組計劃，并以深圳華大基因研究院為首選科技合作伙伴，組成了一支以中國科學院海洋研究所為核心的國際牡蠣基因組研究團隊。牡蠣基因組計劃在國家科技部和大連獐子島漁業(yè)集團股份有限公司的大力支持下完成。

　　牡蠣——貝類的“模式種”

　　牡蠣俗稱海蠣子、蠔等,隸屬軟體動物門，雙殼綱，珍珠貝目，是世界上第一大養(yǎng)殖貝類,是人類可利用的重要的海洋生物資源之一，為全球性分布種類。除了可為人類食用外，牡蠣也是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要成員，對內(nèi)灣和近海水域藻華的調(diào)控具有重要作用。牡蠣在動物系統(tǒng)演化中還具有舉足輕重的地位，是形態(tài)各異的冠輪動物的代表。作為海洋養(yǎng)殖年產(chǎn)量最大的動物類群，世界牡蠣年產(chǎn)量約為400多萬噸。由于其分布廣、經(jīng)濟和生態(tài)價值高，牡蠣受到廣泛的關(guān)注，是研究最為充分的貝類，是貝類的“模式種”。

　　中國擁有豐富的牡蠣資源，是牡蠣的故鄉(xiāng)。早在兩千多年前，中國南方沿海一些地區(qū)的居民就掌握了牡蠣養(yǎng)殖技術(shù)。隨著牡蠣養(yǎng)殖產(chǎn)量的迅速增加，解決“如何高效利用牡蠣資源進行高值化開發(fā)利用，為人類提供理想的海洋食品及海洋藥物”“如何以細胞工程、基因工程和酶工程為手段進一步加強海洋生物技術(shù)的應用”“如何開發(fā)海洋生物基因工程藥物和細胞工程藥物等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展”等問題，對推動我國海洋產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展具有極其重要的現(xiàn)實意義。

　　一個物種基因組計劃的完成，就意味著這一物種學科和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新開端。

　　基因是一種有限的戰(zhàn)略性資源。因此，開發(fā)基因資源已成為發(fā)達國家之間激烈競爭的焦點之一?；蚬こ萄芯康幕救蝿?wù)是開發(fā)人們有特殊需要的基因產(chǎn)物，這樣的基因統(tǒng)稱為目的基因。隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展以及DNA內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遺傳機制的秘密一點一點呈現(xiàn)在人們眼前，生物學家不再僅僅滿足于探索、揭示生物遺傳的秘密，而是設(shè)想在分子的水平上去干預生物的遺傳特性?！耙粋€物種基因組計劃的完成，就意味著這一物種學科和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新開端”。經(jīng)過多年奮斗，中國已是基因組研究的大國，華大基因作為人類基因組計劃中國部分（1％）的主要完成者，先后獨立完成了水稻、家蠶、家雞等重要經(jīng)濟種類的基因組測序，并成為中國在國際基因組學領(lǐng)域的代表。

　　新策略解決高雜合度基因組的序列拼接和組裝

　　蔚藍色的海洋意味著博大、深邃，同樣也意味著未知。

　　隨著人類和模式生物基因組計劃的實施，世界各國已經(jīng)瞄準了這片神秘的蔚藍，瞄準了海洋生物基因資源。對于基因組測序來講，牡蠣是一個全新的物種，沒有相近物種的參考序列。牡蠣基因組測序選取的研究對象是染色體數(shù)目較少（2n=20）、基因組較?。s為800M）的長牡蠣，這是目前測序物種中雜合度最高、拼接難度最大的物種。在研究之初，重重難題便擺在了項目組研究人員面前。測序利用的是4代近交純化個體，理論上能降低60%以上的雜合度，但其雜合度之高還是項目組始料未及的?？紤]到大熊貓基因組也是基于短序列高通量測序技術(shù)完成，而且牡蠣基因組遠遠小于大熊貓的基因組（大熊貓的基因組是2.4G，接近牡蠣基因組的3倍），牡蠣基因組項目啟動時，曾計劃借鑒大熊貓的測序和拼接策略，但是，在具體實施過程中，項目組發(fā)現(xiàn)牡蠣基因組的高雜合度導致僅僅依靠大熊貓的測序策略根本不能完成拼接工作，這使得項目曾一度停滯不前。

　　基因組數(shù)據(jù)全面提供解析牡蠣典型性狀的組學基礎(chǔ)

　　牡蠣基因組由8億個堿基對組成，大約包含2萬個基因。從初步分析來看，基因組數(shù)據(jù)支持了海洋低等生物具有高度遺傳多樣性的結(jié)論。

　　目前，已驗證的109種鋅指蛋白結(jié)構(gòu)域在牡蠣基因組中均有發(fā)現(xiàn)，并且在整個基因組中所占的比例遠遠超過人類。這為解釋牡蠣含鋅量高的特點提供了基因組水平的線索。

　　隨著牡蠣基因組數(shù)據(jù)的深入發(fā)掘，有可能為有效改變牡蠣的生活習性，使其能夠更好的為人類所利用提供更廣闊的技術(shù)思路。如，自然狀態(tài)下的牡蠣會固著在船舶和管道表面，造成船舶阻力增加、管道堵塞等，這種特性使牡蠣被列為海洋污損生物之一。通過搜尋牡蠣基因組有望能夠發(fā)現(xiàn)牡蠣附著變態(tài)調(diào)控通路中的關(guān)鍵受體，尋找經(jīng)濟有效的藥物，誘導牡蠣幼蟲跳過附著過程，直接發(fā)生變態(tài)而成為單體牡蠣，這個問題便迎刃而解。該問題的解決，將極大地造益于我們的經(jīng)濟和國防。

　　牡蠣是海洋潮起潮落中的王者。一般分布在潮間帶和潮下帶水深不超過10米的范圍內(nèi)。牡蠣還是抗逆性最強的水生動物之一，2億年來潮間帶多變的環(huán)境練就了牡蠣對溫度、鹽度、露空和海區(qū)常見病原極強的抵抗能力，在落潮露出水面時，能夠耐受夏天酷熱干燥的天氣，同時也能夠成功適應冬天冰凍天氣，在離水露空條件下可存活1—2周，甚至1個月的時間。牡蠣高超的生存能力源于其內(nèi)在的修為——完善的免疫防御機制，這些生物學特性在研究物種抗逆機理方面具有極高價值。

　　作為軟體動物門的典型物種，在生物進化的大樹上遠遠比天上的飛鳥，陸地的爬蟲和徜徉海底漂亮的熱帶魚類低等得多，但為什么牡蠣卻能適應復雜多變的潮間帶生活環(huán)境呢？

　　雖然沒有進化出高等動物那樣完善的獲得性免疫，但牡蠣將天然免疫的功效發(fā)揮到極致，種類繁多，數(shù)量擴張的模式識別受體能夠針對不同病原的保守位點做出準確的反應并通過信號級聯(lián)放大對效應分子進行總動員，進而將病原擋在門外。谷胱甘肽氧化酶、糖原磷酸化酶、金屬硫蛋白、熱激蛋白等碩大的防御相關(guān)基因數(shù)目更是確保了牡蠣對溫度、鹽度和氧氣濃度的廣譜耐受性。另一方面，有些牡蠣對病原和重金屬有較強的耐受能力，但是能夠富集這些病原和物質(zhì)，這種牡蠣被人類食用后便會引發(fā)疾病，熟為人知的諾如病毒感染性腹瀉便是由富集在牡蠣體內(nèi)的諾如病毒引起的。牡蠣基因組的測序給廣大科研工作者提供了一個從基因組水平上解析牡蠣免疫防御機制的平臺，為人類的飲食健康和食品安全提供了保障。

　　牡蠣的性別反轉(zhuǎn)是令人非常感興趣的科學問題。在自然群體中，大多數(shù)牡蠣個體屬于雌雄異體，小部分為雌雄同體，牡蠣還可以自發(fā)“變性”，同一個個體在不同年份或不同的環(huán)境條件下，表現(xiàn)出不同的性別。牡蠣的性別決定調(diào)控機制是最令世界各國科學家感興趣的課題之一，已有研究發(fā)現(xiàn)這可能和某個主效基因有關(guān)，雄性個體表現(xiàn)為異型配子形式，牡蠣基因組圖譜的完成，有望為找到這個基因提供有力線索。研究發(fā)現(xiàn)牡蠣精子結(jié)合素蛋白Bindin可能與精卵的特異性識別有關(guān)，借助基因組數(shù)據(jù)對Bindin的種內(nèi)和種間多態(tài)性和卵膜受體進行深入研究，可以闡明不同牡蠣生殖隔離的作用機制。

　　牡蠣有如此令人稱奇的生殖能力，這和牡蠣基因組的高度雜合有哪些潛在的關(guān)系，通過全基因組序列測定和分析或許可以為科研工作者深入探索這個科學問題提供線索。

　　隨著牡蠣基因組的進一步注釋，結(jié)合牡蠣轉(zhuǎn)錄組、小RNA、表觀遺傳學和系統(tǒng)生物學的研究，使科研工作者可以建立一個窗口，“從內(nèi)向外”地觀察牡蠣的各種生物學性狀及其與環(huán)境的互作，全面解析牡蠣高繁殖力、高耐受力、高雜合性等生物學特性，研究雜種優(yōu)勢、物種分化和性別決定、高突變率及高遺傳負荷、附著變態(tài)等組學機制，搭建基因組育種理論研究和技術(shù)平臺，提升貝類和海洋基因組學研究水平，促進貝類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)健康和可持續(xù)發(fā)展?！?br />
　　牡蠣全基因組序列圖譜的繪制完成，將有力的推進基因組應用技術(shù)的發(fā)展。

　　李寧院士指出，“未來農(nóng)業(yè)生物育種就將是基因組育種”。傳統(tǒng)的育種主要依賴于表型性狀進行定向選擇。這種育種方式為人類提供了大量食物，是當前育種的最常規(guī)途徑。但常規(guī)育種存在著周期長、準確性低、材料維護困難等問題，這些問題是一直困擾著育種學家的難題，且常規(guī)育種難以滿足未來差異化市場發(fā)展的需求。全基因組序列圖譜的繪制完成，將使這些問題得到有效的解決。   

　　政企研結(jié)合  共推基因組計劃發(fā)展

　　牡蠣基因組計劃瞄準海洋生物領(lǐng)域的關(guān)鍵科學和技術(shù)問題，具有前瞻性、創(chuàng)新性和重要的現(xiàn)實意義，是一個系統(tǒng)的科學工程，內(nèi)容多、任務(wù)重、投入大，需要政企研的通力合作。在牡蠣全基因組序列圖譜繪制完成的過程中，國際牡蠣基因組研究團隊得到了科技部、中國科學院和獐子島漁業(yè)集團的大力支持，是政企研合作的又一杰出成果。

　　獐子島漁業(yè)集團是一家以海水增養(yǎng)殖為主的，集海珍品育苗、增養(yǎng)殖、加工、貿(mào)易、海上運輸于一體的綜合性海洋食品企業(yè)。作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化龍頭企業(yè)，集團一直致力于科技創(chuàng)新，倡導并實踐了“政府+科研機構(gòu)+公司”的合作模式，與中國科學院海洋研究所建立了長期穩(wěn)定的戰(zhàn)略合作關(guān)系，取得了豐碩成果。

　　牡蠣基因組測序的完成開啟了海洋貝類基因資源發(fā)掘之門，對產(chǎn)業(yè)的長期可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。獐子島漁業(yè)集團有關(guān)負責人表示，在發(fā)展的過程中，集團深刻認識到科技對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大推動作用和基因資源對于產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要性。獐子島漁業(yè)集團重資支持牡蠣基因組的研究，是集團從國家需求、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高度，從自身戰(zhàn)略發(fā)展需求的角度做出的重要決定。集團對牡蠣基因組計劃的后續(xù)研究與未來的產(chǎn)品研發(fā)充滿了信心。

　　牡蠣全基因組序列圖譜的成功繪制，傾注著眾多科研工作者的共同心血。牡蠣基因組計劃得到了唐啟升院士、朱作言院士、楊煥明院士、徐洵院士、向仲懷院士、李寧院士、劉瑞玉院士、張福綏院士以及相建海研究員、王清印研究員等專家的關(guān)心與指點，得到了大連獐子島漁業(yè)集團吳厚剛董事長和王詩歡總經(jīng)理的熱心支持。

　　“基因”引領(lǐng)未來

　　基因資源是國家戰(zhàn)略資源。當前各國在生物產(chǎn)業(yè)鏈方面的意識空前提高，通過整合產(chǎn)業(yè)資源、完善產(chǎn)業(yè)鏈條、搶占產(chǎn)業(yè)上游的龍頭，以謀求對產(chǎn)業(yè)鏈的掌控和壟斷。牡蠣全基因組序列圖譜繪制的完成，將極大地推動科學家對以牡蠣為代表的貝類乃至其它水產(chǎn)動物，特別是海產(chǎn)無脊椎動物基因資源的有效開發(fā)和深度利用研究。

　　隨著水產(chǎn)基因組時代的到來，我國的科研工作者在對基因資源的深度發(fā)掘和利用方面集中突破：一是基于牡蠣全基因組序列圖譜，結(jié)合比較基因組學研究，對基因組進行深度解析，了解牡蠣等貝類基因組結(jié)構(gòu)和功能特征。二是批量發(fā)掘生長、發(fā)育、生殖、性控、貝殼形成和抗逆性等重要性狀相關(guān)功能基因,為深入開展貝類生物學基礎(chǔ)研究提供基因資源。三是對重要經(jīng)濟性狀進行基因解析，篩選和驗證生長、發(fā)育、抗性等關(guān)鍵基因，研究其作用機理和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，明確基因型與表型關(guān)聯(lián)性,為性狀改良和品種培育提供理論基礎(chǔ)。四是研究分子設(shè)計育種的理論和方法，分析基因、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境的反應，建立G-P鏈接模型和數(shù)據(jù)庫，開發(fā)生長和抗性性狀的復合/聚合技術(shù)，構(gòu)建模擬育種技術(shù)平臺。五是開發(fā)編碼具特殊營養(yǎng)或應用價值的多肽和蛋白基因，篩選水產(chǎn)動物特有的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的藥物功能基因或藥物合成相關(guān)的功能基因，為批量生產(chǎn)功能多肽和蛋白及研制開發(fā)新型海洋藥物奠定基礎(chǔ)。

guomin

謝謝分享，學習嘍