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

科技日?qǐng)?bào)  2010 年 7 月 30 日　星期 五

廖洋 建高


  
　　牡蠣基因組計(jì)劃（OGP）團(tuán)隊(duì)成員在深圳華大基因研究院討論項(xiàng)目

　　近日，牡蠣基因組計(jì)劃（Oyster Genome Project，OGP）項(xiàng)目組宣布，歷時(shí)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(lèi)的全基因組序列圖譜，標(biāo)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(dá)到國(guó)際領(lǐng)先的基因組圖譜標(biāo)準(zhǔn)。

　　水產(chǎn)養(yǎng)殖研究進(jìn)入基因組時(shí)代！

　　根據(jù)資料顯示，2007年全國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量已達(dá)到3490萬(wàn)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(wàn)噸，占到我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的41%。我國(guó)海水養(yǎng)殖產(chǎn)量75%以上是貝類(lèi)，而牡蠣作為貝類(lèi)的“模式種”，一直受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。

　　鑒于國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略和現(xiàn)代生物學(xué)科的發(fā)展需求、牡蠣優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及其潛在的基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值，2008年5月，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員張國(guó)范博士和美國(guó)新澤西州立大學(xué)教授郭希明博士聯(lián)合發(fā)起了牡蠣基因組計(jì)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(guó)科學(xué)院海洋研究所為核心的國(guó)際牡蠣基因組研究團(tuán)隊(duì)。牡蠣基因組計(jì)劃在國(guó)家科技部和大連獐子島漁業(yè)集團(tuán)股份有限公司的大力支持下完成。

　　牡蠣——貝類(lèi)的“模式種”

　　牡蠣俗稱(chēng)海蠣子、蠔等,隸屬軟體動(dòng)物門(mén)，雙殼綱，珍珠貝目，是世界上第一大養(yǎng)殖貝類(lèi),是人類(lèi)可利用的重要的海洋生物資源之一，為全球性分布種類(lèi)。除了可為人類(lèi)食用外，牡蠣也是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要成員，對(duì)內(nèi)灣和近海水域藻華的調(diào)控具有重要作用。牡蠣在動(dòng)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(dòng)物的代表。作為海洋養(yǎng)殖年產(chǎn)量最大的動(dòng)物類(lèi)群，世界牡蠣年產(chǎn)量約為400多萬(wàn)噸。由于其分布廣、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值高，牡蠣受到廣泛的關(guān)注，是研究最為充分的貝類(lèi)，是貝類(lèi)的“模式種”。

　　中國(guó)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(guó)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(jìn)行高值化開(kāi)發(fā)利用，為人類(lèi)提供理想的海洋食品及海洋藥物”“如何以細(xì)胞工程、基因工程和酶工程為手段進(jìn)一步加強(qiáng)海洋生物技術(shù)的應(yīng)用”“如何開(kāi)發(fā)海洋生物基因工程藥物和細(xì)胞工程藥物等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展”等問(wèn)題，對(duì)推動(dòng)我國(guó)海洋產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　一個(gè)物種基因組計(jì)劃的完成，就意味著這一物種學(xué)科和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新開(kāi)端。

　　基因是一種有限的戰(zhàn)略性資源。因此，開(kāi)發(fā)基因資源已成為發(fā)達(dá)國(guó)家之間激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一?；蚬こ萄芯康幕救蝿?wù)是開(kāi)發(fā)人們有特殊需要的基因產(chǎn)物，這樣的基因統(tǒng)稱(chēng)為目的基因。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展以及DNA內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遺傳機(jī)制的秘密一點(diǎn)一點(diǎn)呈現(xiàn)在人們眼前，生物學(xué)家不再僅僅滿(mǎn)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(yù)生物的遺傳特性?！耙粋€(gè)物種基因組計(jì)劃的完成，就意味著這一物種學(xué)科和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新開(kāi)端”。經(jīng)過(guò)多年奮斗，中國(guó)已是基因組研究的大國(guó)，華大基因作為人類(lèi)基因組計(jì)劃中國(guó)部分（1％）的主要完成者，先后獨(dú)立完成了水稻、家蠶、家雞等重要經(jīng)濟(jì)種類(lèi)的基因組測(cè)序，并成為中國(guó)在國(guó)際基因組學(xué)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(lán)色的海洋意味著博大、深邃，同樣也意味著未知。

　　隨著人類(lèi)和模式生物基因組計(jì)劃的實(shí)施，世界各國(guó)已經(jīng)瞄準(zhǔn)了這片神秘的蔚藍(lán)，瞄準(zhǔn)了海洋生物基因資源。對(duì)于基因組測(cè)序來(lái)講，牡蠣是一個(gè)全新的物種，沒(méi)有相近物種的參考序列。牡蠣基因組測(cè)序選取的研究對(duì)象是染色體數(shù)目較少（2n=20）、基因組較?。s為800M）的長(zhǎng)牡蠣，這是目前測(cè)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(xiàng)目組研究人員面前。測(cè)序利用的是4代近交純化個(gè)體，理論上能降低60%以上的雜合度，但其雜合度之高還是項(xiàng)目組始料未及的。考慮到大熊貓基因組也是基于短序列高通量測(cè)序技術(shù)完成，而且牡蠣基因組遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，曾計(jì)劃借鑒大熊貓的測(cè)序和拼接策略，但是，在具體實(shí)施過(guò)程中，項(xiàng)目組發(fā)現(xiàn)牡蠣基因組的高雜合度導(dǎo)致僅僅依靠大熊貓的測(cè)序策略根本不能完成拼接工作，這使得項(xiàng)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(xué)基礎(chǔ)

　　牡蠣基因組由8億個(gè)堿基對(duì)組成，大約包含2萬(wàn)個(gè)基因。從初步分析來(lái)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(yàn)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(gè)基因組中所占的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類(lèi)。這為解釋牡蠣含鋅量高的特點(diǎn)提供了基因組水平的線(xiàn)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(xí)性，使其能夠更好的為人類(lèi)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(huì)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(guò)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(jì)有效的藥物，誘導(dǎo)牡蠣幼蟲(chóng)跳過(guò)附著過(guò)程，直接發(fā)生變態(tài)而成為單體牡蠣，這個(gè)問(wèn)題便迎刃而解。該問(wèn)題的解決，將極大地造益于我們的經(jīng)濟(jì)和國(guó)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(guò)10米的范圍內(nèi)。牡蠣還是抗逆性最強(qiáng)的水生動(dòng)物之一，2億年來(lái)潮間帶多變的環(huán)境練就了牡蠣對(duì)溫度、鹽度、露空和海區(qū)常見(jiàn)病原極強(qiáng)的抵抗能力，在落潮露出水面時(shí)，能夠耐受夏天酷熱干燥的天氣，同時(shí)也能夠成功適應(yīng)冬天冰凍天氣，在離水露空條件下可存活1—2周，甚至1個(gè)月的時(shí)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(jī)制，這些生物學(xué)特性在研究物種抗逆機(jī)理方面具有極高價(jià)值。

　　作為軟體動(dòng)物門(mén)的典型物種，在生物進(jìn)化的大樹(shù)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)比天上的飛鳥(niǎo)，陸地的爬蟲(chóng)和徜徉海底漂亮的熱帶魚(yú)類(lèi)低等得多，但為什么牡蠣卻能適應(yīng)復(fù)雜多變的潮間帶生活環(huán)境呢？

　　雖然沒(méi)有進(jìn)化出高等動(dòng)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(lèi)繁多，數(shù)量擴(kuò)張的模式識(shí)別受體能夠針對(duì)不同病原的保守位點(diǎn)做出準(zhǔn)確的反應(yīng)并通過(guò)信號(hào)級(jí)聯(lián)放大對(duì)效應(yīng)分子進(jìn)行總動(dòng)員，進(jìn)而將病原擋在門(mén)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(duì)溫度、鹽度和氧氣濃度的廣譜耐受性。另一方面，有些牡蠣對(duì)病原和重金屬有較強(qiáng)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(lèi)食用后便會(huì)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(cè)序給廣大科研工作者提供了一個(gè)從基因組水平上解析牡蠣免疫防御機(jī)制的平臺(tái)，為人類(lèi)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(xué)問(wèn)題。在自然群體中，大多數(shù)牡蠣個(gè)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(gè)個(gè)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(jī)制是最令世界各國(guó)科學(xué)家感興趣的課題之一，已有研究發(fā)現(xiàn)這可能和某個(gè)主效基因有關(guān)，雄性個(gè)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(gè)基因提供有力線(xiàn)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(shí)別有關(guān)，借助基因組數(shù)據(jù)對(duì)Bindin的種內(nèi)和種間多態(tài)性和卵膜受體進(jìn)行深入研究，可以闡明不同牡蠣生殖隔離的作用機(jī)制。

　　牡蠣有如此令人稱(chēng)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(guò)全基因組序列測(cè)定和分析或許可以為科研工作者深入探索這個(gè)科學(xué)問(wèn)題提供線(xiàn)索。

　　隨著牡蠣基因組的進(jìn)一步注釋?zhuān)Y(jié)合牡蠣轉(zhuǎn)錄組、小RNA、表觀遺傳學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)的研究，使科研工作者可以建立一個(gè)窗口，“從內(nèi)向外”地觀察牡蠣的各種生物學(xué)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(xué)特性，研究雜種優(yōu)勢(shì)、物種分化和性別決定、高突變率及高遺傳負(fù)荷、附著變態(tài)等組學(xué)機(jī)制，搭建基因組育種理論研究和技術(shù)平臺(tái)，提升貝類(lèi)和海洋基因組學(xué)研究水平，促進(jìn)貝類(lèi)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)健康和可持續(xù)發(fā)展。　

　　牡蠣全基因組序列圖譜的繪制完成，將有力的推進(jìn)基因組應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

　　李寧院士指出，“未來(lái)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(lài)于表型性狀進(jìn)行定向選擇。這種育種方式為人類(lèi)提供了大量食物，是當(dāng)前育種的最常規(guī)途徑。但常規(guī)育種存在著周期長(zhǎng)、準(zhǔn)確性低、材料維護(hù)困難等問(wèn)題，這些問(wèn)題是一直困擾著育種學(xué)家的難題，且常規(guī)育種難以滿(mǎn)足未來(lái)差異化市場(chǎng)發(fā)展的需求。全基因組序列圖譜的繪制完成，將使這些問(wèn)題得到有效的解決。   

　　政企研結(jié)合  共推基因組計(jì)劃發(fā)展

　　牡蠣基因組計(jì)劃瞄準(zhǔn)海洋生物領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，具有前瞻性、創(chuàng)新性和重要的現(xiàn)實(shí)意義，是一個(gè)系統(tǒng)的科學(xué)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(guò)程中，國(guó)際牡蠣基因組研究團(tuán)隊(duì)得到了科技部、中國(guó)科學(xué)院和獐子島漁業(yè)集團(tuán)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(tuán)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(yùn)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(tuán)一直致力于科技創(chuàng)新，倡導(dǎo)并實(shí)踐了“政府+科研機(jī)構(gòu)+公司”的合作模式，與中國(guó)科學(xué)院海洋研究所建立了長(zhǎng)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(cè)序的完成開(kāi)啟了海洋貝類(lèi)基因資源發(fā)掘之門(mén)，對(duì)產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。獐子島漁業(yè)集團(tuán)有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，在發(fā)展的過(guò)程中，集團(tuán)深刻認(rèn)識(shí)到科技對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大推動(dòng)作用和基因資源對(duì)于產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要性。獐子島漁業(yè)集團(tuán)重資支持牡蠣基因組的研究，是集團(tuán)從國(guó)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(tuán)對(duì)牡蠣基因組計(jì)劃的后續(xù)研究與未來(lái)的產(chǎn)品研發(fā)充滿(mǎn)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(jì)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(zhuān)家的關(guān)心與指點(diǎn)，得到了大連獐子島漁業(yè)集團(tuán)吳厚剛董事長(zhǎng)和王詩(shī)歡總經(jīng)理的熱心支持。

　　“基因”引領(lǐng)未來(lái)

　　基因資源是國(guó)家戰(zhàn)略資源。當(dāng)前各國(guó)在生物產(chǎn)業(yè)鏈方面的意識(shí)空前提高，通過(guò)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(duì)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(dòng)科學(xué)家對(duì)以牡蠣為代表的貝類(lèi)乃至其它水產(chǎn)動(dòng)物，特別是海產(chǎn)無(wú)脊椎動(dòng)物基因資源的有效開(kāi)發(fā)和深度利用研究。

　　隨著水產(chǎn)基因組時(shí)代的到來(lái)，我國(guó)的科研工作者在對(duì)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(xué)研究，對(duì)基因組進(jìn)行深度解析，了解牡蠣等貝類(lèi)基因組結(jié)構(gòu)和功能特征。二是批量發(fā)掘生長(zhǎng)、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(kāi)展貝類(lèi)生物學(xué)基礎(chǔ)研究提供基因資源。三是對(duì)重要經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行基因解析，篩選和驗(yàn)證生長(zhǎng)、發(fā)育、抗性等關(guān)鍵基因，研究其作用機(jī)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(jì)育種的理論和方法，分析基因、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境的反應(yīng)，建立G-P鏈接模型和數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)生長(zhǎng)和抗性性狀的復(fù)合/聚合技術(shù)，構(gòu)建模擬育種技術(shù)平臺(tái)。五是開(kāi)發(fā)編碼具特殊營(yíng)養(yǎng)或應(yīng)用價(jià)值的多肽和蛋白基因，篩選水產(chǎn)動(dòng)物特有的具有自主知識(shí)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(kāi)發(fā)新型海洋藥物奠定基礎(chǔ)。

guomin

謝謝分享，學(xué)習(xí)嘍