十年 繪一張中華鱘“生命地圖”
本網(wǎng)訊（王璐）5月22日是第24個(gè)國(guó)際生物多樣性日，今年的主題是“生物多樣性，你我共參與”。保護(hù)生物多樣性，需要匯聚每一個(gè)人的力量。今天我們?yōu)槟v述的是一個(gè)團(tuán)隊(duì)和一條魚的故事。
近期，中華鱘全基因組測(cè)序研究正式以封面論文形式登上生物信息學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊——《基因組蛋白質(zhì)組與生物信息學(xué)報(bào)》（Genomics, Proteomics & Bioinformatics，簡(jiǎn)稱GPB）。
中華鱘作為國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物、水生生物多樣性保護(hù)的旗艦物種，一直以來備受關(guān)注。鱘魚個(gè)體發(fā)育、疾病防治、精細(xì)培育和優(yōu)種選育等微觀層面的物種保護(hù)技術(shù)亟待突破。
上述論文聚焦中華鱘全基因組測(cè)序和組裝，繪制完成的首個(gè)中華鱘基因組序列圖譜堪稱中華鱘的“生命地圖”，將鱘魚保護(hù)理論和技術(shù)研究帶到更廣闊的研究領(lǐng)域，為全球生物多樣性保護(hù)貢獻(xiàn)了中國(guó)力量。
起筆：千巖萬壑路不定
2023年9月，三峽集團(tuán)所屬長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境工程研究中心對(duì)外公布，經(jīng)過十年探索，完成首個(gè)中華鱘單倍型全基因組測(cè)序和序列圖譜構(gòu)建。
中華鱘基因組組裝序列圖譜關(guān)鍵特征分布圖
這是三峽集團(tuán)中華鱘保護(hù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過四十年不懈努力，在相繼取得中華鱘人工繁育技術(shù)突破、子二代全人工繁育技術(shù)突破、中華鱘規(guī)?；庇夹g(shù)突破等成果的基礎(chǔ)上，取得的又一重要標(biāo)志性成果。
時(shí)間回到20世紀(jì)90年代，人類基因組計(jì)劃被列入20世紀(jì)三大科學(xué)計(jì)劃之一，3000名科技人員耗時(shí)13年繪制出人類的“生命地圖”，開啟向微觀生命探索的時(shí)代。隨后幾年，玉米、馬鈴薯、油菜等經(jīng)濟(jì)類作物基因組序列圖譜相繼繪制，推進(jìn)了作物遺傳育種技術(shù)發(fā)展。
正如樂手?jǐn)y音譜曲、詩(shī)人組字成章，生物學(xué)家以基因?yàn)楣ぞ?，研究生命的本質(zhì)。其中，基因組序列圖譜可被視作基因研究的“北斗導(dǎo)航”。“天上的星星參北斗”，該圖譜為諸多保護(hù)技術(shù)指明攻關(guān)方向——科研人員通過在分子水平上“按圖索驥”，將準(zhǔn)確找到目的基因序列及其功能，開展中華鱘的種質(zhì)精準(zhǔn)鑒定評(píng)價(jià)、性別標(biāo)記、疾病防治和精細(xì)培育等研究。
這是一項(xiàng)前所未有的重任。
回顧立項(xiàng)之時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人杜合軍說，當(dāng)時(shí)，國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)于八倍體生物基因組測(cè)序的理論幾乎一片空白，他們只能參考二倍體物種全基因組測(cè)序的論文，一步步“摸索著來”。二倍體生物有兩組染色體，一組染色體來自父本，另一組來自母本。而同源八倍體生物則是父母本各提供四組染色體，八組染色體間相似度很高但存在一定差異。
第一關(guān)，是樣本。
為了降低細(xì)胞中父母本染色體間差異帶來的雜合度，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過反復(fù)探索，終于實(shí)現(xiàn)卵細(xì)胞染色體翻倍，培育出世界上首批中華鱘雌核發(fā)育苗，即真正意義的“媽寶魚”。
從一粒細(xì)胞到一條大魚，其間幾多艱辛?！芭吗I著、怕熱著、怕生病，工作時(shí)守著魚池，休息時(shí)心在魚上?？偸菕炷钏鼈?，吃得多不多、游得好不好?！眻F(tuán)隊(duì)成員王彬忠回憶。
為尋找正常樣本輔助中華鱘基因組組裝，他們?cè)谝荒曛凶罾涞臅r(shí)候，套上厚乳膠褲，下到齊腰深的魚池，抓魚、安撫、體檢和取樣。寒冬臘月，水溫只有幾攝氏度，人冷得打哆嗦。
而這僅是研究的“前奏”。
最大的難題在于染色體的數(shù)量和倍性（重復(fù)程度）。如果將染色體比作由ATGC4類堿基“珠子”排成的“珠串”的話，那么每個(gè)中華鱘細(xì)胞內(nèi)，就有264條“珠串”。八倍體，意味著這264條染色體分成8組，組內(nèi)“珠子”量級(jí)上10億，排列順序看似相似，實(shí)則有差。
最終開展測(cè)序的堿基片段，來自百萬至千萬量級(jí)的細(xì)胞，基因組組裝就相當(dāng)于處理這些億級(jí)起步的碎片“珠段”，需要掃描信息、比對(duì)相似點(diǎn)、重新拼接，呈現(xiàn)原本的“串珠”排列規(guī)律。
隨著項(xiàng)目的展開，近幾年基因組組裝算法不斷優(yōu)化，但復(fù)原如此龐大而成分復(fù)雜的“碎片”，依然極具挑戰(zhàn)。
制圖：眾里尋“它”千百度
從2013年起，中華鱘研究所與曾參加人類基因組計(jì)劃的華大基因公司攜手，展開了一場(chǎng)漫長(zhǎng)的探索。
這期間，大部分工作周期是以“年”計(jì)。
2013到2015年，通過兩年的摸索調(diào)研，確定以“雌核發(fā)育中華鱘”作為DNA基因組測(cè)序的樣本?！按坪税l(fā)育中華鱘”可被稱為中華鱘的純合體，其遺傳物質(zhì)全部來自母本（卵細(xì)胞），沒有父本（精子）遺傳物質(zhì)參與，保持足夠的純凈度。事實(shí)證明，這是項(xiàng)目日后取得成功的關(guān)鍵一環(huán)。
2015到2017年，以二代測(cè)序技術(shù)為主，首次嘗試中華鱘全基因組測(cè)序組裝，積累了寶貴的信息和經(jīng)驗(yàn)。
2019到2021年，綜合二代與三代測(cè)序技術(shù)，完成首個(gè)高質(zhì)量染色體級(jí)中華鱘參考基因組序列圖譜構(gòu)建，并進(jìn)行了基因組功能注釋，即繪制出一張帶有區(qū)位注釋的“地圖”。
2022到2023年，基于中華鱘基因組序列圖譜，寫下獨(dú)屬于中華鱘的“進(jìn)化論”。
項(xiàng)目伊始，研究團(tuán)隊(duì)就明確目標(biāo)，“鉚足勁，一定啃下這個(gè)硬骨頭”。由于物種基因組的復(fù)雜性和技術(shù)發(fā)展程度的限制，困難和彎路幾乎伴隨著整個(gè)進(jìn)程。
拿拼裝來說，一條DNA片段包含上百個(gè)堿基對(duì)，重復(fù)區(qū)域使組裝變得復(fù)雜，堿基讀取錯(cuò)誤和缺失也難以剔除。為此，研究團(tuán)隊(duì)花了兩年時(shí)間優(yōu)化組裝策略，充分驗(yàn)證組裝后的基因片段連續(xù)性高、染色體的保真度好，即實(shí)現(xiàn)了這張“地圖”的精準(zhǔn)定位。
為了推進(jìn)研究，他們與合作團(tuán)隊(duì)定下周匯報(bào)、周討論制度，不斷挖掘新問題、分析新數(shù)據(jù)。團(tuán)隊(duì)成員們有著共同的認(rèn)知，科研不是工程，是在一定理論基礎(chǔ)上的試錯(cuò)。失敗很正常，但大方向一定要正確并有意義。
“十年青春，一路緊迫?！眻F(tuán)隊(duì)成員們?cè)诮涣髦懈锌拔覀兊木o迫感源于要率先繪出中華鱘的‘基因地圖’，為中華鱘研究打開新局面的責(zé)任和使命?！?/p>
成圖：“輕舟已過萬重山”
一對(duì)DNA堿基，長(zhǎng)度約為0.34納米，大概是發(fā)絲直徑的十萬分之一，卻以精確的排列組合，記錄下億萬年來，中華鱘對(duì)一系列重大地球氣候變遷的回應(yīng)。
100個(gè)堿基，累積成一條DNA基礎(chǔ)片段，而成千上萬個(gè)片段累積成一條染色體。
用10年“解碼”億萬年的滄海桑田，他們將中華鱘的堅(jiān)韌脾性如“基因”融入研究中，組裝完成首個(gè)擁有20億個(gè)堿基的中華鱘單倍型基因組，注釋出中華鱘的3萬多個(gè)基因功能。
為此，他們先后測(cè)序了超2萬億對(duì)DNA堿基，約為可觀測(cè)宇宙間的星系總數(shù)，是真正的“浩若星辰”。
2023年，正值DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型誕生70周年，一篇凝聚了25名作者心血的論文在線發(fā)表。他們回答了鱘形目魚類研究領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論——中華鱘何以成為今天的中華鱘？
研究表明，2.1億年前和3500萬年前，中華鱘祖先經(jīng)歷了兩次染色體的加倍進(jìn)化，在二倍化和全基因組加倍的雙重作用下，最終形成當(dāng)前的復(fù)雜八倍性。
從這一刻起，中華鱘有了獨(dú)屬于自己的“進(jìn)化論”。
研究成果發(fā)布后，他們收到來自法國(guó)、愛爾蘭、俄羅斯、阿塞拜疆等國(guó)際同行的廣泛認(rèn)可和來自伊朗國(guó)際鱘魚研究所、中國(guó)科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)合作洽談。
“有了基礎(chǔ)支撐，人類對(duì)于鱘魚保護(hù)的研究，就會(huì)越來越深入、越來越精準(zhǔn)?！蓖醣蛑艺f。
70年過去，基因?qū)Υ蟊妬碚f，仍然是陌生而新奇的。但在他們面前，這條螺旋“階梯”卻是熟悉的、親切的，并且正向著未來的無限可能延伸——他們構(gòu)建起的“生命地圖”，正超越中華鱘保護(hù)本身，回答關(guān)于魚類演化和物種保護(hù)的問題。
生物多樣性是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的根基，更是人類賴以生存、發(fā)展的根基和血脈。其中，包含了太多未解之謎，也有更多的問題迫在眉睫。
輕舟過山，向藍(lán)海而行?！斑@是個(gè)年輕的方向，它孕育著新的保護(hù)技術(shù)，也蘊(yùn)藏著讓瀕危的物種種群延續(xù)的潛力?！倍藕宪娬f。
采訪期間，記者得知論文被選為GPB期刊2024年首期封面論文。研究團(tuán)隊(duì)想繪一尾有生命力的、“魚躍龍門”的中華鱘放在封面上。今年是龍年，魚躍龍門，化而為龍，也寓意著中華鱘研究躍入了一個(gè)新的起點(diǎn)。
注：封面圖片創(chuàng)意來自東漢高誘的《淮南子注》“鮪，大魚，亦長(zhǎng)丈余，仲春二月，從河西上，得過龍門，便化龍”的記載。畫作《鱘飛九天為化龍》以中華鱘躍過基因組組裝的龍門化身成龍的畫面，象征著中華鱘基因組的解析完成使得鱘魚及多倍體動(dòng)物基因組研究進(jìn)入新階段。畫作由中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與人類研究所吳飛翔研究員繪制。
編輯：秦陽 任賢 程林