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個國際生物多樣性日，今年的主題是“生物多樣性，你我共參與”。保護(hù)生物多樣性，需要匯聚每一個人的力量。今天我們?yōu)槟v述的是一個團(tuán)隊和一條魚的故事。
近期，中華鱘全基因組測序研究正式以封面論文形式登上生物信息學(xué)領(lǐng)域頂級學(xué)術(shù)期刊——《基因組蛋白質(zhì)組與生物信息學(xué)報》（Genomics, Proteomics & Bioinformatics，簡稱GPB）。
中華鱘作為國家一級保護(hù)動物、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序和組裝，繪制完成的首個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)了中國力量。
起筆：千巖萬壑路不定
2023年9月，三峽集團(tuán)所屬長江生態(tài)環(huán)境工程研究中心對外公布，經(jīng)過十年探索，完成首個中華鱘單倍型全基因組測序和序列圖譜構(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)模化繁育技術(shù)突破等成果的基礎(chǔ)上，取得的又一重要標(biāo)志性成果。
時間回到20世紀(jì)90年代，人類基因組計劃被列入20世紀(jì)三大科學(xué)計劃之一，3000名科技人員耗時13年繪制出人類的“生命地圖”，開啟向微觀生命探索的時代。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、詩人組字成章，生物學(xué)家以基因為工具，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)鑒定評價、性別標(biāo)記、疾病防治和精細(xì)培育等研究。
這是一項前所未有的重任。
回顧立項之時，研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人杜合軍說，當(dāng)時，國際學(xué)術(shù)界關(guān)于八倍體生物基因組測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)隊經(jīng)過反復(fù)探索，終于實現(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。“怕餓著、怕熱著、怕生病，工作時守著魚池，休息時心在魚上。總是掛念它們，吃得多不多、游得好不好。”團(tuán)隊成員王彬忠回憶。
為尋找正常樣本輔助中華鱘基因組組裝，他們在一年中最冷的時候，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”量級上10億，排列順序看似相似，實則有差。
最終開展測序的堿基片段，來自百萬至千萬量級的細(xì)胞，基因組組裝就相當(dāng)于處理這些億級起步的碎片“珠段”，需要掃描信息、比對相似點(diǎn)、重新拼接，呈現(xiàn)原本的“串珠”排列規(guī)律。
隨著項目的展開，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劃的華大基因公司攜手，展開了一場漫長的探索。
這期間，大部分工作周期是以“年”計。
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基因組測序的樣本。“雌核發(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。事實證明，這是項目日后取得成功的關(guān)鍵一環(huán)。
2015到2017年，以二代測序技術(shù)為主，首次嘗試中華鱘全基因組測序組裝，積累了寶貴的信息和經(jīng)驗。
2019到2021年，綜合二代與三代測序技術(shù)，完成首個高質(zhì)量染色體級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”。
項目伊始，研究團(tuán)隊就明確目標(biāo)，“鉚足勁，一定啃下這個硬骨頭”。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進(jìn)程。
拿拼裝來說，一條DNA片段包含上百個堿基對，重復(fù)區(qū)域使組裝變得復(fù)雜，堿基讀取錯誤和缺失也難以剔除。為此，研究團(tuán)隊花了兩年時間優(yōu)化組裝策略，充分驗證組裝后的基因片段連續(xù)性高、染色體的保真度好，即實現(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)隊定下周匯報、周討論制度，不斷挖掘新問題、分析新數(shù)據(jù)。團(tuán)隊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。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。”團(tuán)隊成員們在交流中感慨，“我們的緊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。”
成圖：“輕舟已過萬重山”
一對DNA堿基，長度約為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，中華鱘對一系列重大地球氣候變遷的回應(yīng)。
100個堿基，累積成一條DNA基礎(chǔ)片段，而成千上萬個片段累積成一條染色體。
用10年“解碼”億萬年的滄海桑田，他們將中華鱘的堅韌脾性如“基因”融入研究中，組裝完成首個擁有20億個堿基的中華鱘單倍型基因組，注釋出中華鱘的3萬多個基因功能。
為此，他們先后測序了超2萬億對DNA堿基，約為可觀測宇宙間的星系總數(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)域長達(dá)半個世紀(jì)的爭論——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、愛爾蘭、俄羅斯、阿塞拜疆等國際同行的廣泛認(rèn)可和來自伊朗國際鱘魚研究所、中國科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)合作洽談。
“有了基礎(chǔ)支撐，人類對于鱘魚保護(hù)的研究，就會越來越深入、越來越精準(zhǔn)。”王彬忠說。
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。“這是個年輕的方向，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。”杜合軍說。
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物基因組研究進(jìn)入新階段。畫作由中國科學(xué)院古脊椎動物與人類研究所吳飛翔研究員繪制。
編輯：秦陽 任賢 程林