海洋所科研人員繪制完成牡蠣全基因組序列圖譜

　　近日，牡蠣基因組計劃（Oyster Genome Project，OGP）項目組宣布，歷時兩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獲得了重大突破。據悉，目前的基因組圖譜已達到國際領先的基因組圖譜標準。

　　近年來，我國的海水養殖業取得了長足發展。根據資料顯示，2007年全國水產養殖總產量已達到3490萬噸，占世界水產養殖產量的70%，其中海水養殖產量為1384萬噸，占到我國水產養殖產量的41%。我國海水養殖產量75%以上是貝類，貝類養殖產業規模和產量均居世界首位。而牡蠣作為貝類的“模式種”，一直受到科學家們的廣泛關注。

　　鑒于國家海洋經濟發展戰略和現代生物學科的發展需求、牡蠣優越的經濟價值及其潛在的基礎研究價值，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合發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。牡蠣基因組計劃在科技部和大連獐子島漁業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，是世界上第一大養殖貝類，是人類可利用的重要海洋生物資源之一，為全球性分布種類。除了可食用外，牡蠣也是海洋生態系統的重要成員，對內灣和近海水域藻華的調控具有重要作用。此外，牡蠣在動物系統演化中還具有舉足輕重的地位，是形態各異的冠輪動物的代表。作為海洋養殖年產量最大的動物類群，世界牡蠣年產量約為400多萬噸。由于其分布廣、經濟和生態價值高，牡蠣受到廣泛的關注，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，擁有利用牡蠣的悠久歷史，早在兩千多年前，中國南方沿海一些地區的居民就掌握了牡蠣養殖技術。目前，渤海、黃海、東海、南海均有牡蠣生產基地, 其主要產地為福建、廣東、山東、廣西、遼寧、浙江等。其中長牡蠣是最重要的養殖物種。

　　據了解，牡蠣在廣東、福建稱蠔或蚵，江浙稱蠣黃，山東以北稱蠣子或海蠣子。牡蠣不僅肉鮮味美、營養豐富, 而且具有獨特的保健功能和藥用價值，是一種營養價值很高的海產珍品，鮮蠔湯素有“海中牛奶”之稱。牡蠣的含鋅量居人類食物之首。古今中外均認為牡蠣有治虛弱、解丹毒、降血壓、滋陰壯陽的功能。沿海居民對牡蠣具有深厚感情，很多沿海國家和地區都舉辦自己的牡蠣節，形成了獨特的牡蠣文化。

　　隨著牡蠣養殖產量的迅速增加，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的應用”、“如何開發海洋生物基因工程藥物和細胞工程藥物等相關產業的發展”等問題，對推動我國海洋產業的迅速發展具有極其重要的現實意義。

　　一個物種基因組計劃的完成，就意味著這一物種學科和產業發展的新開端

　　基因是一種資源，而且是一種有限的戰略性資源。因此，開發基因資源已成為發達國家之間激烈競爭的焦點之一。基因工程研究的基本任務是開發人們有特殊需要的基因產物，這樣的基因統稱為目的基因。具有優良性狀的基因理所當然是目的基因，而致病基因在特定情況下同樣可作為目的基因，具有很高的開發價值。即使是那些今天尚不清楚功能的基因，隨著研究的深入，以后也都有可能成為具有高開發價值的目的基因。

　　21世紀是基因的世紀。隨著科學技術的高速發展以及DNA內部結構和遺傳機制的秘密一點一點呈現在人們眼前，生物學家不再僅僅滿足于探索、揭示生物遺傳的秘密，而是開始躍躍欲試，設想在分子的水平上去干預生物的遺傳特性。以上種種又與基因組計劃密不可分。

　　一個物種基因組的完成就意味著對這一物種生命密碼天書進行人工編輯時代的到來。在現代分子生物學的定義中，基因組是生物體所攜帶的遺傳信息總和。包括單倍體細胞核、細胞器或病毒粒子所含的全部DNA分子或RNA分子。基因組包含了DNA的基因區和非編碼序列，是具有遺傳效應的DNA分子片段，能夠傳遞給下一代。人類基因組由30億個堿基對組成，于2000年6月完成，是全人類的共同財富。國內外專家普遍認為，基因組序列圖首次在分子層面上為人類提供了一份生命“說明書”，不僅奠定了人類認識自我的基石，推動了生命與醫學科學的革命性進展，而且為全人類的健康帶來了福音。2000年人類基因組草圖完成時，僅42個物種完成了全基因組測序，但是，隨著全基因組測序技術的快速發展以及全基因組測序對生物科學研究重大影響的推動，全世界的基因組測序計劃數量快速增加。至2009年已增加至1100個，每年平均增加118個物種。2009年9月份統計的在測基因組項目達到4543個（基因組在線數據庫：www.genomesonline.org）。

　　“一個物種基因組計劃的完成，就意味著這一物種學科和產業發展的新開端”。經過多年奮斗，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、家雞等重要經濟種類的基因組測序，并成為中國在國際基因組學領域的代表。

　　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，意味著深邃，但同樣也意味著未知。

　　隨著人類和模式生物基因組計劃的實施，世界各國已經瞄準了這片神秘的蔚藍，瞄準了海洋生物基因資源。目前多個海洋生物基因組計劃的啟動，為全面了解海洋生物基因、深入開發海洋生物基因資源奠定了良好的基礎。

　　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目較少（2n=20）、基因組較小（約為800 M）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。考慮到大熊貓基因組也是基于短序列高通量測序技術完成，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，項目組發現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。

　　柔繩斷木，水滴穿石。在項目組的共同堅持和努力下，研究人員針對牡蠣基因組的高雜合度問題，及時調整了項目整體思路，特別是華大基因科研團隊為此開發了針對高雜合度基因組的短序列片段拼接新算法，開辟了分級組裝新手段，使難題最終得到圓滿解決。這也為正在進行和將來要開展的高雜合度物種的基因組測序提供了全新的方法和技術。

　　基因組數據全面提供解析牡蠣典型性狀的組學基礎

　　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，基因組數據支持了海洋低等生物具有高度遺傳多樣性的結論。

　　此外，目前已驗證的109種鋅指蛋白結構域在牡蠣基因組中均有發現，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。然而，這僅是對基因組進行初步探索的發現，隨著研究的一步步深入，將會有更多的科學發現展現在世人眼前。

　　隨著牡蠣基因組數據的深入發掘，有可能為有效改變牡蠣的生活習性，使其能夠更好地為人類所利用提供更廣闊的技術思路。例如，自然狀態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現牡蠣附著變態調控通路中的關鍵受體，尋找經濟有效的藥物，誘導牡蠣幼蟲跳過附著過程，直接發生變態而成為單體牡蠣，這個問題便迎刃而解。該問題的解決，將極大地有利于我們的經濟和國防。

　　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。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境練就了牡蠣對溫度、鹽度、露空和海區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揮到極致，種類繁多，數量擴張的模式識別受體能夠針對不同病原的保守位點作出準確的反應并通過信號級聯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基因數目更是確保了牡蠣在對溫度、鹽度和氧氣濃度的廣譜耐受性。盡管擁有著高效的防御系統，養殖牡蠣因病原侵染造成大面積死亡的現象也并不鮮見，研究牡蠣的免疫防御機制也為養殖牡蠣的病害防治提供理論基礎。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，這種牡蠣被人類食用后便會引發疾病，廣為人知的諾如病毒感染性腹瀉便是由富集在牡蠣體內的諾如病毒引起的。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，也為人類的飲食健康和食品安全提供了保障。

　　牡蠣的性別反轉是令人非常感興趣的科學問題。在自然群體中，大多數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“變性”，同一個個體在不同年份或不同的環境條件下，表現出不同的性別。牡蠣的性別決定調控機制是最令世界各國科學家感興趣的課題之一，已有研究發現這可能和某個主效基因有關，雄性個體表現為異型配子形式，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。此外，在某一海域，如江蘇南通、福建廈門等海區，經常有許多不同種類的牡蠣生活在一起，它們的繁殖季節存在交疊，但是不同牡蠣之間一般不會發生雜交，牡蠣如何保證自己的精子和卵子細胞相互“專一”識別？研究發現牡蠣精子結合素蛋白Bindin可能與精卵的特異性識別有關，借助基因組數據對Bindin的種內和種間多態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。

　　牡蠣超強的繁殖能力也是人們津津樂道的一個話題。據統計，一只雌性牡蠣在一個繁殖季節可以生產出高達4億的卵細胞，而牡蠣的性腺只在繁殖季節才充分發育，牡蠣也僅僅依靠海洋中的微型海藻和有機碎屑為食，牡蠣為什么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，結合牡蠣轉錄組、小RNA、表觀遺傳學和系統生物學的研究，使科研工作者可以建立一個窗口，“從內向外”地觀察牡蠣的各種生物學性狀及其與環境的互作，全面解析牡蠣高繁殖力、高耐受力、高雜合性等生物學特性，研究雜種優勢、物種分化和性別決定、高突變率及高遺傳負荷、附著變態等組學機制，搭建基因組育種理論研究和技術平臺，提升貝類和海洋基因組學研究水平，促進貝類養殖產業健康和可持續發展。

　　國際牡蠣基因組研究團隊有關負責人表示，牡蠣全基因組序列圖譜的繪制完成，將有力地推進基因組應用技術的發展。

　　李寧院士指出：“未來農業生物育種就將是基因組育種”。傳統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途徑。但常規育種存在著周期長、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，且常規育種難以滿足未來差異化市場發展的需求。隨著分子生物學技術的發展，近些年又發展出了分子標記輔助育種，從技術上得到新的進步。然而由于可用的有效標記數太少，所以育種效率很低，至今仍很少見到有實際應用的報道。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。

　　國際牡蠣基因組研究團隊有關負責人介紹說，由于有了全基因組序列，科研工作者可以通過數以萬記的SNP直接對基因進行選擇，將大大提高選擇效率；由于有了全基因組序列，可以更加有效地研究不同性狀的調控通路，為科研工作者對這些性狀進行有效操控提供了理論支持和技術可能；由于有了全基因組序列，使科研工作者有可能在分子水平對生物的目標性狀進行預先設計。

　　政企研結合共推基因組計劃發展

　　牡蠣基因組計劃瞄準海洋生物領域的關鍵科學和技術問題，具有前瞻性、創新性和重要的現實意義，是一個系統的科學工程，內容多、任務重、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。

　　獐子島漁業集團是一家以海水增養殖為主的，集海珍品育苗、增養殖、加工、貿易、海上運輸于一體的綜合性海洋食品企業。作為農業產業化龍頭企業，集團一直致力于科技創新，倡導并實踐了“政府+ 科研機構+公司”的合作模式，與中國科學院海洋研究所建立了長期穩定的戰略合作關系。多年來，雙方強強聯合，開展院地合作，取得了一個又一個豐碩的成果。

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

　　一個研究成果的誕生離不開團隊，更離不開團隊身后的龐大力量。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心與指點，得到了大連獐子島漁業集團吳厚剛董事長和王詩歡總經理的熱心支持。

　　華大基因研究院所展現出的科研攻關精神與技術創新能力，在克服重重困難最終完成高雜合度牡蠣基因組的成功組裝中，發揮了關鍵作用，為項目取得突破性進展提供了重要的技術保障，得到了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的高度評價與一致贊賞。

　　正是聚集了這些支持與幫助，匯八方之力，牡蠣基因組計劃迎來了更快的發展。

　　基因引領未來

　　基因資源是國家戰略資源。當前各國在生物產業鏈方面的意識空前提高，通過整合產業資源、完善產業鏈條、搶占產業上游的龍頭，以謀求對產業鏈的掌控和壟斷。因此，誰能夠搶占了上游的龍頭——基因資源，誰就將在生物產業競爭中占有主導地位。

　　人類基因組計劃的完成，極大地鼓舞了世界各國的生物專家，并為其他生物的研究提供了強大的技術支持。牡蠣全基因組序列圖譜繪制的完成，也將極大地推動科學家對以牡蠣為代表的貝類乃至其他水產動物，特別是海產無脊椎動物基因資源的有效開發和深度利用研究。總之，牡蠣全基因組測序圖譜的繪制完成為海洋貝類基因開發和應用鋪設了堅實的道路。

　　隨著水產基因組時代的到來，我國的科研工作者在對基因資源的深度發掘和利用應集中在以下幾個方面。

　　一是基于牡蠣全基因組序列圖譜，結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構和功能特征。

　　二是批量發掘生長、發育、生殖、性控、貝殼形成和抗逆性等重要性狀相關功能基因，為深入開展貝類生物學基礎研究提供基因資源。

　　三是對重要經濟性狀進行基因解析，篩選和驗證生長、發育、抗性等關鍵基因，研究其作用機理和調控網絡，明確基因型與表型關聯性，為性狀改良和品種培育提供理論基礎。

　　四是研究分子設計育種的理論和方法，分析基因、調控網絡對環境的反應，建立G-P鏈接模型和數據庫，開發生長和抗性性狀的復合/聚合技術，構建模擬育種技術平臺。

　　五是開發編碼具有特殊營養或應用價值的多肽和蛋白基因，篩選水產動物特有的具有自主知識產權的藥物功能基因或藥物合成相關的功能基因，為批量生產功能多肽和蛋白及研制開發新型海洋藥物奠定基礎。

　　2009年，胡錦濤總書記視察山東時指出，要大力發展海洋經濟，科學開發海洋資源，培育海洋優勢產業，打造山東半島藍色經濟區。這是胡錦濤總書記站在全局高度作出的重大戰略部署。進入新的世紀，在陸地資源日益枯竭的今天，人類社會在空間、資源、環境、技術、產業等方面，對海洋提出了新的要求，誰搶占了海洋科技的制高點，誰就率先占領了海洋空間，誰就控制了未來的戰略資源，占地球表面積71%的海洋成為了新的經濟增長點，也成為了人類新的生存空間。

　　大風起兮云飛揚，千帆競過浪潮涌。以牡蠣基因組計劃為契機的海洋基因資源研發必將成為藍色經濟發展的強大引擎，引領藍色經濟走向更加輝煌的明天！

牡蠣基因組部分序列及其分析

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

牡蠣是產量最大的海水養殖動物

牡蠣養殖