十年 绘一张中华鲟“生命地图”
本网讯（王璐）5月22日是第24个国际生物多样性日，今年的主题是“生物多样性，你我共参与”。保护生物多样性，需要汇聚每一个人的力量。今天我们为您讲述的是一个团队和一条鱼的故事。
近期，中华鲟全基因组测序研究正式以封面论文形式登上生物信息学领域顶级学术期刊——《基因组蛋白质组与生物信息学报》（Genomics, Proteomics & Bioinformatics，简称GPB）。
中华鲟作为国家一级保护动物、水生生物多样性保护的旗舰物种，一直以来备受关注。鲟鱼个体发育、疾病防治、精细培育和优种选育等微观层面的物种保护技术亟待突破。
上述论文聚焦中华鲟全基因组测序和组装，绘制完成的首个中华鲟基因组序列图谱堪称中华鲟的“生命地图”，将鲟鱼保护理论和技术研究带到更广阔的研究领域，为全球生物多样性保护贡献了中国力量。
起笔：千岩万壑路不定
2023年9月，william威廉官方william威廉所属长江生态环境工程研究中心对外公布，经过十年探索，完成首个中华鲟单倍型全基因组测序和序列图谱构建。
中华鲟基因组组装序列图谱关键特征分布图
这是william威廉官方william威廉中华鲟保护团队经过四十年不懈努力，在相继取得中华鲟人工繁育技术突破、子二代全人工繁育技术突破、中华鲟规模化繁育技术突破等成果的基础上，取得的又一重要标志性成果。
时间回到20世纪90年代，人类基因组计划被列入20世纪三大科学计划之一，3000名科技人员耗时13年绘制出人类的“生命地图”，开启向微观生命探索的时代。随后几年，玉米、马铃薯、油菜等经济类作物基因组序列图谱相继绘制，推进了作物遗传育种技术发展。
正如乐手携音谱曲、诗人组字成章，生物学家以基因为工具，研究生命的本质。其中，基因组序列图谱可被视作基因研究的“北斗导航”。“天上的星星参北斗”，该图谱为诸多保护技术指明攻关方向——科研人员通过在分子水平上“按图索骥”，将准确找到目的基因序列及其功能，开展中华鲟的种质精准鉴定评价、性别标记、疾病防治和精细培育等研究。
这是一项前所未有的重任。
回顾立项之时，研究团队负责人杜合军说，当时，国际学术界关于八倍体生物基因组测序的理论几乎一片空白，他们只能参考二倍体物种全基因组测序的论文，一步步“摸索着来”。二倍体生物有两组染色体，一组染色体来自父本，另一组来自母本。而同源八倍体生物则是父母本各提供四组染色体，八组染色体间相似度很高但存在一定差异。
第一关，是样本。
为了降低细胞中父母本染色体间差异带来的杂合度，团队经过反复探索，终于实现卵细胞染色体翻倍，培育出世界上首批中华鲟雌核发育苗，即真正意义的“妈宝鱼”。
从一粒细胞到一条大鱼，其间几多艰辛。“怕饿着、怕热着、怕生�。ぷ魇笔刈庞愠�，休息时心在鱼上。总是挂念它们，吃得多不多、游得好不好。”团队成员王彬忠回忆。
为寻找正常样本辅助中华鲟基因组组装，他们在一年中最冷的时候，套上厚乳胶裤，下到齐腰深的鱼池，抓鱼、安抚、体检和取样。寒冬腊月，水温只有几摄氏度，人冷得打哆嗦。
而这仅是研究的“前奏”。
最大的难题在于染色体的数量和倍性（重复程度）。如果将染色体比作由ATGC4类碱基“珠子”排成的“珠串”的话，那么每个中华鲟细胞内，就有264条“珠串”。八倍体，意味着这264条染色体分成8组，组内“珠子”量级上10亿，排列顺序看似相似，实则有差。
最终开展测序的碱基片段，来自百万至千万量级的细胞，基因组组装就相当于处理这些亿级起步的碎片“珠段”，需要扫描信息、比对相似点、重新拼接，呈现原本的“串珠”排列规律。
随着项目的展开，近几年基因组组装算法不断优化，但复原如此庞大而成分复杂的“碎片”，依然极具挑战。
制图：众里寻“它”千百度
从2013年起，中华鲟研究所与曾参加人类基因组计划的华大基因公司携手，展开了一场漫长的探索。
这期间，大部分工作周期是以“年”计。
2013到2015年，通过两年的摸索调研，确定以“雌核发育中华鲟”作为DNA基因组测序的样本。“雌核发育中华鲟”可被称为中华鲟的纯合体，其遗传物质全部来自母本（卵细胞），没有父本（精子）遗传物质参与，保持足够的纯净度。事实证明，这是项目日后取得成功的关键一环。
2015到2017年，以二代测序技术为主，首次尝试中华鲟全基因组测序组装，积累了宝贵的信息和经验。
2019到2021年，综合二代与三代测序技术，完成首个高质量染色体级中华鲟参考基因组序列图谱构建，并进行了基因组功能注释，即绘制出一张带有区位注释的“地图”。
2022到2023年，基于中华鲟基因组序列图谱，写下独属于中华鲟的“进化论”。
项目伊始，研究团队就明确目标，“铆足劲，一定啃下这个硬骨头”。由于物种基因组的复杂性和技术发展程度的限制，困难和弯路几乎伴随着整个进程。
拿拼装来说，一条DNA片段包含上百个碱基对，重复区域使组装变得复杂，碱基读取错误和缺失也难以剔除。为此，研究团队花了两年时间优化组装策略，充分验证组装后的基因片段连续性高、染色体的保真度好，即实现了这张“地图”的精准定位。
为了推进研究，他们与合作团队定下周汇报、周讨论制度，不断挖掘新问题、分析新数据。团队成员们有着共同的认知，科研不是工程，是在一定理论基础上的试错。失败很正常，但大方向一定要正确并有意义。
“十年青春，一路紧迫。”团队成员们在交流中感慨，“我们的紧迫感源于要率先绘出中华鲟的‘基因地图’，为中华鲟研究打开新局面的责任和使命。”
成图：“轻舟已过万重山”
一对DNA碱基，长度约为0.34纳米，大概是发丝直径的十万分之一，却以精确的排列组合，记录下亿万年来，中华鲟对一系列重大地球气候变迁的回应。
100个碱基，累积成一条DNA基础片段，而成千上万个片段累积成一条染色体。
用10年“解码”亿万年的沧海桑田，他们将中华鲟的坚韧脾性如“基因”融入研究中，组装完成首个拥有20亿个碱基的中华鲟单倍型基因组，注释出中华鲟的3万多个基因功能。
为此，他们先后测序了超2万亿对DNA碱基，约为可观测宇宙间的星系总数，是真正的“浩若星辰”。
2023年，正值DNA双螺旋结构的分子模型诞生70周年，一篇凝聚了25名作者心血的论文在线发表。他们回答了鲟形目鱼类研究领域长达半个世纪的争论——中华鲟何以成为今天的中华鲟？
研究表明，2.1亿年前和3500万年前，中华鲟祖先经历了两次染色体的加倍进化，在二倍化和全基因组加倍的双重作用下，最终形成当前的复杂八倍性。
从这一刻起，中华鲟有了独属于自己的“进化论”。
研究成果发布后，他们收到来自法国、爱尔兰、俄罗斯、阿塞拜疆等国际同行的广泛认可和来自伊朗国际鲟鱼研究所、中国科学院等科研机构合作洽谈。
“有了基础支撑，人类对于鲟鱼保护的研究，就会越来越深入、越来越精准。”王彬忠说。
70年过去，基因对大众来说，仍然是陌生而新奇的。但在他们面前，这条螺旋“阶梯”却是熟悉的、亲切的，并且正向着未来的无限可能延伸——他们构建起的“生命地图”，正超越中华鲟保护本身，回答关于鱼类演化和物种保护的问题。
生物多样性是经济社会可持续发展的根基，更是人类赖以生存、发展的根基和血脉。其中，包含了太多未解之谜，也有更多的问题迫在眉睫。
轻舟过山，向蓝海而行。“这是个年轻的方向，它孕育着新的保护技术，也蕴藏着让濒危的物种种群延续的潜力。”杜合军说。
采访期间，记者得知论文被选为GPB期刊2024年首期封面论文。研究团队想绘一尾有生命力的、“鱼跃龙门”的中华鲟放在封面上。今年是龙年，鱼跃龙门，化而为龙，也寓意着中华鲟研究跃入了一个新的起点。
注：封面图片创意来自东汉高诱的《淮南子注》“鲔，大鱼，亦长丈余，仲春二月，从河西上，得过龙门，便化龙”的记载。画作《鲟飞九天为化龙》以中华鲟跃过基因组组装的龙门化身成龙的画面，象征着中华鲟基因组的解析完成使得鲟鱼及多倍体动物基因组研究进入新阶段。画作由中国科学院古脊椎动物与人类研究所吴飞翔研究员绘制。
编辑：秦阳 任贤 程林