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发表于 2024-8-19 13:46:12
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攻克繁育难题 文昌鱼变身模式动物3 q1 I2 W. s' D" o) n; z$ u/ b
科技日报 2024-08-19 06版
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◎本报记者 符晓波
* y2 c7 l2 b2 T6 Q; h( `0 M$ S* A- J不久前，记者在厦门大学生命科学学院细胞应激生物学国家重点实验室的文昌鱼鱼房内看到，不同规格的水桶和鱼缸整齐排列，泵氧设备不停运转，文昌鱼正在这里健康生长。3 z/ G1 I) m/ k0 _8 @/ ^& S, o1 n
文昌鱼作为无脊椎动物向脊椎动物进化过程中的重要过渡类群，是研究脊椎动物起源的理想模型。
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长期以来，在实验室建立可持续繁育的文昌鱼种群，一直是世界各地实验室文昌鱼研究者努力的方向。如今，我国研究人员通过自主可控技术，调控水质、温度、光线等，实现了文昌鱼的人工繁育和精准生殖调控，为揭示更多关于脊椎动物起源和演化、基因表达调控等生命科学领域核心问题提供了稳定的研究样本。
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“我们已搭建起具有国际领先水平的文昌鱼研究平台，基本实现文昌鱼实验动物化主体框架搭建。在此基础上，我们以文昌鱼为模型，在脊椎动物中枢神经等重要性状起源机制研究方面，取得可喜的成果。”厦门大学生命科学学院细胞应激生物学国家重点实验室教授李光在应邀前往芝加哥大学作学术报告时说，文昌鱼作为一种野生种群遗传多样性极高的海洋动物，要将其驯化成理想状态的实验室模式动物，仍需要许多基础性研究工作，也期待更多研究人员共同参与。
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科研价值重要 研究样本稀少
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文昌鱼是一种两端尖细、身体透明、体长为3厘米至5厘米的海洋生物。它们形似小鱼，在茫茫大海中并不显眼。但在生物学家眼中，它们却是一种极为特殊的海洋动物。
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“文昌鱼并不是真正的鱼，它们没有脊椎骨，体内仅有一条脊索，没有明显的头部结构，是无脊椎动物向脊椎动物演化的过渡生物。”厦门大学生命科学学院教授王义权介绍，作为仍存活于地球的最原始脊索动物之一，文昌鱼也被称为反映演化进程的“活化石”。1 J' X8 S5 p" g; U& t+ L1 _
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“文昌鱼的身上保留着许多原始的宝贵信息，能够帮助我们理解脊椎动物的起源及其演化历程。”李光说，文昌鱼在演化链条中处于从无脊椎动物向脊椎动物过渡的关键阶段。在胚胎发育上，文昌鱼早期与无脊椎动物相似，但后期与脊椎动物相似；在基因结构上，文昌鱼基因组未发生大规模加倍，多数基因以单拷贝存在，是研究脊椎动物起源的理想动物模型，具有十分重要的教学和科研价值。
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然而，栖息地环境的改变使文昌鱼种群数量呈下降趋势。目前，全世界仅存30余种文昌鱼种群，文昌鱼也被列为我国二级野生保护动物。因此，想要获得文昌鱼样本开展研究并非易事。5 O. Z2 [8 q6 W' o
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王义权说，尽管文昌鱼在我国厦门、青岛等沿海地区均有分布，也有自然保护区为其繁衍保驾护航，但获取胚胎材料受季节性繁殖限制等因素，为开展文昌鱼相关基础研究带来极大困难。
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因此，要想破题，在实验室建立可长期繁育的文昌鱼种群成为关键。
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! d: B i% D0 S( _3 J0 @* Z开展技术攻关 缩短繁育过程
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h% n! A; D! K, D为推动文昌鱼研究持续深入开展，厦门大学生命科学学院文昌鱼研究团队展开文昌鱼人工繁育技术攻关，逐步搭建以文昌鱼为动物模型的研究平台。9 | I8 y1 U$ A9 L! \
“中国的文昌鱼最早发现于厦门，这为我们开展文昌鱼研究提供了得天独厚的地缘条件。”王义权回忆，相关技术摸索始于二十多年前。. A; o/ }+ t/ `' v$ F' Q) k
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彼时，科研人员实地观察野生状态下文昌鱼的生长发育情况，几乎每月下海测量文昌鱼栖息地的水质、水温和盐度等环境因子，如此坚持数年。与此同时，他们同步在实验室建立稳定的文昌鱼及其饵料培养技术体系，率先在实验室成功繁殖出文昌鱼子二代。& [3 y! |6 |- l) E; Q* A6 p* ^
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要使文昌鱼成为可应用的实验室模式动物，仅仅实现其全人工繁殖还不够。李光介绍，开展研究需要常年获取文昌鱼新鲜胚胎材料，而多数文昌鱼一年仅产卵排精一次，且时间比较集中，采样窗口期短、难度大。
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( X `& [" j0 `7 L# D/ D8 s, ]对此，团队在文昌鱼生殖调控方面继续开展研究，通过优化养殖温度、密度等条件，加速文昌鱼个体生长和产后修复。最终，团队攻克了文昌鱼产卵、产精诱导技术，实现文昌鱼一年多次、不受季节限制产卵。
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“现在，我们可以根据实验需要，随时获取新鲜的文昌鱼胚胎材料。同时，我们还将文昌鱼的代时（从受精到性成熟）由原来的超过1年缩短为现在的3至6个月，将单一个体的产卵（精）频次由原来的1年1次，缩短为现在的半个月至2个月左右1次。”李光介绍。
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此外，厦门大学生命科学学院将科研优势转化为教学优势，利用3D建模、虚拟仿真等技术，重建文昌鱼的结构、胚胎发育和形态特征等模型，开展文昌鱼成体解剖、野外采集、室内人工养殖及繁育等虚拟仿真实验教学。
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跻身模式动物 应用前景广阔" o( u% e( G7 D: ~# {' m
" I- e9 ?; V+ Q% a! d+ N2 A9 W近年来，在建立稳定的实验室养殖系统基础上，厦门大学生命科学学院文昌鱼研究团队进一步建立了高效稳定的文昌鱼基因敲除技术，获得世界首个基因敲除突变体文昌鱼，在脊椎动物胚轴形成、中枢神经发生机制起源等重要基础科学问题研究方面取得系列成果。“现在，文昌鱼模式动物应用体系已基本建成。”李光说。
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一直以来，模式动物开发都是推动生命科学进步的重要手段。从果蝇到小鼠再到斑马鱼等，这些模式动物不仅帮助科学家理解基因如何控制生物体的生长和发育，还为疾病研究和新药开发提供了关键线索。国际上有多个研究联盟和资源共享平台针对这些较为成熟的模式动物开展相关研究，但以文昌鱼作为模式动物的研究还有待发展。, u# J4 z- y! t& D6 s; Z
5 @) f: [: A/ B) O" n研究人员认为，包括人类在内的脊椎动物拥有现生生物中最为复杂的中枢神经系统，揭示其如何起源一直是进化发育生物学研究领域的重要命题。文昌鱼进化地位独特，基因结构简单，作为研究脊椎动物复杂形状起源演化过程的模式动物，应用前景广阔。# c8 @* ?/ `3 ?. o3 X
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在李光看来，目前他们搭建的文昌鱼研究平台拥有自主研发的文昌鱼无沙养殖系统，可养殖不同阶段的文昌鱼幼体和成体，而且大大简化了文昌鱼养殖流程。同时，该平台已囊括近百个文昌鱼突变体，为深入研究文昌鱼基因功能奠定了坚实基础。研究平台作为一种可复制、可借鉴模式，有望推动文昌鱼作为新型模式动物规模化发展，并能对其种群资源保护作出更大贡献。目前，厦门大学生命科学学院正在扩大和推广文昌鱼应用于更多学科领域，吸引更多实验室应用这一新型模式动物。
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