攻克繁育難題　文昌魚變身模式動物

不久前，筆者在廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院細胞應(yīng)激生物學(xué)國家重點實驗室的文昌魚魚房內(nèi)看到，不同規(guī)格的水桶和魚缸整齊排列，泵氧設(shè)備不停運轉(zhuǎn)，文昌魚正在這里健康生長。

文昌魚作為無脊椎動物向脊椎動物進化過程中的重要過渡類群，是研究脊椎動物起源的理想模型。

長期以來，在實驗室建立可持續(xù)繁育的文昌魚種群，一直是世界各地實驗室文昌魚研究者努力的方向。如今，我國研究人員通過自主可控技術(shù)，調(diào)控水質(zhì)、溫度、光線等，實現(xiàn)了文昌魚的人工繁育和精準生殖調(diào)控，為揭示更多關(guān)于脊椎動物起源和演化、基因表達調(diào)控等生命科學(xué)領(lǐng)域核心問題提供了穩(wěn)定的研究樣本。

“我們已搭建起具有國際領(lǐng)先水平的文昌魚研究平臺，基本實現(xiàn)文昌魚實驗動物化主體框架搭建。在此基礎(chǔ)上，我們以文昌魚為模型，在脊椎動物中樞神經(jīng)等重要性狀起源機制研究方面，取得可喜的成果。”廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院細胞應(yīng)激生物學(xué)國家重點實驗室教授李光在應(yīng)邀前往芝加哥大學(xué)作學(xué)術(shù)報告時說，文昌魚作為一種野生種群遺傳多樣性極高的海洋動物，要將其馴化成理想狀態(tài)的實驗室模式動物，仍需要許多基礎(chǔ)性研究工作，也期待更多研究人員共同參與。

科研價值重要研究樣本稀少

文昌魚是一種兩端尖細、身體透明、體長為3～5厘米的海洋生物。它們形似小魚，在茫茫大海中并不顯眼。但在生物學(xué)家眼中，它們卻是一種極為特殊的海洋動物。

“文昌魚并不是真正的魚，它們沒有脊椎骨，體內(nèi)僅有一條脊索，沒有明顯的頭部結(jié)構(gòu)，是無脊椎動物向脊椎動物演化的過渡生物。”廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授王義權(quán)介紹，作為仍存活于地球的最原始脊索動物之一，文昌魚也被稱為反映演化進程的“活化石”。

“文昌魚的身上保留著許多原始的寶貴信息，能夠幫助我們理解脊椎動物的起源及其演化歷程。”李光說，文昌魚在演化鏈條中處于從無脊椎動物向脊椎動物過渡的關(guān)鍵階段。在胚胎發(fā)育上，文昌魚早期與無脊椎動物相似，但后期與脊椎動物相似；在基因結(jié)構(gòu)上，文昌魚基因組未發(fā)生大規(guī)模加倍，多數(shù)基因以單拷貝存在，是研究脊椎動物起源的理想動物模型，具有十分重要的教學(xué)和科研價值。

然而，棲息地環(huán)境的改變使文昌魚種群數(shù)量呈下降趨勢。目前，全世界僅存30余種文昌魚種群，文昌魚也被列為我國二級野生保護動物。因此，想要獲得文昌魚樣本開展研究并非易事。

王義權(quán)說，盡管文昌魚在我國廈門、青島等沿海地區(qū)均有分布，也有自然保護區(qū)為其繁衍保駕護航，但獲取胚胎材料受季節(jié)性繁殖限制等因素，為開展文昌魚相關(guān)基礎(chǔ)研究帶來極大困難。

因此，要想破題，在實驗室建立可長期繁育的文昌魚種群成為關(guān)鍵。

開展技術(shù)攻關(guān)縮短繁育過程

為推動文昌魚研究持續(xù)深入開展，廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院文昌魚研究團隊展開文昌魚人工繁育技術(shù)攻關(guān)，逐步搭建以文昌魚為動物模型的研究平臺。

“中國的文昌魚最早發(fā)現(xiàn)于廈門，這為我們開展文昌魚研究提供了得天獨厚的地緣條件。”王義權(quán)回憶，相關(guān)技術(shù)摸索始于二十多年前。

彼時，科研人員實地觀察野生狀態(tài)下文昌魚的生長發(fā)育情況，幾乎每月下海測量文昌魚棲息地的水質(zhì)、水溫和鹽度等環(huán)境因子，如此堅持數(shù)年。與此同時，他們同步在實驗室建立穩(wěn)定的文昌魚及其餌料培養(yǎng)技術(shù)體系，率先在實驗室成功繁殖出文昌魚子二代。

要使文昌魚成為可應(yīng)用的實驗室模式動物，僅僅實現(xiàn)其全人工繁殖還不夠。李光介紹，開展研究需要常年獲取文昌魚新鮮胚胎材料，而多數(shù)文昌魚一年僅產(chǎn)卵排精一次，且時間比較集中，采樣窗口期短、難度大。

對此，團隊在文昌魚生殖調(diào)控方面繼續(xù)開展研究，通過優(yōu)化養(yǎng)殖溫度、密度等條件，加速文昌魚個體生長和產(chǎn)后修復(fù)。最終，團隊攻克了文昌魚產(chǎn)卵、產(chǎn)精誘導(dǎo)技術(shù)，實現(xiàn)文昌魚一年多次、不受季節(jié)限制產(chǎn)卵。

“現(xiàn)在，我們可以根據(jù)實驗需要，隨時獲取新鮮的文昌魚胚胎材料。同時，我們還將文昌魚的代時（從受精到性成熟）由原來的超過1年縮短為現(xiàn)在的3～6個月，將單一個體的產(chǎn)卵（精）頻次由原來的1年1次，縮短為現(xiàn)在的半個月至2個月左右1次。”李光介紹。

此外，廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院將科研優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為教學(xué)優(yōu)勢，利用3D建模、虛擬仿真等技術(shù)，重建文昌魚的結(jié)構(gòu)、胚胎發(fā)育和形態(tài)特征等模型，開展文昌魚成體解剖、野外采集、室內(nèi)人工養(yǎng)殖及繁育等虛擬仿真實驗教學(xué)。

躋身模式動物應(yīng)用前景廣闊

近年來，在建立穩(wěn)定的實驗室養(yǎng)殖系統(tǒng)基礎(chǔ)上，廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院文昌魚研究團隊進一步建立了高效穩(wěn)定的文昌魚基因敲除技術(shù)，獲得世界首個基因敲除突變體文昌魚，在脊椎動物胚軸形成、中樞神經(jīng)發(fā)生機制起源等重要基礎(chǔ)科學(xué)問題研究方面取得系列成果。“現(xiàn)在，文昌魚模式動物應(yīng)用體系已基本建成。”李光說。

一直以來，模式動物開發(fā)都是推動生命科學(xué)進步的重要手段。從果蠅到小鼠再到斑馬魚等，這些模式動物不僅幫助科學(xué)家理解基因如何控制生物體的生長和發(fā)育，還為疾病研究和新藥開發(fā)提供了關(guān)鍵線索。國際上有多個研究聯(lián)盟和資源共享平臺針對這些較為成熟的模式動物開展相關(guān)研究，但以文昌魚作為模式動物的研究還有待發(fā)展。

研究人員認為，包括人類在內(nèi)的脊椎動物擁有現(xiàn)生生物中最為復(fù)雜的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，揭示其如何起源一直是進化發(fā)育生物學(xué)研究領(lǐng)域的重要命題。文昌魚進化地位獨特，基因結(jié)構(gòu)簡單，作為研究脊椎動物復(fù)雜形狀起源演化過程的模式動物，應(yīng)用前景廣闊。

在李光看來，目前他們搭建的文昌魚研究平臺擁有自主研發(fā)的文昌魚無沙養(yǎng)殖系統(tǒng)，可養(yǎng)殖不同階段的文昌魚幼體和成體，而且大大簡化了文昌魚養(yǎng)殖流程。同時，該平臺已囊括近百個文昌魚突變體，為深入研究文昌魚基因功能奠定了堅實基礎(chǔ)。研究平臺作為一種可復(fù)制、可借鑒模式，有望推動文昌魚作為新型模式動物規(guī)模化發(fā)展，并能對其種群資源保護作出更大貢獻。目前，廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院正在擴大和推廣文昌魚應(yīng)用于更多學(xué)科領(lǐng)域，吸引更多實驗室應(yīng)用這一新型模式動物。