不久前，記者在廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院細(xì)胞應(yīng)激生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的文昌魚魚房?jī)?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(yùn)轉(zhuǎn)，文昌魚正在這里健康生長(zhǎng)。

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

長(zhǎng)期以來，在實(shí)驗(yàn)室建立可持續(xù)繁育的文昌魚種群，一直是世界各地實(shí)驗(yàn)室文昌魚研究者努力的方向。如今，我國(guó)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(shí)現(xiàn)了文昌魚的人工繁育和精準(zhǔn)生殖調(diào)控，為揭示更多關(guān)于脊椎動(dòng)物起源和演化、基因表達(dá)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(guó)際領(lǐng)先水平的文昌魚研究平臺(tái)，基本實(shí)現(xiàn)文昌魚實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(dòng)物中樞神經(jīng)等重要性狀起源機(jī)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(xì)胞應(yīng)激生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授李光在應(yīng)邀前往芝加哥大學(xué)作學(xué)術(shù)報(bào)告時(shí)說，文昌魚作為一種野生種群遺傳多樣性極高的海洋動(dòng)物，要將其馴化成理想狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)室模式動(dòng)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(jià)值重要研究樣本稀少

文昌魚是一種兩端尖細(xì)、身體透明、體長(zhǎng)為3厘米至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(dòng)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(dòng)物向脊椎動(dòng)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(dòng)物之一，文昌魚也被稱為反映演化進(jìn)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(dòng)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(dòng)物向脊椎動(dòng)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(dòng)物相似，但后期與脊椎動(dòng)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(dòng)物起源的理想動(dòng)物模型，具有十分重要的教學(xué)和科研價(jià)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(shì)。目前，全世界僅存30余種文昌魚種群，文昌魚也被列為我國(guó)二級(jí)野生保護(hù)動(dòng)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(guó)廈門、青島等沿海地區(qū)均有分布，也有自然保護(hù)區(qū)為其繁衍保駕護(hù)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(shí)驗(yàn)室建立可長(zhǎng)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(dòng)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(tuán)隊(duì)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(dòng)物模型的研究平臺(tái)。

“中國(guó)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(dú)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(shí)，科研人員實(shí)地觀察野生狀態(tài)下文昌魚的生長(zhǎng)發(fā)育情況，幾乎每月下海測(cè)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(jiān)持?jǐn)?shù)年。與此同時(shí)，他們同步在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室模式動(dòng)物，僅僅實(shí)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(shí)間比較集中，采樣窗口期短、難度大。

對(duì)此，團(tuán)隊(duì)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(gè)體生長(zhǎng)和產(chǎn)后修復(fù)。最終，團(tuán)隊(duì)攻克了文昌魚產(chǎn)卵、產(chǎn)精誘導(dǎo)技術(shù)，實(shí)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(shí)驗(yàn)需要，隨時(shí)獲取新鮮的文昌魚胚胎材料。同時(shí)，我們還將文昌魚的代時(shí)(從受精到性成熟)由原來的超過1年縮短為現(xiàn)在的3至6個(gè)月，將單一個(gè)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(gè)月至2個(gè)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(shì)轉(zhuǎn)化為教學(xué)優(yōu)勢(shì)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)。

躋身模式動(dòng)物應(yīng)用前景廣闊

近年來，在建立穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)進(jìn)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(gè)基因敲除突變體文昌魚，在脊椎動(dòng)物胚軸形成、中樞神經(jīng)發(fā)生機(jī)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(dòng)物應(yīng)用體系已基本建成。”李光說。

一直以來，模式動(dòng)物開發(fā)都是推動(dòng)生命科學(xué)進(jìn)步的重要手段。從果蠅到小鼠再到斑馬魚等，這些模式動(dòng)物不僅幫助科學(xué)家理解基因如何控制生物體的生長(zhǎng)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(guó)際上有多個(gè)研究聯(lián)盟和資源共享平臺(tái)針對(duì)這些較為成熟的模式動(dòng)物開展相關(guān)研究，但以文昌魚作為模式動(dòng)物的研究還有待發(fā)展。

研究人員認(rèn)為，包括人類在內(nèi)的脊椎動(dòng)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(jìn)化發(fā)育生物學(xué)研究領(lǐng)域的重要命題。文昌魚進(jìn)化地位獨(dú)特，基因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作為研究脊椎動(dòng)物復(fù)雜形狀起源演化過程的模式動(dòng)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(tái)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(jiǎn)化了文昌魚養(yǎng)殖流程。同時(shí)，該平臺(tái)已囊括近百個(gè)文昌魚突變體，為深入研究文昌魚基因功能奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。研究平臺(tái)作為一種可復(fù)制、可借鑒模式，有望推動(dòng)文昌魚作為新型模式動(dòng)物規(guī)?；l(fā)展，并能對(duì)其種群資源保護(hù)作出更大貢獻(xiàn)。目前，廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院正在擴(kuò)大和推廣文昌魚應(yīng)用于更多學(xué)科領(lǐng)域，吸引更多實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用這一新型模式動(dòng)物。