生物技术在极地海洋生物资源可持续利用中的作用与应用

李长稳，高 磊，鞠剑锋，宋 炜，张凤英，黄洪亮，刘 勤，赵 明，郑汉丰，冯春雷，马凌波，蒋科技*

（1.中国水产科学研究院东海水产研究所，农业农村部远洋与极地渔业创新重点实验室，上海 200090；2.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306）

地球的南北两极与全球环境变化、经济可持续发展、人类生存息息相关［1］。极地的环境价值、资源价值、科学价值和地缘价值有目共睹，尤其是生物资源更是具有巨大的开发利用前景。极地海洋中拥有丰富的生物资源，渔业资源和基因资源是当前具有重要研究价值，也是产业利用潜力巨大的两种主要内容，这些资源的开发利用具有重大的战略意义，尤其是对耕地和淡水资源相对紧缺的中国而言［2］。因而，极地海洋生物的研究越来越多地被各国所关注。我国参与南北极探索研究活动，一方面可参与保护和合理利用极地生物资源，加强我国在极地海域的权益，同时也为我国参与极地事务及极地生物资源管理机制建设奠定基础。作为“非极地”国家，我国对极地生物资源（尤其渔业资源）的研究受到地缘、气候等诸多客观条件的限制，如何突破这些限制关系到我国极地权益的维护。现代生物技术的发展和应用，为我国开展极地生物资源研究创造了条件。

生物技术指在生物系统、生物体及其衍生物研究与开发中的技术应用［3］，近20年，生物技术发展迅速，作为21世纪的一项核心技术，已被广泛应用到农牧渔业、医药、食品、能源、环保、化工等多个领域，应用前景十分广阔。根据生物技术应用领域的不同，KAFARSKI［4］开发了一种色码来区分生物技术的主要领域：白色（工业）、绿色（农业）、蓝色（海洋）、红色（制药）、棕色（沙漠生物技术）和紫色（专利和发明）等等。其中蓝色生物技术领域较新，但随着陆地资源的短缺，蓝色生物技术更具良好的发展前景。

受陆地资源与近海资源短缺的影响，远洋／极地资源的开发和利用日益受到重视，尤其是生物资源。极地生物资源具有种类多，资源量大，可持续利用性强等特点，但要使极地生物资源能最大限度地为人类所用，同时又保证它的可持续性，在对资源进行系统调查的同时，更需要生物技术的应用。目前，已有很多生物技术被应用到海洋研究中，包括生物降解技术［5］、遗传标记技术［6］等。随着生物技术尤其是海洋生物技术的蓬勃发展和极地生物资源可开发利用的深入，生物技术在极地生物资源中的应用前景被持续看好。

本文主要对当前生物技术在极地生物资源研究中的应用进展以及未来的研究方向和重点进行综述，以助力人们更好地了解极地资源开发中的技术应用。

1 海洋生物技术的研究进展

海洋生物技术可运用于探索海洋生物资源，并依托生物多样性作为新产品的来源，利用现代分子生物学和微生物生态学等在海洋生物中的应用，开发出有益于人类的成果［7］。海洋生物产业的发展与海洋生物技术的发展息息相关。近几十年，海洋生物技术对海洋资源开发和利用的重要性越来越被科研人员所关注，各国都投入了大量的资金对海洋技术进行研发。如在药学领域，通过对海洋生物营养结构和营养成分的研究，发现了类胡萝卜素、多不饱和脂肪酸、蛋白质和酶等生物活性物质，这些物质可以以抗氧化剂、抗生素、止痛剂、抗肿瘤、抗炎和抗真菌药物的形式被应用于制药工业，并通过光生物反应器培养技术、生物遗传转化技术、酶水解技术、溶剂提取技术等技术手段，成功生产出一些药物，如Prialt®止痛剂、Yondelis®抗肿瘤药、Cytosar-U®抗癌剂，以及用于治疗脑膜炎的Depocyt®和Vira-A®抗病毒剂［8］。这些成果有效促进了新药研发能力及水平的提升。食品行业的发展同样离不开海洋生物技术的影响，科研人员在海藻研究中，利用化合物提取纯化技术，成功生产出了添加剂和色素，这些绿色化合物被成功应用于意大利面、面包和酸奶生产［9］。此外，研究人员还利用海藻成功生产出生物燃料，这种燃料具有可替代陆地植物、易于生长、产率高、可持续的优势，比如众所周知的生物乙醇［10-11］，对人类出行和生产生活具有很大的实用价值。

国外对海洋生物技术的研究早于中国，早期的研究主要是通过生物技术从海洋生物中提取天然产物，随着食品和工业的发展，研究热点转向如何将提取的天然产物改造、合成为衍生物，并用于药物开发、食品加工和新能源生产［3］。国内对海洋生物技术的研究虽起步较晚，但也取得了显著的成果，如在水产养殖业中，开展了诸多利用海洋生物技术进行水产动物基因分析、育种等方面的研究，如ZHANG等［12］将凡纳滨对虾基因（Litopenaeus vannamei）组破译，获得世界上第一个高质量的对虾基因组参考图谱，揭示了对虾底栖适应和重复蜕皮-生长的分子机制，为甲壳动物研究及对虾基因组育种和分子改良提供了重要理论支撑，为我国乃至世界对虾的分子育种进入基因组育种时代奠定了基础。生物技术的发展和应用在解决水产养殖育苗难、产量低、死亡率高、成本代价大等难题方面发挥着越来越重要的作用，推动了养殖规模的提高，极大促进了我国水产养殖业和渔业经济的发展。

2 极地海洋生物资源现状

2.1 北极海洋生物资源开发利用现状

北冰洋受纬度高，气候寒冷的地理环境影响，很少有动植物种类可以在此种极端环境下存活，浮游植物的生产力相比其他海洋区域显著减少［13］。微藻为北极地区初级生产力的承担者，种类丰富，优势藻种主要集中在圆柱拟脆杆藻（Fragilariopsis cylindrus）、海洋拟脆杆藻 （F.oceanica）、北极直链藻（Melosira arctica）、大洋舟形 藻 （Navicula pelagica）、新 月 细 柱 藻（Clindrotheca closterium）、北 方 舟 形 藻 （N.septentrionalis），而硅藻为绝对优势藻种，其中又以集中冰底约10 cm处的羽纹硅藻（Pennales diatom）为主［14］。

北极鱼类资源的种类和资源量相对其他洋区较少，主要经济鱼类有：太平洋毛鳞鱼（Mallotus villosus）、北鳕 （Boreogadus saida）、大西洋鳕（Gadus morhua）、太平洋鳕（G.macrocephalus）、蛛雪蟹（Chionoecetes opilio）等［15］。根据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）划分标准，北极拥有三个渔区，分别为18渔区、27渔区和21渔区，地跨北冰洋、东北大西洋和西北大西洋，而主要渔场集中在东北大西洋。研究表明，北极区域27渔区和21渔区大部分鱼类品种处于完全开发状态，仅少部分种类还未完全开发，具有经济价值的鱼类品种，如大西洋鳕，太平洋毛鳞鱼等面临资源崩溃［16］；18渔区的渔业资源基本处于未开发状态，地理环境恶劣、设施和开发技术不完善、经济效益较低等是限制该区渔业资源开发的主要因素。因此，研发适合北极渔业开发的技术，在降低渔业开发成本、提高经济效益的同时，可以有效促进北极渔业产业的可持续发展。

2.2 南极海洋生物资源开发利用现状

南极海洋中具有极其丰富的鱼类和磷虾资源，其中鱼类约有200种，具有较高经济价值的鱼类有小鳞犬牙南极鱼（Dissostichus eleginoides）和莫氏犬牙南极鱼（D.mawsoni）等。小鳞犬牙南极鱼被称为“白色黄金”，价格极高，渔获产量自20世纪90年代达到高峰之后持续下降，现已被列入濒临灭绝鱼类的名单。另外在南极深海区域也有不少狮子鱼（snailfish）和粘鱼（Ictalurus spp.），这些都是具有开发潜力的鱼类资源。南极海域的南极磷虾储备量巨大，在鱼类饵料生物组成中占有重要地位，资源开发潜力巨大，进而受到世界各国的关注［17］。中层拖网是早期最普遍使用的南极磷虾捕捞网具，这种网具可以达到每日捕捞250～300 t的效果。但从2007年开始，连续捕捞技术开始被应用到挪威渔船上，这种技术的应用，大大提高了挪威捕捞船的日捕捞产量［18］。此外，南极地区的微生物群落同样多样化，南极特殊的地理和气候环境赋予了微生物独特的抗逆性适应机制和生理生化特性［19］。比如常被研究人员研究的南极冰藻，这种生物具备独特的耐盐、抗冻机理，是研究单细胞真核生物抗逆性机制良好的模式生物，同时可以为高等植物（如农作物和蔬菜）的抗逆机制研究提供新的思路［20］。

3 海洋生物技术在极地海洋生物研究中的应用

3.1 分离纯化技术在南极磷虾特殊蛋白酶研究中的应用

南极磷虾体内拥有特殊蛋白酶，这种酶活力很强［21］，死后自溶很快，甚至 -18℃以下也有较强的自溶能力［22］，对南极磷虾的长距离运输与质量保持造成较大的困难，至今为止，已有很多研究人员利用现代生物技术对蛋白酶性质进行了大量的研究。NISHIMURA等［23］通过研究发现，南极磷虾品质的变化与体内蛋白酶有关。OSNES与MOHTR［24］发现，类胰蛋白酶对南极磷虾自溶起到 40%的作用。向宇［25］、王琨［26］、田鑫等［27］和杭虞杰等［28］先后利用蛋白分离纯化技术研究了南极磷虾胰蛋白酶，并对其分子量和最适pH进行了测定。南极磷虾蛋白酶是种丝氨酸蛋白酶并具有胰蛋白酶的特性。研究发现，苯甲基磺酰氟（PMSF）、甲苯磺酰赖氨酸氯甲酮（TLCK）和大豆胰蛋白酶抑制剂（SBTI）对南极磷虾蛋白酶有较强的抑制作用，抑制率分别为86%、93%和95%；甲苯磺酰-苯丙氨酸氯甲基酮（TPCK）和乙二胺四乙酸（EDTA）对该酶基本没有影响［29］。吴晶等［30］在前人研究的基础上另辟新路，利用分离纯化技术对南极磷虾羧肽酶A进行分离纯化并对酶学性质进行分析，发现南极磷虾羧肽酶A在弱碱性环境下的最适温度为30℃［31］。此外，金属离子可以显著影响南极磷虾羧肽酶的活性，Zn2+、Mg2+、Mn2+和 Ni2+可以显著激活南极磷虾羧肽酶A活力［31］，Cu2+和Hg2+可以显著抑制羧肽酶 A活力［32］。

分离纯化技术虽然可以实现对南极磷虾体内蛋白酶性质的分析，使我们对蛋白酶的分子量以及影响因素有所了解，但这些因素通过何种机制、何种方式调节蛋白酶的活性目前还知之甚少。另外，目前只知道南极磷虾体内蛋白酶的表达会导致南极磷虾自溶，但是蛋白酶表达的调控基因及通路尚不清楚，更有效的基因筛选技术的应用有望探清其机制。

3.2 生物组学技术在藻类抗低温适应机制的应用

藻类作为最重要的初级生产者，广泛存在于海洋生态系统中，并构成了海洋生物食物网的基础。藻类生长迅速，可积累多种营养物质［2］，被广泛应用到生产、生活的各个方面。近年来基因组学技术的应用，使极地微藻适应冰冻圈背后的分子机制得到了深入研究。BLANC等［33］通过转录组测序技术对耐冷绿藻的基因序列进行了测序和分析；此外，研究人员通过基因组测序技术发现南极圆柱拟脆杆藻基因组含有约25%高度分化的等位基因［34］；MOCK与 VALENTIN［35］利用宏阵列技术研究了温度变化过程中南极圆柱拟脆杆藻的基因表达情况，并发现在低温下南极圆柱拟脆杆藻与抗冰冻光抑制相关基因的表达上调；POONG等［36］通过对辐射处理后的南极小球藻转录本进行测序和分析，发现紫外胁迫可以对小球藻细胞的代谢通路产生影响；KAN等［37］利用二维聚丙烯酰胺凝胶电泳分析技术对南极微藻低温适应机制进行研究，发现低温可以诱导南极微藻体内蛋白的合成；吕娜［38］利用代谢组学、脂组学技术对NaCl胁迫、氮磷缺乏胁迫下的雪衣藻（Chlamydomonas nivalis Wille）细胞响应机制进行分析，发现多种细胞途径发生变化，并鉴定出多种代谢标记物。

用生物组学技术对极地藻类抗逆性机制进行研究，对进一步开发利用藻类资源及其规模化人工养殖提供了科学依据。但目前，研究人员对极地藻类的研究还处于初级阶段，且涉及领域较窄，仅停留在少数特异性种类上。极地生物资源丰富，藻类资源仅是其中一部分，随着组学技术的快速发展与应用，我们在加强对藻类基本生物功能及代谢途径全面认识的同时，可以考虑将组学技术更广泛地应用到极地其他生物资源当中，从而为生物资源的全面开发利用提供技术支撑。

3.3 现代分子生物学技术在极地微生物多样性研究中的应用

南极地区独特的地理气候特征和微生物环境，形成了丰富的微生物资源，北极与南极相比，生命活动更加活跃，动植物以及微生物资源也更加丰富，展现了巨大的开发应用潜力［39］。对极地微生物菌种资源的研究发掘和探索，将为微生物生态功能的研究、微生物次生代谢产物的挖掘和酶制剂的筛选等奠定基础，具有重要的生物学意义及应用价值。

现阶段，人们对微生物多样性的研究方法主要是利用传统的可培养和非培养的现代分子生物学技术。具体来说，这些方法包括传统的分离培养法、核酸杂交技术、生物标记法、基于PCR技术的16S rRNA基因文库构建、变性梯度凝胶电泳（DGGE）和温度梯度凝胶电泳（TGGE）技术、限制性片段长度多态性（RFLP）和扩增性片段长度多态性（AFLP）以及高通量测序技术等［40］。核酸杂交技术是一种高效的分子生物学技术，RAVENSCHLAG等［41］采用荧光原位杂交技术（FISH）对北极海洋沉积物中的微生物进行研究分析，发现了多种微生物类群，以硫酸盐还原细菌（sulfate reducing bacteria）和细胞吞噬-黄杆菌菌群（Cytophaga-Flavobacterium）最为丰富。另外，在PCR技术方面，AISLABIE等［42］通过基因文库构建研究了南极地区表层土壤的细菌群落，发现其主要包括放线菌门、变形菌门及酸杆菌门等。在变形梯度凝胶电泳（DGGE）和温度梯度凝胶电泳（TGGE）技术方面，苏玉环［43］采用 PCRDGGE法对北极太平洋扇区深海表层沉积物的细菌群落结构进行研究，发现变形菌、噬纤维菌-屈挠杆菌-拟杆菌群、放线细菌和酸杆菌为优势菌群；李莎［44］对北极深海表层沉积物中的宏基因组进行PCR产物的变性梯度凝胶电泳（DGGE）分析，发现变形细菌（Proteobacteria）占主要优势。ZHANG等［45］利用宏基因组测序技术对南北极的微生物群落进行研究，获得了在糖类和脂类生物合成、硝酸盐和硫酸盐还原以及二氧化碳固定等方面具有广泛用途的菌株，而且通过南北极微生物群落对比发现，北极的抗性基因丰富，而南极的微生物功能丰富，比如DNA重组、DNA剪接和RNA转录。这些研究为未来更好地研究极地微生物多样性以及开发利用功能基因奠定了基础。

研究表明，极地微生物除了耐冷的特性外，往往可以产生新型的生物活性物质和先导化合物（如酶、多糖及脂类等）［46］，这些物质对探索微生物分类、开发利用新的微生物资源、包括特异性的基因资源都具有重要意义。除此之外，极地微生物在蛋白质核酸组成［47］、酶的结构与性质［48］、代谢途径［49］等方面具有独特之处，可为微生物生理、遗传和分类乃至生命科学及相关学科的许多领域提供研究材料，如生物电子器械。未来的技术应用方向应从资源开发着手，发挥生物技术巨大的潜力，如分子生态学技术的应用。分子生态学技术作为发展迅速的现代生物技术，已经在解决海洋微生物区系的分类和功能组成问题上表现出很好的适用性，该技术在极地微生物研究中的应用同样可期。

3.4 基因组技术在极地生物功能基因研究中的应用

基因组技术的发展极大地提升了人们研究基因表达影响的效率，即使是针对非传统遗传模式的物种。极地拥有丰富的动植物基因资源，从这些高度适应的极地生物中鉴定出的基因具有深远的生物技术应用价值。同源克隆、基因组和转录组测序等技术是研究功能基因表达的重要工具，在此基础上开展转录组分析、挖掘功能基因，对未来功能基因的产业化应用具有重要意义［50］。近些年来，由于极地越发“可接近”以及21世纪生物技术的迅猛发展，研究人员对极地功能基因的研究呈现日益增长趋势。BUCKLEY与SOMERO［51］利用cDNA微阵列技术对伯氏肩孔南极鱼（Trematomus bernacchii）进行基因表达检测，发现环境温度升高虽然不能上调热休克蛋白（HSPs）的表达，但会对与细胞过程相关的数百个额外的功能基因产生影响，这些基因和细胞应激反应（CSR）方面相关。HUTH与PLACE［52］利用转录组测序和基因差异表达分析技术对伯氏肩孔南极鱼在海水酸化和气温升高胁迫下功能基因的表达进行研究，发现伯氏肩孔南极鱼对多应激源条件表现出强烈的应激反应，且参与代谢转移、DNA损伤修复、免疫系统、细胞凋亡通路的活跃性、细胞分化调控等途径的功能基因表现出较高的表达量。BILYK与CHENG［53］利用转录组测序技术对博氏南冰鰧（Pagothenia borchgrevinki）cDNA文库进行测序发现，与转录及转录调控、泛素蛋白连接酶活性、蛋白泛素化、蛋白结合等相关的基因在低温适应中起着至关重要的作用，这对未来研究极地动物的冷适应和热反应，开发动物基因资源非常有利。SEEAR等［54］利用cDNA微阵列技术构建了一个南极磷虾cDNA微阵列，生成其整个蜕皮周期的基因表达谱，并确定可能的激活途径，结果鉴定出了26个不同的角质层基因，并发现这些基因在整个蜕皮周期中的差异表达。这项研究对解析在基因表达水平上如何调控南极磷虾蜕皮机制，以及对南极磷虾资源开发利用和人工养殖提供了参考。

极地动物功能基因的研究离不开现代基因组和转录组测序技术的支撑，但受极地特殊环境和测序技术的限制，目前极地仅有一小部分的生物完成了基因组测序，而且当前生物技术在极地功能基因研究方面应用还比较片面［55］，强有效的基因功能分析技术发展存在不足。未来需在加强基因技术应用的同时，搭建分析平台，探讨新型分析技术在极地功能基因研究中应用的可能性和时效性。

4 总结与展望

在极地动物、植物和微生物的研究中，生物技术尤其是组学技术得到了广泛的应用。但对比资源开发利用的总体进程来看，目前生物技术在极地生物研究中的应用范围还比较窄，重点以基础科学研究为主，今后需加强生物技术在生物量估算、物种多样性研究、生物资源开发等方面的支撑和应用。比如可将近些年来新兴的环境DNA（eDNA）方法应用到极地生物多样性和生物量丰度评估中去，将定位蛋白质和研究蛋白质功能的荧光蛋白标记技术应用到极地生物资源蛋白和功能基因研究中。极地基因资源丰富，但目前基因组技术在极地生物功能基因的研究中主要以动物为主，在微生物环境适应功能基因探索方面应用较少，可加强宏基因组技术在微生物群落功能研究中的应用。另外，藻类微生物是生产不饱和脂肪酸脂类的重要来源，可加强生物合成技术和微生物脂类提取技术等在极地藻类研究中的应用。同时，可借鉴海洋生物技术在海洋生物资源开发中的应用成效，将生物化合物提取技术、克隆技术、遗传改良分析技术等应用于极地动植物研究中，找到能给人类带来切实应用或经济价值的物种并加以开发利用。渔业是极地极具商业利用价值的资源，为促进极地渔业发展，还需加强生物技术在在极地渔业资源捕捞和保鲜中的开发应用。