圖為研究團隊培育的文昌魚。受訪者供圖

不久前，記者在廈門大學生命科學學院細胞應激生物學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。”廈門大學生命科學學院細胞應激生物學國家重點實驗室教授李光在應邀前往芝加哥大學作學術(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。”廈門大學生命科學學院教授王義權(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，廈門大學生命科學學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。最終，團隊攻克了文昌魚產(chǎn)卵、產(chǎn)精誘導技術(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至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，廈門大學生命科學學院將科研優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為教學優(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。

躋身模式動物應用前景廣闊

近年來，在建立穩(wěn)定的實驗室養(yǎng)殖系統(tǒng)基礎(chǔ)上，廈門大學生命科學學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)科學問題研究方面取得系列成果。“現(xiàn)在，文昌魚模式動物應用體系已基本建成。”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雜形狀起源演化過程的模式動物，應用前景廣闊。

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，廈門大學生命科學學院正在擴大和推廣文昌魚應用于更多學科領(lǐng)域，吸引更多實驗室應用這一新型模式動物。