生物技術(shù)在極地海洋生物資源可持續(xù)利用中的作用與應(yīng)用

李長穩(wěn)，高 磊，鞠劍鋒，宋 煒，張鳳英，黃洪亮，劉 勤，趙 明，鄭漢豐，馮春雷，馬凌波，蔣科技*

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200090；2.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海 201306）

地球的南北兩極與全球環(huán)境變化、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、人類生存息息相關(guān)［1］。極地的環(huán)境價(jià)值、資源價(jià)值、科學(xué)價(jià)值和地緣價(jià)值有目共睹，尤其是生物資源更是具有巨大的開發(fā)利用前景。極地海洋中擁有豐富的生物資源，漁業(yè)資源和基因資源是當(dāng)前具有重要研究價(jià)值，也是產(chǎn)業(yè)利用潛力巨大的兩種主要內(nèi)容，這些資源的開發(fā)利用具有重大的戰(zhàn)略意義，尤其是對(duì)耕地和淡水資源相對(duì)緊缺的中國而言［2］。因而，極地海洋生物的研究越來越多地被各國所關(guān)注。我國參與南北極探索研究活動(dòng)，一方面可參與保護(hù)和合理利用極地生物資源，加強(qiáng)我國在極地海域的權(quán)益，同時(shí)也為我國參與極地事務(wù)及極地生物資源管理機(jī)制建設(shè)奠定基礎(chǔ)。作為“非極地”國家，我國對(duì)極地生物資源（尤其漁業(yè)資源）的研究受到地緣、氣候等諸多客觀條件的限制，如何突破這些限制關(guān)系到我國極地權(quán)益的維護(hù)。現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為我國開展極地生物資源研究創(chuàng)造了條件。

生物技術(shù)指在生物系統(tǒng)、生物體及其衍生物研究與開發(fā)中的技術(shù)應(yīng)用［3］，近20年，生物技術(shù)發(fā)展迅速，作為21世紀(jì)的一項(xiàng)核心技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用到農(nóng)牧漁業(yè)、醫(yī)藥、食品、能源、環(huán)保、化工等多個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。根據(jù)生物技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，KAFARSKI［4］開發(fā)了一種色碼來區(qū)分生物技術(shù)的主要領(lǐng)域：白色（工業(yè)）、綠色（農(nóng)業(yè)）、藍(lán)色（海洋）、紅色（制藥）、棕色（沙漠生物技術(shù)）和紫色（專利和發(fā)明）等等。其中藍(lán)色生物技術(shù)領(lǐng)域較新，但隨著陸地資源的短缺，藍(lán)色生物技術(shù)更具良好的發(fā)展前景。

受陸地資源與近海資源短缺的影響，遠(yuǎn)洋／極地資源的開發(fā)和利用日益受到重視，尤其是生物資源。極地生物資源具有種類多，資源量大，可持續(xù)利用性強(qiáng)等特點(diǎn)，但要使極地生物資源能最大限度地為人類所用，同時(shí)又保證它的可持續(xù)性，在對(duì)資源進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查的同時(shí)，更需要生物技術(shù)的應(yīng)用。目前，已有很多生物技術(shù)被應(yīng)用到海洋研究中，包括生物降解技術(shù)［5］、遺傳標(biāo)記技術(shù)［6］等。隨著生物技術(shù)尤其是海洋生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和極地生物資源可開發(fā)利用的深入，生物技術(shù)在極地生物資源中的應(yīng)用前景被持續(xù)看好。

本文主要對(duì)當(dāng)前生物技術(shù)在極地生物資源研究中的應(yīng)用進(jìn)展以及未來的研究方向和重點(diǎn)進(jìn)行綜述，以助力人們更好地了解極地資源開發(fā)中的技術(shù)應(yīng)用。

1 海洋生物技術(shù)的研究進(jìn)展

海洋生物技術(shù)可運(yùn)用于探索海洋生物資源，并依托生物多樣性作為新產(chǎn)品的來源，利用現(xiàn)代分子生物學(xué)和微生物生態(tài)學(xué)等在海洋生物中的應(yīng)用，開發(fā)出有益于人類的成果［7］。海洋生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與海洋生物技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。近幾十年，海洋生物技術(shù)對(duì)海洋資源開發(fā)和利用的重要性越來越被科研人員所關(guān)注，各國都投入了大量的資金對(duì)海洋技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。如在藥學(xué)領(lǐng)域，通過對(duì)海洋生物營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分的研究，發(fā)現(xiàn)了類胡蘿卜素、多不飽和脂肪酸、蛋白質(zhì)和酶等生物活性物質(zhì)，這些物質(zhì)可以以抗氧化劑、抗生素、止痛劑、抗腫瘤、抗炎和抗真菌藥物的形式被應(yīng)用于制藥工業(yè)，并通過光生物反應(yīng)器培養(yǎng)技術(shù)、生物遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)、酶水解技術(shù)、溶劑提取技術(shù)等技術(shù)手段，成功生產(chǎn)出一些藥物，如Prialt?止痛劑、Yondelis?抗腫瘤藥、Cytosar-U?抗癌劑，以及用于治療腦膜炎的Depocyt?和Vira-A?抗病毒劑［8］。這些成果有效促進(jìn)了新藥研發(fā)能力及水平的提升。食品行業(yè)的發(fā)展同樣離不開海洋生物技術(shù)的影響，科研人員在海藻研究中，利用化合物提取純化技術(shù)，成功生產(chǎn)出了添加劑和色素，這些綠色化合物被成功應(yīng)用于意大利面、面包和酸奶生產(chǎn)［9］。此外，研究人員還利用海藻成功生產(chǎn)出生物燃料，這種燃料具有可替代陸地植物、易于生長、產(chǎn)率高、可持續(xù)的優(yōu)勢(shì)，比如眾所周知的生物乙醇［10-11］，對(duì)人類出行和生產(chǎn)生活具有很大的實(shí)用價(jià)值。

國外對(duì)海洋生物技術(shù)的研究早于中國，早期的研究主要是通過生物技術(shù)從海洋生物中提取天然產(chǎn)物，隨著食品和工業(yè)的發(fā)展，研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向如何將提取的天然產(chǎn)物改造、合成為衍生物，并用于藥物開發(fā)、食品加工和新能源生產(chǎn)［3］。國內(nèi)對(duì)海洋生物技術(shù)的研究雖起步較晚，但也取得了顯著的成果，如在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中，開展了諸多利用海洋生物技術(shù)進(jìn)行水產(chǎn)動(dòng)物基因分析、育種等方面的研究，如ZHANG等［12］將凡納濱對(duì)蝦基因（Litopenaeus vannamei）組破譯，獲得世界上第一個(gè)高質(zhì)量的對(duì)蝦基因組參考圖譜，揭示了對(duì)蝦底棲適應(yīng)和重復(fù)蛻皮-生長的分子機(jī)制，為甲殼動(dòng)物研究及對(duì)蝦基因組育種和分子改良提供了重要理論支撐，為我國乃至世界對(duì)蝦的分子育種進(jìn)入基因組育種時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。生物技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用在解決水產(chǎn)養(yǎng)殖育苗難、產(chǎn)量低、死亡率高、成本代價(jià)大等難題方面發(fā)揮著越來越重要的作用，推動(dòng)了養(yǎng)殖規(guī)模的提高，極大促進(jìn)了我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和漁業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 極地海洋生物資源現(xiàn)狀

2.1 北極海洋生物資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

北冰洋受緯度高，氣候寒冷的地理環(huán)境影響，很少有動(dòng)植物種類可以在此種極端環(huán)境下存活，浮游植物的生產(chǎn)力相比其他海洋區(qū)域顯著減少［13］。微藻為北極地區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力的承擔(dān)者，種類豐富，優(yōu)勢(shì)藻種主要集中在圓柱擬脆桿藻（Fragilariopsis cylindrus）、海洋擬脆桿藻 （F.oceanica）、北極直鏈藻（Melosira arctica）、大洋舟形 藻 （Navicula pelagica）、新 月 細(xì) 柱 藻（Clindrotheca closterium）、北 方 舟 形 藻 （N.septentrionalis），而硅藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)藻種，其中又以集中冰底約10 cm處的羽紋硅藻（Pennales diatom）為主［14］。

北極魚類資源的種類和資源量相對(duì)其他洋區(qū)較少，主要經(jīng)濟(jì)魚類有：太平洋毛鱗魚（Mallotus villosus）、北鱈 （Boreogadus saida）、大西洋鱈（Gadus morhua）、太平洋鱈（G.macrocephalus）、蛛雪蟹（Chionoecetes opilio）等［15］。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）劃分標(biāo)準(zhǔn)，北極擁有三個(gè)漁區(qū)，分別為18漁區(qū)、27漁區(qū)和21漁區(qū)，地跨北冰洋、東北大西洋和西北大西洋，而主要漁場集中在東北大西洋。研究表明，北極區(qū)域27漁區(qū)和21漁區(qū)大部分魚類品種處于完全開發(fā)狀態(tài)，僅少部分種類還未完全開發(fā)，具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的魚類品種，如大西洋鱈，太平洋毛鱗魚等面臨資源崩潰［16］；18漁區(qū)的漁業(yè)資源基本處于未開發(fā)狀態(tài)，地理環(huán)境惡劣、設(shè)施和開發(fā)技術(shù)不完善、經(jīng)濟(jì)效益較低等是限制該區(qū)漁業(yè)資源開發(fā)的主要因素。因此，研發(fā)適合北極漁業(yè)開發(fā)的技術(shù)，在降低漁業(yè)開發(fā)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，可以有效促進(jìn)北極漁業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 南極海洋生物資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

南極海洋中具有極其豐富的魚類和磷蝦資源，其中魚類約有200種，具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的魚類有小鱗犬牙南極魚（Dissostichus eleginoides）和莫氏犬牙南極魚（D.mawsoni）等。小鱗犬牙南極魚被稱為“白色黃金”，價(jià)格極高，漁獲產(chǎn)量自20世紀(jì)90年代達(dá)到高峰之后持續(xù)下降，現(xiàn)已被列入瀕臨滅絕魚類的名單。另外在南極深海區(qū)域也有不少獅子魚（snailfish）和粘魚（Ictalurus spp.），這些都是具有開發(fā)潛力的魚類資源。南極海域的南極磷蝦儲(chǔ)備量巨大，在魚類餌料生物組成中占有重要地位，資源開發(fā)潛力巨大，進(jìn)而受到世界各國的關(guān)注［17］。中層拖網(wǎng)是早期最普遍使用的南極磷蝦捕撈網(wǎng)具，這種網(wǎng)具可以達(dá)到每日捕撈250～300 t的效果。但從2007年開始，連續(xù)捕撈技術(shù)開始被應(yīng)用到挪威漁船上，這種技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了挪威捕撈船的日捕撈產(chǎn)量［18］。此外，南極地區(qū)的微生物群落同樣多樣化，南極特殊的地理和氣候環(huán)境賦予了微生物獨(dú)特的抗逆性適應(yīng)機(jī)制和生理生化特性［19］。比如常被研究人員研究的南極冰藻，這種生物具備獨(dú)特的耐鹽、抗凍機(jī)理，是研究單細(xì)胞真核生物抗逆性機(jī)制良好的模式生物，同時(shí)可以為高等植物（如農(nóng)作物和蔬菜）的抗逆機(jī)制研究提供新的思路［20］。

3 海洋生物技術(shù)在極地海洋生物研究中的應(yīng)用

3.1 分離純化技術(shù)在南極磷蝦特殊蛋白酶研究中的應(yīng)用

南極磷蝦體內(nèi)擁有特殊蛋白酶，這種酶活力很強(qiáng)［21］，死后自溶很快，甚至 -18℃以下也有較強(qiáng)的自溶能力［22］，對(duì)南極磷蝦的長距離運(yùn)輸與質(zhì)量保持造成較大的困難，至今為止，已有很多研究人員利用現(xiàn)代生物技術(shù)對(duì)蛋白酶性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究。NISHIMURA等［23］通過研究發(fā)現(xiàn)，南極磷蝦品質(zhì)的變化與體內(nèi)蛋白酶有關(guān)。OSNES與MOHTR［24］發(fā)現(xiàn)，類胰蛋白酶對(duì)南極磷蝦自溶起到 40%的作用。向宇［25］、王琨［26］、田鑫等［27］和杭虞杰等［28］先后利用蛋白分離純化技術(shù)研究了南極磷蝦胰蛋白酶，并對(duì)其分子量和最適pH進(jìn)行了測定。南極磷蝦蛋白酶是種絲氨酸蛋白酶并具有胰蛋白酶的特性。研究發(fā)現(xiàn)，苯甲基磺酰氟（PMSF）、甲苯磺酰賴氨酸氯甲酮（TLCK）和大豆胰蛋白酶抑制劑（SBTI）對(duì)南極磷蝦蛋白酶有較強(qiáng)的抑制作用，抑制率分別為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）對(duì)該酶基本沒有影響［29］。吳晶等［30］在前人研究的基礎(chǔ)上另辟新路，利用分離純化技術(shù)對(duì)南極磷蝦羧肽酶A進(jìn)行分離純化并對(duì)酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)南極磷蝦羧肽酶A在弱堿性環(huán)境下的最適溫度為30℃［31］。此外，金屬離子可以顯著影響南極磷蝦羧肽酶的活性，Zn2+、Mg2+、Mn2+和 Ni2+可以顯著激活南極磷蝦羧肽酶A活力［31］，Cu2+和Hg2+可以顯著抑制羧肽酶 A活力［32］。

分離純化技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)南極磷蝦體內(nèi)蛋白酶性質(zhì)的分析，使我們對(duì)蛋白酶的分子量以及影響因素有所了解，但這些因素通過何種機(jī)制、何種方式調(diào)節(jié)蛋白酶的活性目前還知之甚少。另外，目前只知道南極磷蝦體內(nèi)蛋白酶的表達(dá)會(huì)導(dǎo)致南極磷蝦自溶，但是蛋白酶表達(dá)的調(diào)控基因及通路尚不清楚，更有效的基因篩選技術(shù)的應(yīng)用有望探清其機(jī)制。

3.2 生物組學(xué)技術(shù)在藻類抗低溫適應(yīng)機(jī)制的應(yīng)用

藻類作為最重要的初級(jí)生產(chǎn)者，廣泛存在于海洋生態(tài)系統(tǒng)中，并構(gòu)成了海洋生物食物網(wǎng)的基礎(chǔ)。藻類生長迅速，可積累多種營養(yǎng)物質(zhì)［2］，被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面。近年來基因組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，使極地微藻適應(yīng)冰凍圈背后的分子機(jī)制得到了深入研究。BLANC等［33］通過轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對(duì)耐冷綠藻的基因序列進(jìn)行了測序和分析；此外，研究人員通過基因組測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)南極圓柱擬脆桿藻基因組含有約25%高度分化的等位基因［34］；MOCK與 VALENTIN［35］利用宏陣列技術(shù)研究了溫度變化過程中南極圓柱擬脆桿藻的基因表達(dá)情況，并發(fā)現(xiàn)在低溫下南極圓柱擬脆桿藻與抗冰凍光抑制相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào)；POONG等［36］通過對(duì)輻射處理后的南極小球藻轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行測序和分析，發(fā)現(xiàn)紫外脅迫可以對(duì)小球藻細(xì)胞的代謝通路產(chǎn)生影響；KAN等［37］利用二維聚丙烯酰胺凝膠電泳分析技術(shù)對(duì)南極微藻低溫適應(yīng)機(jī)制進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低溫可以誘導(dǎo)南極微藻體內(nèi)蛋白的合成；呂娜［38］利用代謝組學(xué)、脂組學(xué)技術(shù)對(duì)NaCl脅迫、氮磷缺乏脅迫下的雪衣藻（Chlamydomonas nivalis Wille）細(xì)胞響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)多種細(xì)胞途徑發(fā)生變化，并鑒定出多種代謝標(biāo)記物。

用生物組學(xué)技術(shù)對(duì)極地藻類抗逆性機(jī)制進(jìn)行研究，對(duì)進(jìn)一步開發(fā)利用藻類資源及其規(guī)?；斯ゐB(yǎng)殖提供了科學(xué)依據(jù)。但目前，研究人員對(duì)極地藻類的研究還處于初級(jí)階段，且涉及領(lǐng)域較窄，僅停留在少數(shù)特異性種類上。極地生物資源豐富，藻類資源僅是其中一部分，隨著組學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，我們?cè)诩訌?qiáng)對(duì)藻類基本生物功能及代謝途徑全面認(rèn)識(shí)的同時(shí)，可以考慮將組學(xué)技術(shù)更廣泛地應(yīng)用到極地其他生物資源當(dāng)中，從而為生物資源的全面開發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

3.3 現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)在極地微生物多樣性研究中的應(yīng)用

南極地區(qū)獨(dú)特的地理氣候特征和微生物環(huán)境，形成了豐富的微生物資源，北極與南極相比，生命活動(dòng)更加活躍，動(dòng)植物以及微生物資源也更加豐富，展現(xiàn)了巨大的開發(fā)應(yīng)用潛力［39］。對(duì)極地微生物菌種資源的研究發(fā)掘和探索，將為微生物生態(tài)功能的研究、微生物次生代謝產(chǎn)物的挖掘和酶制劑的篩選等奠定基礎(chǔ)，具有重要的生物學(xué)意義及應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)階段，人們對(duì)微生物多樣性的研究方法主要是利用傳統(tǒng)的可培養(yǎng)和非培養(yǎng)的現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)。具體來說，這些方法包括傳統(tǒng)的分離培養(yǎng)法、核酸雜交技術(shù)、生物標(biāo)記法、基于PCR技術(shù)的16S rRNA基因文庫構(gòu)建、變性梯度凝膠電泳（DGGE）和溫度梯度凝膠電泳（TGGE）技術(shù)、限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）和擴(kuò)增性片段長度多態(tài)性（AFLP）以及高通量測序技術(shù)等［40］。核酸雜交技術(shù)是一種高效的分子生物學(xué)技術(shù)，RAVENSCHLAG等［41］采用熒光原位雜交技術(shù)（FISH）對(duì)北極海洋沉積物中的微生物進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)了多種微生物類群，以硫酸鹽還原細(xì)菌（sulfate reducing bacteria）和細(xì)胞吞噬-黃桿菌菌群（Cytophaga-Flavobacterium）最為豐富。另外，在PCR技術(shù)方面，AISLABIE等［42］通過基因文庫構(gòu)建研究了南極地區(qū)表層土壤的細(xì)菌群落，發(fā)現(xiàn)其主要包括放線菌門、變形菌門及酸桿菌門等。在變形梯度凝膠電泳（DGGE）和溫度梯度凝膠電泳（TGGE）技術(shù)方面，蘇玉環(huán)［43］采用 PCRDGGE法對(duì)北極太平洋扇區(qū)深海表層沉積物的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)變形菌、噬纖維菌-屈撓桿菌-擬桿菌群、放線細(xì)菌和酸桿菌為優(yōu)勢(shì)菌群；李莎［44］對(duì)北極深海表層沉積物中的宏基因組進(jìn)行PCR產(chǎn)物的變性梯度凝膠電泳（DGGE）分析，發(fā)現(xiàn)變形細(xì)菌（Proteobacteria）占主要優(yōu)勢(shì)。ZHANG等［45］利用宏基因組測序技術(shù)對(duì)南北極的微生物群落進(jìn)行研究，獲得了在糖類和脂類生物合成、硝酸鹽和硫酸鹽還原以及二氧化碳固定等方面具有廣泛用途的菌株，而且通過南北極微生物群落對(duì)比發(fā)現(xiàn)，北極的抗性基因豐富，而南極的微生物功能豐富，比如DNA重組、DNA剪接和RNA轉(zhuǎn)錄。這些研究為未來更好地研究極地微生物多樣性以及開發(fā)利用功能基因奠定了基礎(chǔ)。

研究表明，極地微生物除了耐冷的特性外，往往可以產(chǎn)生新型的生物活性物質(zhì)和先導(dǎo)化合物（如酶、多糖及脂類等）［46］，這些物質(zhì)對(duì)探索微生物分類、開發(fā)利用新的微生物資源、包括特異性的基因資源都具有重要意義。除此之外，極地微生物在蛋白質(zhì)核酸組成［47］、酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)［48］、代謝途徑［49］等方面具有獨(dú)特之處，可為微生物生理、遺傳和分類乃至生命科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的許多領(lǐng)域提供研究材料，如生物電子器械。未來的技術(shù)應(yīng)用方向應(yīng)從資源開發(fā)著手，發(fā)揮生物技術(shù)巨大的潛力，如分子生態(tài)學(xué)技術(shù)的應(yīng)用。分子生態(tài)學(xué)技術(shù)作為發(fā)展迅速的現(xiàn)代生物技術(shù)，已經(jīng)在解決海洋微生物區(qū)系的分類和功能組成問題上表現(xiàn)出很好的適用性，該技術(shù)在極地微生物研究中的應(yīng)用同樣可期。

3.4 基因組技術(shù)在極地生物功能基因研究中的應(yīng)用

基因組技術(shù)的發(fā)展極大地提升了人們研究基因表達(dá)影響的效率，即使是針對(duì)非傳統(tǒng)遺傳模式的物種。極地?fù)碛胸S富的動(dòng)植物基因資源，從這些高度適應(yīng)的極地生物中鑒定出的基因具有深遠(yuǎn)的生物技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。同源克隆、基因組和轉(zhuǎn)錄組測序等技術(shù)是研究功能基因表達(dá)的重要工具，在此基礎(chǔ)上開展轉(zhuǎn)錄組分析、挖掘功能基因，對(duì)未來功能基因的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要意義［50］。近些年來，由于極地越發(fā)“可接近”以及21世紀(jì)生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，研究人員對(duì)極地功能基因的研究呈現(xiàn)日益增長趨勢(shì)。BUCKLEY與SOMERO［51］利用cDNA微陣列技術(shù)對(duì)伯氏肩孔南極魚（Trematomus bernacchii）進(jìn)行基因表達(dá)檢測，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度升高雖然不能上調(diào)熱休克蛋白（HSPs）的表達(dá)，但會(huì)對(duì)與細(xì)胞過程相關(guān)的數(shù)百個(gè)額外的功能基因產(chǎn)生影響，這些基因和細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)（CSR）方面相關(guān)。HUTH與PLACE［52］利用轉(zhuǎn)錄組測序和基因差異表達(dá)分析技術(shù)對(duì)伯氏肩孔南極魚在海水酸化和氣溫升高脅迫下功能基因的表達(dá)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)伯氏肩孔南極魚對(duì)多應(yīng)激源條件表現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)激反應(yīng)，且參與代謝轉(zhuǎn)移、DNA損傷修復(fù)、免疫系統(tǒng)、細(xì)胞凋亡通路的活躍性、細(xì)胞分化調(diào)控等途徑的功能基因表現(xiàn)出較高的表達(dá)量。BILYK與CHENG［53］利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)對(duì)博氏南冰鰧（Pagothenia borchgrevinki）cDNA文庫進(jìn)行測序發(fā)現(xiàn)，與轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄調(diào)控、泛素蛋白連接酶活性、蛋白泛素化、蛋白結(jié)合等相關(guān)的基因在低溫適應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用，這對(duì)未來研究極地動(dòng)物的冷適應(yīng)和熱反應(yīng)，開發(fā)動(dòng)物基因資源非常有利。SEEAR等［54］利用cDNA微陣列技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)南極磷蝦cDNA微陣列，生成其整個(gè)蛻皮周期的基因表達(dá)譜，并確定可能的激活途徑，結(jié)果鑒定出了26個(gè)不同的角質(zhì)層基因，并發(fā)現(xiàn)這些基因在整個(gè)蛻皮周期中的差異表達(dá)。這項(xiàng)研究對(duì)解析在基因表達(dá)水平上如何調(diào)控南極磷蝦蛻皮機(jī)制，以及對(duì)南極磷蝦資源開發(fā)利用和人工養(yǎng)殖提供了參考。

極地動(dòng)物功能基因的研究離不開現(xiàn)代基因組和轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)的支撐，但受極地特殊環(huán)境和測序技術(shù)的限制，目前極地僅有一小部分的生物完成了基因組測序，而且當(dāng)前生物技術(shù)在極地功能基因研究方面應(yīng)用還比較片面［55］，強(qiáng)有效的基因功能分析技術(shù)發(fā)展存在不足。未來需在加強(qiáng)基因技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)，搭建分析平臺(tái)，探討新型分析技術(shù)在極地功能基因研究中應(yīng)用的可能性和時(shí)效性。

4 總結(jié)與展望

在極地動(dòng)物、植物和微生物的研究中，生物技術(shù)尤其是組學(xué)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。但對(duì)比資源開發(fā)利用的總體進(jìn)程來看，目前生物技術(shù)在極地生物研究中的應(yīng)用范圍還比較窄，重點(diǎn)以基礎(chǔ)科學(xué)研究為主，今后需加強(qiáng)生物技術(shù)在生物量估算、物種多樣性研究、生物資源開發(fā)等方面的支撐和應(yīng)用。比如可將近些年來新興的環(huán)境DNA（eDNA）方法應(yīng)用到極地生物多樣性和生物量豐度評(píng)估中去，將定位蛋白質(zhì)和研究蛋白質(zhì)功能的熒光蛋白標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用到極地生物資源蛋白和功能基因研究中。極地基因資源豐富，但目前基因組技術(shù)在極地生物功能基因的研究中主要以動(dòng)物為主，在微生物環(huán)境適應(yīng)功能基因探索方面應(yīng)用較少，可加強(qiáng)宏基因組技術(shù)在微生物群落功能研究中的應(yīng)用。另外，藻類微生物是生產(chǎn)不飽和脂肪酸脂類的重要來源，可加強(qiáng)生物合成技術(shù)和微生物脂類提取技術(shù)等在極地藻類研究中的應(yīng)用。同時(shí)，可借鑒海洋生物技術(shù)在海洋生物資源開發(fā)中的應(yīng)用成效，將生物化合物提取技術(shù)、克隆技術(shù)、遺傳改良分析技術(shù)等應(yīng)用于極地動(dòng)植物研究中，找到能給人類帶來切實(shí)應(yīng)用或經(jīng)濟(jì)價(jià)值的物種并加以開發(fā)利用。漁業(yè)是極地極具商業(yè)利用價(jià)值的資源，為促進(jìn)極地漁業(yè)發(fā)展，還需加強(qiáng)生物技術(shù)在在極地漁業(yè)資源捕撈和保鮮中的開發(fā)應(yīng)用。