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在俄勒岡沙丘國家 recreation Area 附近的太平洋海岸公路 200 英里標誌不遠處，有一個不起眼的水坑，在一些生物學界被稱為“黏糊糊的木頭池塘”。正是在這個不起眼的池塘裡，2000 年捕獲了一隻被稱為“天選之子”的水蚤 (蚤狀溞)，併成為第一個基因組被測序的甲殼動物。
對“天選之子”基因組的分析表明，這種微小的甲殼動物包含迄今為止任何已測序動物中最多的基因。它還有潛力加速科學家們對合成化學物質對環境和人類健康影響的理解。
世界上最常見的小型淡水食性生物——吞食世界各地湖泊和池塘中的藻類——水蚤也是魚類飲食中的主要食物，是食物網中的關鍵環節。這種肉眼幾乎看不見的微小動物長期以來一直是一種非常寶貴的水生指示物種，並被全球各機構用於評估淡水系統的健康狀況。
作為一種研究充分的物種，水蚤有望成為深入研究環境基因組學的關鍵模式生物。更好地理解基因與環境之間的相互作用也可能減少化學物質對人類健康的不利影響。
序列詳情於 2 月 3 日線上發表在《科學》雜誌上，結果表明，在迄今為止已測序的所有節肢動物中，水蚤與人類共享的基因最多。印第安納大學布盧明頓分校基因組學和生物資訊學中心的 約翰·科爾伯恩 說，這種基因重疊意味著這種哨兵物種最終也可能成為“人類的替代品，以展示化學物質對共享途徑的影響”，他是這篇新論文的主要作者。“基因組的大部分反映了動物如何進化以應對環境壓力。”
先前對水蚤的基因快照已經暗示了它的總體組成。但加州大學伯克利分校營養科學和毒理學組的 克里斯·沃爾普 說，全基因組序列提供了“關於基因功能更好的資訊，並使我們能夠更全面地瞭解有毒物質的影響”，他沒有參與這項新研究。“它確實增強了您理解環境中正在發生的事情的能力。”
渾濁的生物學
水生水蚤以希臘神話中的仙女達芙妮（她拒絕阿波羅神的求愛，在奧維德的敘述中被變成了樹）命名，它具有輕柔分支的觸角，通常在沒有雄性的情況下繁殖，透過將二倍體基因組（一套完整的染色體）傳遞給後代。這種一致性創造了克隆系，使它們成為實驗室研究的優秀候選者。
但科爾伯恩說，就像它們經常生活的水一樣，這些甲殼動物“具有非常渾濁的生物學”。然而，他指出，這種渾濁性已被證明是基因研究的沃土。“基因組比我們之前認為的更具可塑性，對環境的反應也更靈敏。”
研究人員致力於對水蚤進行測序——作為 水蚤基因組學聯盟 的一部分——他們預計會發現一個大小與 果蠅 相當的基因組，果蠅有 14,000 個基因。因此，他們震驚地發現蚤狀溞基因組包含至少 30,907 個基因——比 人類基因組 多近 8,000 個。其中約 36% 的基因以前未在任何其他生物體中發現。科爾伯恩說，研究人員發現，這些不熟悉的基因特徵並非進化上的無用之物，相反，它們“往往是對水蚤生態最敏感的基因”。
並非所有甲殼動物的基因在任何給定時間都是活躍的。相反，其中很大一部分基因會隨著水蚤環境的變化而開啟或關閉。科爾伯恩說，它們“或多或少是環境特異性的”。儘管它們“編碼相同的蛋白質，但它們的表達方式因您讓動物暴露於何種環境壓力而異。” 找到使動物能夠耐受外部壓力源（無論是化學物質還是紫外線輻射）的基因，可能有助於研究人員在人類中尋找平行的途徑。
複雜性建模
研究人員發現，水蚤基因組包含如此多基因的原因之一是，該物種的基因複製發生率遠高於其他常見物種——比人類高約 30%，是果蠅的約三倍。
科爾伯恩說：“擁有如此多的基因顯然具有選擇優勢。” “我們首次發現，新複製的基因可以非常非常迅速地獲得新的功能。” 在其他物種中，重複基因往往會變得有害或不相關，因此很快就會被淘汰。水蚤基因會停留更長時間，這表明它們通常會被很好地利用——並且很快——對環境因素做出反應。
過去，人們在實驗室中培育二倍體水蚤，以減少外來的遺傳物質，這些物質在野外對於它們主要的無性繁殖策略是必需的。但對於那些希望研究基因-環境相互作用的研究人員來說，這種人工近親繁殖並不理想。因此，研究專案的成員發起了一項橫跨大陸的搜尋，以尋找自然近親繁殖的樣本。他們在“天選之子”中發現的正是如此——一種水蚤，科爾伯恩說，“自然界已經清除了所有不良等位基因”，簡化了基因組，而沒有失去其生態適應性。
這隻小節肢動物及其後代獲得瞭如此響亮的綽號，因為另一條“黏糊糊的木頭池塘”候選品系——現在被稱為“被拒之子”——正在被擱置。科爾伯恩回憶說，在初步分析中，發現“被拒之子”的基因組是相當雜合的（具有更多分化的等位基因）。然而，它的巨大差異確實允許與“天選之子”進行一些有用的比較。“實際上，由於‘被拒之子’，完成了一些偉大的科學研究，儘管它在社群中引起了相當大的恐慌，”他說。
儘管蚤狀溞是最常見的物種，但在標準化的水質測試中，通常會呼叫其他物種，如大型溞和杜比亞蚤。沃爾普說，大型溞基因組序列目前正在進行中，他在他的研究中使用該物種，並且是更大的聯盟的一部分。對於他的研究，蚤狀溞基因組“對於能夠比較並幫助我們理解大型溞遺傳學中正在發生的事情來說，是一筆不可思議的財富”。
超越死亡
隨著其龐大的基因組現在被解碼，水蚤可能很快會在環境評估中發揮更重要的作用——超越溶解氧或過量氯的簡單測試。
在成千上萬種人造化學物質中，只有一小部分經過了安全性測試，而且它們通常只作為孤立的化合物進行測試——而不是像它們經常在環境中出現的那樣以更真實的混合物形式進行測試。“我們有太多該死的化學物質，”沃爾普說。“我們擔心它們對人類和生態系統的影響。”
但科爾伯恩說，由於還有很多分析工作要做，“我們目前篩選這些化學物質危險性的方法根本無法趕上。” 如果水蚤被證明是研究化學物質和環境對基因影響的可靠模式生物，它們可能會實現更高效的高通量化學物質評估過程。
相對較新的“生態毒理基因組學”領域——沃爾普承認“不太容易說出口”——正在努力趕上更多基於生物學的遺傳學。但是，有了水蚤的基因組序列，他希望這將使該領域能夠趕上。“我們有小鼠和人類的序列——我們可以以非常強大的方式使用基因組學——但不幸的是，這在這些生態指示物種中已經落後了。”
科爾伯恩說，將基因組方法引入毒理學研究有望在該領域創造更“機制性的理解”。沃爾普解釋說，毒理學一直依賴於“殺死並計數”的方法，其中死亡是化學物質劑量評估的主要終點：“我們以前問的問題是：它們死了嗎？” 他說。隨著研究人員現在開始能夠找出特定的基因通路，“這可能有助於我們考慮我們以前沒有考慮過的終點，”沃爾普補充說，例如化學物質如何對生殖或免疫系統產生更細微的影響。
水蚤當然不是研究化學物質對人類生物學潛在影響的完美工具，它們作為篩選生物的用途必須透過進一步的研究來驗證。“但令人興奮的是，它們之間存在相似之處，”沃爾普說。“誰會想到一隻小螃蟹會和人類如此相似呢？”