第二弹—希望组2020三代基因组文章集锦-动物篇

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动物基因组一直以来都是组学研究领域的热门，近年来越来越多的动物基因组研究极大地推动了人们对于人类起源、物种演化、医学、病虫害防治及濒危动物的保护等方面的认知及研究。今年以来希望组多平台动物基因组研究也是成果丰硕，下面就由组学君给大家分享几篇昆虫和水产方向案例文章，与您一起探讨动物基因组的奥秘！
重要农业害虫温室白粉虱
Chromosome-level genome assembly of the greenhouse whitefly (Trialeurodes vaporariorum Westwood)合作单位：中国农业科学院蔬菜花卉研究所发表期刊：Molecular Ecology Resources

影响因子：7.049

发表日期：2020.03.27

三代测序平台：PacBio Sequel

温室白粉虱（Trialeurodes vaporariorum Westwood）与烟粉虱是两类分布广泛、危害严重的农业害虫，能够危害蔬菜、花卉、果树等112个科653种植物，并且对多种杀虫剂具有抗性。目前已有多个烟粉虱基因组被测序组装，而白粉虱仍缺少高质量的参考基因组。本研究利用Illumina+PacBio策略组装出787.4 Mb的白粉虱基因组，随后利用Hi-C数据将778.0 Mb (98.8 %)的序列挂载至11条假染色体（Scaffold N50=70Mb, BUSCO 93.4%）。系统发育分析表明白粉虱与烟粉虱在87.27百万年前（Mya）发生分化，远早于烟粉虱不同生物型的分化时间。白粉虱与烟粉虱的比较基因组分析发现，4个天冬氨酸蛋白酶家族在白粉虱基因组中有显著扩张，可能与其特有的寄主偏好性有关。白粉虱与烟粉虱基因组之间有13个P450基因存在共线性，并且白粉虱基因组中细胞色素CYP6亚家族中的4个基因表现出显著的扩张，这些基因可能在白粉虱对新烟碱类化合物的代谢和抗药性中起重要作用。本研究公布的高质量白粉虱基因组，为粉虱科农业害虫的害虫抗性管理和抗药性研究提供了重要资源。

图1温室白粉虱与烟粉虱不同生物型基因组关键指标比较

中国特有鱼类黑尾近红鲌
High-quality genome assembly and transcriptome of Ancherythroculter nigrocauda,an endemic Chinese cyprinid species合作单位：九江学院药学与生命科学学院发表期刊：Molecular Ecology Resources

影响因子：7.049

发表日期：2020.03.26

三代测序平台：PacBio Sequel

黑尾近红鲌（Ancherythroculter nigrocauda）属于鲤科近红鲌属，是我国特有物种和重要的长江经济鱼类。黑尾近红鲌迄今尚未有参考基因组，限制了对其生物学特性的深入分析以及优质种苗的选育。研究者利用Illumina+PacBio策略装出1.04Gb的黑尾近红鲌基因组，contig N50为3.12Mb。结合Hi-C数据将97.2%序列挂载到24条染色体上，BUSCO数据库评估该基因组完整性为95.6%。注释结果显示，黑尾近红鲌基因组共预测到34,414个蛋白编码基因，其中27,042个基因（78.5%）得到功能注释，含有56.1%转座子序列。随后研究者利用12个脊椎动物基因组中的712个单拷贝直系同源基因构建系统发育树，发现黑尾近红鲌与武昌鱼亲缘关系最近并于8.79百万年前分化。黑尾近红鲌与普通鲤鱼、武昌鱼、草鱼、斑马鱼和日本青鳉的比较基因组分析发现，黑尾近红鲌基因组中有366个基因家族发生了扩张，有72个正向选择基因。大部分扩张基因家族和正向选择基因在黑尾近红鲌脑部高表达，表明这些基因可能在黑尾近红鲌的大脑发育中发挥重要作用。转录组数据分析发现，在黑尾近红鲌10个组织中，与环境信息处理、循环系统和生长发育等相关的10,732个基因的表达具有组织特异性。该高质量基因组为黑尾近红鲌种群保护及功能基因组学研究提供了宝贵资源。

图2 黑尾近红鲌24条染色体Hi-C热图

法医昆虫学重要物种巨尾阿丽蝇
Chromosome-level genome assembly of Aldrichina grahami, a forensically important blowfly合作单位：中南大学基础医学院发表期刊：GigaScience

影响因子：4.688

发表日期：2020.03.19

三代测序平台：PacBio Sequel

巨尾阿丽蝇（Aldrichina grahami）是重要的法医昆虫学物种，它的生长发育速度和生命周期可以为死亡时间推断提供重要信息；其肠道内容物中提取的人类DNA物质，可以为案件侦破提供新的切入点和线索。巨尾阿丽蝇基因组尚未公布，这阻碍了它在法医研究中的进一步应用。本研究利用PacBio+Hi-C策略组装出包含6条染色体的巨尾阿丽蝇基因组，contig N50 为1.93 Mb，基因组完整性评估BUSCO达到了99.2%，基因组连续性与完整性均高于其他4个双翅目有瓣蝇类。基因组注释发现，巨尾阿丽蝇基因组包含48.02%的重复序列，共预测到12,823个蛋白编码基因，其中99.8%的基因获得功能注释。利用11个物种的2,989个单拷贝基因进行系统发育分析，巨尾阿丽蝇与铜绿蝇聚在同一分支，并且在约26百万年前分化。基因家族分析表明，巨尾阿丽蝇有102个扩张的基因家族和280个收缩的基因家族，还有198个基因家族在基因组中丢失。最后研究者绘制了巨尾阿丽蝇与黑腹果蝇基因组共线性图，以及巨尾阿丽蝇染色体上的基因密度分布图。高质量的巨尾阿丽蝇基因组资源将有助于加深对其独特生物学特征的理解，从而增强昆虫学证据的可靠性，促进其在刑事司法调查中的应用。

图3 （A）巨尾阿丽蝇与黑腹果蝇基因组共线性图；（B）巨尾阿丽蝇染色体基因密度分布图

重要商品蟹三疣梭子蟹
Chromosome-level genome assembly reveals the unique genome evolution of the swimming crab (Portunus trituberculatus)合作单位：盐城师范学院、西北工业大学发表期刊：GigaScience

影响因子：4.688

发表日期：2020.03.26

三代测序平台：Nanopore

梭子蟹(Portunus trituberculatus)是我国重要的商品蟹种，广泛分布于渤海、黄海、东海、南海等沿海水域。过度捕捞导致梭子蟹自然种群大幅下降，目前已开始人工养殖。本研究利用BGISEQ+Nanopore+Hi-C策略组装出三疣梭子蟹染色体水平基因组，为梭子蟹的生殖研究提供重要资源。梭子蟹基因组初步组装大小为1.00 Gb，Contig N50为4.12 Mb，随后结合Hi-C数据组装出梭子蟹的50条染色体，Scaffold N50 高达21.79 Mb，基因组完整性评估BUSCO也达到94.7%。基因组注释发现，约54.52%的基因组被鉴定为重复序列，共16,796个蛋白编码基因获得功能注释。利用覆盖7个物种的1,018个单拷贝基因构建系统发育树，梭子蟹与中华绒螯蟹和对虾亲缘关系较近，分别在约183.5和428.5百万年前发生分化；进化速度方面以梭子蟹为参照，对虾进化速率最慢，果蝇和蝴蝶进化速率相对较快。

图4 梭子蟹的基因组特征圈图

圆点斑芫菁基因组揭示斑蟊素合成通路
Draft Genome of a Blister Beetle Mylabris aulica合作单位：陕西师范大学发表期刊：Frontiers in Genetics

影响因子：3.517

发表日期：2020.01.08

三代测序平台：Nanopore

圆点斑芫菁（Mylabris aulica）属鞘翅目芫菁科，也称为斑蝥。其受到袭扰后能产生一种具有刺激性的防御物质斑蝥素(Cantharidin)，具有抗炎、抗病毒、增强免疫调节活性的作用。最新研究表明斑蝥素及其衍生物能够抑制多种类型癌症的增殖，但其人工合成因为条件苛刻一直无法规模化生产。目前对芫菁科昆虫体内斑蟊素的合成机制研究主要是用比较转录组的方法推测可能的相关基因，但代谢通路完全不清楚。研究者利用纳米孔测序技术组装出288.5Mb的圆点斑芫菁的基因组，scaffold N50为467.8kb，预测的重复序列占50.62%，BUSCO完整性评估达97.9%，相比已经报导的两种已知斑蝥基因组，该组装连续性、完整性都得到了极大提升。根据基因组数据对圆点斑芫菁的遗传背景进行分析，表明圆点斑芫青与其他芫菁科昆虫基因背景几乎完全相同，分化时间也极短。随后研究者在“萜烯类主链生物合成”途径中发现了30个基因家族，它们参与了斑蝥素的生物合成，并且对其中两个功能未知的基因BMGene00496和BMGene01890进行了功能注释。总之，本研究利用纳米孔测序技术组装出了圆点斑芫菁的基因组草图，对斑蝥素生物合成相关的可能基因和途径进行了分析，为后续圆点斑芫菁研究以及斑蝥素生物合成提供了宝贵资源。

图5 圆点斑芫菁相比两个近源斑蝥，基因组连续性和完整性均有大幅度提升。

2020希望组合作文章列表

参考文献：
1. Xie, W.,He, C., Fei, Z. & Zhang, Y. Chromosome-level genome assembly of thegreenhouse whitefly ( Trialeurodes vaporariorum Westwood). Mol Ecol Resour(2020) doi:10.1111/1755-0998.13159.
2. Zhang,H.-H. et al. High-quality genome assembly and transcriptome ofAncherythroculter nigrocauda , an endemic Chinese cyprinid species. Mol EcolResour (2020) doi:10.1111/1755-0998.13158.
3. Meng, F. etal. Chromosome-level genome assembly of Aldrichina grahami, a forensicallyimportant blowfly. GigaScience 9, giaa020 (2020).
4. Tang, B. etal. Chromosome-level genome assembly reveals the unique genome evolution of theswimming crab (Portunus trituberculatus). GigaScience 9, giz161 (2020).
5. Guan, D.-L.et al. Draft Genome of a Blister Beetle Mylabris aulica. Front. Genet. 10, 1281(2020).
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