署名文章 | Cell！NextDenovo助力破译迄今最大动物基因组—48Gb南极磷虾参考序列

磷虾是磷虾属的软体甲壳类动物，是所有海洋生态系统的重要组成部分。南极磷虾（Euphausia superba）的生物量为3-5亿吨，是地球上最大的野生动物物种。磷虾基因组估计为42–48Gb，其庞大的基因组规模和复杂性阻碍了它的组装，并阻碍了对南极磷虾适应性遗传基础的研究。然而，最近对肺鱼和墨西哥蝾螈的研究表明，大型动物基因组组装中固有的巨大技术挑战是可以克服的。

3月2日，国际顶级期刊Cell上发表题为“The enormous repetitive Antarctic krill genome reveals environmental adaptations and population insights”的研究论文，揭示了南极磷虾适应南大洋的基因组基础，并为未来的南极研究提供了宝贵的资源。武汉希望组为本研究提供基因组组装服务，武汉希望组首席生信技术官胡江为共同作者。

目前已知发表的最大的两个基因组: 南极磷虾(48G)和肺鱼(40G)的基因组组装都是由NextDenovo参与协助完成的。NextDenovo软件是由希望组自主研发的三代测序基因组组装工具，在极大减少计算资源和运行时间的情况下，仍然能够组装出高质量基因组，具有高纠错、高效组装、高准确度的优势，已帮助众多科研人员进行基因组的组装以及文章的发表。

部分研究结果

01. 染色体水平基因组组装和评估

研究者利用PacBio、Hi-C结合短读长对南极磷虾（图1A）进行测序，使用NextDenovo v2.30 (https://github.com/Nextomics/NextDenovo)组装了48.01Gb的基因组，这是迄今为止报道的最大的动物基因组组装。它比墨西哥蝾螈大约大50%，比两种肺鱼大20%-30%。与120个已经组装的无脊椎动物基因组相比，该组装具有更长的contig N50（178.99kb）（图1B），scaffold N50更是达到了1.08Gb。南极磷虾基因组中的重复DNA异常丰富，使得基因组组装特别具有挑战性。研究发现，基因组组装中含有很大比例的串联重复(TRs)(25.77%)，因为TRs很难组装，特别是对于长度大于50bp和高丰度的TRs（图1C）。南极磷虾基因组的重复区密度高于墨西哥蝾螈、肺鱼和两种孔雀石甲壳类动物（图1D）。该基因组组装结果表明，巨大的南极磷虾基因组可以归因于重复序列扩增。72.15%的基因组序列被鉴定为重复序列，在附加重复注释后达到92.45%，略高于报道的澳大利亚肺鱼（90.00%）（图1E）。南极磷虾、凡纳滨对虾和弗吉尼亚磷虾之间的DNA/CMC- EnSpm系统发育树显示，南极磷虾中没有显著扩张的特定分支（图1F）。

图1 南极磷虾基因组图谱及其重复序列特征

02. 南极磷虾环境适应的基因组基础

南极磷虾与其他真核生物一样，能够产生自我维持的昼夜节律（反馈回路）。这些包括主要的时钟抑制剂PER、TIM和CRY2以及直接调节CLK和CYC表达的三个关键昼夜节律转录因子VRI、PDP1和REV-ERB。该发现提供了磷虾生物钟的分子结构模型，证实了双反馈回路机制可能存在。进一步评估了生物节律反馈回路中基因表达的季节性差异，揭示了四个昼夜节律基因（CLK、CRY1、NEMO和PDP1）在夏季和冬季之间的差异表达。CLK、CRY1和PDP1在夏季上调，而NEMO在冬季上调（图2A）。研究者在南极磷虾基因组中发现了25个显著扩增的基因家族（图2B）。12个直接参与蜕皮周期（6个家族）和能量代谢（6个家族）（图2C）。这些家族中的大多数基因都有表达，表明额外的基因拷贝具有功能（图2D）。编码卵黄蛋白(VTG)是无脊椎动物中一种重要的蛋黄蛋白，在能量需求旺盛的产卵季节提供营养库,包括CYSC、PFK和PKLR在内的其他能量代谢相关基因在夏季也表现出上调（图2F），PNLIPRP2的两个同源基因之一(一种消化脂肪酶基因)在冬季上调，此外，促进蜕皮和生长的基因(JHE、JHE-like CXE和CHT10)在食物供应量高的夏季上调，而抑制蜕皮的基因(JHAMT和CASP2)在冬季上调(图2F)。

图2 适应南极海洋环境的潜在基因组变化

03. 南极磷虾种群动态

研究者在大西洋区南乔治亚岛(SG)和南设得兰岛(SSI)、印度洋区Prydz湾(PB)和太平洋区罗斯海(RS)四个生物量较高的南大洋区域收集了75只磷虾，并对其进行了平均深度为17.72X的基因组测序（图3A）。研究者观察到南极磷虾地理组之间的成对FST值较低，最大群体遗传多样性指数(Fst)为1.92×10-3（图3B），然而，PCA（图3C）、MDS和NJ表明，南极磷虾的遗传结构是可识别的，特别是在SG和PB-RS之间。环境隔离（IBE）分析表明，遗传分化与环境距离显著相关（图3D）。387个自适应SNP的等位基因频率揭示了SGSSI和PB-RS组之间的不同遗传模式（图3E）。该结果表明，环境选择可能在驱动南极磷虾不同群体的遗传结构中发挥重要作用。研究者使用PSMC和PopSizeABC推断过去的有效种群规模（Ne），发现Ne从大约1千万年前急剧减少，种群规模的总体峰值约为1千万年，还观察到南极磷虾群从10万年前开始扩张（图3F）。磷虾的栖息地可能会转移到高纬度地区，但气候变化将如何影响磷虾种群规模，进而影响依赖磷虾的南极生态系统，是迫切需要解决的关键问题。

图3 南极磷虾种群动态

该研究的主要技术亮点是组装有史以来最大的动物基因组，基因组中超丰富的TR DNA加剧了这一技术挑战，成为主要的生物学发现之一。该发现揭示了南极磷虾适应南大洋的基因组基础，并为未来的南极研究提供了宝贵的资源。