项目文章丨北太平洋海星多棘海盘车高质量染色体水平基因组组装

 
 

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海星是一种具有多条触手的贪婪掠食者，以牡蛎、扇贝、蛤蜊等商业贝类以及活珊瑚为食，这种特点和饮食习惯确保了它们会在环境条件有利时迅速繁殖，从而导致被称为海星灾难的大规模爆发，对贝类养殖和珊瑚生态系统造成重大破坏。多棘海盘车(Asterias amurensis)是一种海星，属于无脊椎动物，棘皮动物门，海星纲，钳棘目，海盘车科，原产于中国和日本等北太平洋国家，同时作为一种入侵物种在澳大利亚南部广泛分布。成年多棘海盘车天敌很少，且繁殖能力很强，环境条件适宜时会导致群体激增，对沿海地区的贝类渔业和生态系统造成大量损失。但目前多棘海盘车这种海星的入侵动力学和适应性分子机制的研究很少，而且还不是全基因组水平上的深入研究。

为了填补这一研究领域空白，中国海洋大学倪刚教授团队在DNA Research上以“High-quality chromosome-level genome assembly of the Northern Pacific sea star Asterias amurensis”为题发表了研究成果。本研究利用Illumina，PacBio和Hi-C测序技术成功组装了多棘海盘车的高质量染色体水平基因组，最终获得了22条染色体的480 Mb大小基因组，Contig N50大小10.85 Mb，并预测了16,673个蛋白编码基因，比较基因组分析发现扩张基因家族相关的GO和KEGG显著富集通路主要与免疫反应和能量代谢有关，这可能解释了多棘海盘车对环境的适应能力。本研究为了解海星多棘海盘车的遗传学、动力学和进化提供了有价值的基因组资源。万摩科技承担了本研究的测序和分析相关工作。

文章原名：High-quality chromosome-level genome assembly of the Northern Pacific sea star Asterias amurensis

文章译名：北太平洋海星多棘海盘车高质量染色体水平基因组组装

发表时间：2024年2月28日

发表期刊：DNA Research

IF：4.1

文章作者：黄志超、刘启（万摩科技）、曾晓启、倪刚（通讯作者）

点击文末“阅读原文”查看文章原文

研究结果

 

（1）高质量的多棘海盘车基因组组装

利用Illumina NovaSeq 6000测序平台产生的79.91 Gb数据进行K-mer分析，结果显示基因组大小为484 Mb，杂合度0.96%，重复度39.22%。利用PacBio Sequel II测序平台获得25.97 Gb的HiFi数据进行组装，利用Illumina Novaseq 6000平台获得87.30 Gb的Hi-C数据进行挂载，根据Hi-C热图互作信号区分不同染色体。最后获得了22条染色体的480 Mb大小基因组，Contig N50大小10.85 Mb，同时展示了22条染色体的基因密度、GC含量和重复密度的分布情况。BUSCO库 (metazoa_odb10)评估显示了98.4%的组装完整性，其中97.7%是完整的单拷贝。通过NGS数据比对基因组检测SNP变异，获得了0.632%杂合SNP和0.07%纯合SNP。这些结果表明海星多棘海盘车基因组组装高度完整和准确。

表1 多棘海盘车基因组组装统计

表2 基因组组装和注释BUSCO评估

图1 多棘海盘车基因组特征统计圈图

 

（2）多棘海盘车基因组注释

通过TRF、RepeatMasker和RepeatProteinMask等软件对组装基因组进行重复注释，共注释到300.45 Mb的重复序列，占比基因组大小的61.64%。基因组重复序列主要组成为长末端重复序列LTRs，占比19.80%；其次是长散在核元件LINEs，占比18.18%。同源预测结合从头预测进行基因组基因结构注释，共预测到16,673个蛋白编码基因，平均基因长度为16777.57 bp，平均CDS长度为1717.80 bp，平均外显子长度为385.28 bp，平均内含子长度为1664.55 bp，平均外显子数为8.99个。利用公共数据库，有15,871(95.19%)个基因注释到了对应功能。注释结果BUSCO库(metazoa_odb10)评估显示了96.1%的完整性，其中95.3%是完整的单拷贝。

表3 基因组基因预测统计

表4 预测基因的功能注释统计

 

（3）系统发生分析和共线性关系

利用8个物种(A. amurensis，A. planci，A. japonica，A. rubens，L. pictus，L. variegatus，P. miniata和S. purpuratus)的基因组序列来研究棘皮动物的基因组进化。基因家族聚类分析共得到7,536个基因家族，并将鉴定到的2,812个单拷贝基因构建系统发生树。系统发育分析显示海星纲和其他棘皮动物的分化时间大约为511.298个百万年，与多棘海盘车聚为一支的是红海盘车(A. rubens)，它们的分歧时间大约为28个百万年。基因组共线性分析显示红海盘车和多棘海盘车两个物种间染色体共线性上的高度一致，表明了极高水平的保守基因组特征，同时说明它们具有密切的系统发育关系。

图2 系统发育关系与比较基因组分析

 

（4）基因家族的扩张分析

KEGG富集分析显示显著的通路扩张发生在免疫反应、能量代谢和信号转导功能上，包括丙氨酸代谢、精氨酸和脯氨酸代谢等；GO富集分析显示26个显著富集条目发生在磷酸酶活性、代谢过程和氧化还原酶活性等，这些与细胞信号传导、代谢和调控的功能有关。我们推测多棘海盘车在应激条件下，丙氨酸代谢途径的扩张可能参与了调控能量代谢和抗氧化反应，以及其他的适应性机制。精氨酸和脯氨酸代谢途径的扩张可能是多棘海盘车对环境或内部刺激的适应性响应。这些代谢途径可能在调控细胞氮平衡、应激反应和免疫调节等生理过程中发挥作用

图3 显著扩张基因家族KEGG和GO富集分析

 

研究结论

 

本研究组装了海星多棘海盘车染色体水平基因组并进行了相关的注释，并利用Hi-C技术挂载到22条染色体，挂载率为98.80%。多棘海盘车和同属物种红海盘车的基因组展示了高度的保守性。本研究为进一步探索多棘海盘车潜在的生物学特征和候选基因功能验证的分子机制提供了有价值的基因组数据，为多棘海盘车和其他海星的分子进化研究提供了有价值的见解，并为今后的测序研究提供了可靠的参考。此外，在群体基因组水平上，通过评估本地种群和入侵种群之间的基因组变异，我们可以揭示它们之间的潜在传播途径，并有助于制定更有效的控制政策。

 

关于万摩科技

 

武汉万摩科技有限公司（下称“万摩科技”）成立于2021年，总部位于武汉软件新城，是一家以多组学数据分析和研发为技术核心的科技公司。公司专注于为科研院校、研究机构、测序公司、制药公司、农业生产及育种公司提供基因测序、数据分析、软件研发、数据库搭建和平台开发服务。

 

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