GigaScience发布日本沼虾染色体水平基因组 | CNGBdb支撑发表科研成果速递

2021-01-25 544CNGBdb

2021年1月18日,中国水产科学研究院淡水渔业研究中心联合深圳华大海洋和青岛华大海洋研究院,在开放获取期刊GigaScience上发表了首个高质量的日本沼虾(Macrobrachium nipponense)染色体水平基因组。研究团队通过整合基因组和转录组数据,预测出21个性别相关的基因,初步揭示日本沼虾性别分化和发育机制的奥秘。有关成果为深入研究节肢动物的发育和进化提供了宝贵的遗传资源。这是继2018年合作获批农业部认定新品种证书“太湖2号”之后,联合团队在青虾领域的又一重大突破性进展。

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支持本研究结果的数据已存储于国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号为:CNP0001186

研究背景

日本沼虾,俗名青虾,广泛分布于中国淡水、低盐度河口区域,是我国重要的经济虾类。近年来,其产量逐渐增加(2016年就超过27万吨),年产值约28亿美元。由于雄虾比雌虾长得更快,个头更大,从而具有更高的商业价值。因此,培养全雄性种群是实践中水育种繁育的重要目标,为此揭示日本沼虾的性别分化和生殖发育机制对实现遗传改良具有重要的支撑意义。

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研究内容

测序策略及组装结果

为了获得日本沼虾的基因组资源,研究组在无锡太湖采集野生样品,采用Illumina、PacBio和Hi-C进行测序组装。二代测序采用了Illumina HiSeq X-Ten 测序平台,共得到157.3 Gb的原始数据;通过k-mer分析,估计日本沼虾的基因组大小约为4.6 Gb。经过过滤,有293.3Gb的二代数据用于全基因组组装;三代测序采用PacBio Sequel测序平台,共得到405.7 Gb的原始数据,采用Shasta long read assembler软件进行基因组的初步组装;Hi-C测序采用BGISEQ-500测序平台,通过Hic-Pro软件进行最后的组装,得到日本沼虾染色体水平的基因组。同时,研究者还采集了生殖期和非生殖期的日本沼虾雄性个体样本,进行转录组测序和分析。

此研究组装得到共4.5 Gb的高质量基因组,contig N50为231.2 kb,基因组的完整度为92.6%。最终用876.4 Gb的Hi-C测序数据组装至染色体水平,共构建了49条染色体,有94.7%的基因组数据被聚集到染色体上,scaffold N50长度达86.8 Mb。全基因组共预测到44,086个蛋白编码基因,其中39,317个基因被功能注释。

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进化分析

在进化分析中,与6种其它代表性物种进行了基因家族聚类,有444个单拷贝基因家族被用于系统发育树构建。基因组进化分析结果显示,日本沼虾与凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)和美洲龙纹螯虾(Platyprepia virginalis)的共同祖先在大约3.27亿年前分离。通过4dTv分析发现,日本沼虾在大约1亿年(100 Mya)前经历过一次全基因组复制事件。

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基因功能分析

在前期研究中,课题组鉴定出12个影响日本沼虾雄性分化和发育的重要基因,包括胰岛素样雄激素(iag)和性致死因子(sxl)等;比对染色体图谱,进一步发现这些基因广泛分布在日本沼虾的11条染色体上。iag在甲壳类动物雄性性别决定和发育中发挥着着重要作用。有趣的是,在日本沼虾基因组中研究组发现存在4个同源的iag基因,其中3个集中在25号染色体上;这个区域一共预测到363个基因,可能是日本沼虾性别分化和发育的强候选基因。

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对于生殖季节和非生殖季节的精巢和促雄腺进行转录组分析,结果在精巢中发现309个差异表达基因,包括183个上调基因和126个下调基因;在促雄腺中共检测到238个差异表达基因,包括146个上调基因和92个下调基因。KEGG分析表明,这些差异表达基因与“信号转导”、“内分泌系统”、“神经退行性疾病”和“脂质代谢”有关。

研究意义

此研究首次报道一个有价值的日本沼虾染色体水平基因组(~4.5 Gb)图谱,具有92.6%的高完整性。有94.7%的基因组数据被聚集到49条染色体上, scaffold N50高达86.8Mb。论文确定日本沼虾在进化上的分化时间(~327.5 Mya),并阐明日本沼虾经历过一次全基因组复制事件(~109.8 Mya)。在性别决定与发育机制上,研究者筛选出21个性别相关的候选基因。有关研究成果将会促进优质雄虾亲本的培育,有助于日本沼虾养殖业的快速发展和推广。

水科院淡水中心金舒博博士、华大海洋研究院副院长卞超博士、淡水中心蒋速飞副研究员为该论文的并列第一作者,淡水中心首席科学家傅洪拓研究员与华大海洋研究院院长石琼教授为论文的共同通讯作者。

参考文献
Shubo Jin, Chao Bian, Sufei Jiang, Kai Han, Yiwei Xiong, Wenyi Zhang, Chengcheng Shi, Hui Qiao, Zijian Gao, Ruihan Li, Yu Huang, Yongsheng Gong, Xinxin You, Guangyi Fan, Qiong Shi, Hongtuo Fu, A chromosome-level genome assembly of the oriental river prawn, Macrobrachium nipponense, GigaScience, Volume 10, Issue 1, January 2021, giaa160, https://doi.org/10.1093/gigascience/giaa160
信息来源:“GigaScience”公众号
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