年中喜报|安诺三代测序助力微拟球藻基因组发布~
2019.07.18

2019年7月3日,中国海洋大学杨官品教授课题组在最新的Nature子刊Communications Biology杂志在线发表题为“Genome assembly of Nannochloropsis oceanica provides evidence of host nucleus overthrow by the symbiont nucleus during speciation”的研究论文。其中,安诺基因承担了该研究中的三代测序、Hi-C辅助组装等相关实验和信息分析工作,安诺基因信息分析人员并列为文章共同作者


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研究背景


微拟球藻属物种具有单倍体核和无性生殖的特点,便于进行遗传育种,主要用作鱼类幼体、轮虫的饲料和人类营养食品添加剂,且能够积累大量多不饱和脂肪酸,可应用于工业。环境适应能力强、个体小、繁殖速度快等优点,让微拟球藻属跻身生产生物柴油的优良藻种行列。此前微拟球藻属中N.gaditanaN.oceanica的基因组进行过Illumina二代测序组装,基因组大小在28.5 Mb和29.0 Mb之间,基因密度高,内含子含量低,基因间隔短且重复序列少,但是组装未达到假染色体(pseudochromosomes)水平,不利于开展后续相关基因功能的研究。本研究通过三代长读长测序和Hi-C辅助组装技术,进一步将组装质量提升到假染色体水平,发现了微拟球藻属物种不同于其他真核生物特有的物种形成途径。


材料选择



微拟球藻属N.oceanica



基因组组装及质量评估


本文使用PacBio Sequel测序和Illumina测序组装得到N.oceanica基因组,大小为29.3 Mb,contig N50为664.75kb。同时利用Hi-C测序,组装获得32条假染色体,共鉴定了7,330个非冗余蛋白编码基因,BUSCO评估87.1%的基因注释率和84.2%的注释基因完整性表明组装的高质量,可用于后续分析。


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Fig.1 N.oceanica基因组组装结果展示[1]


N.oceanica系统发育分析


基于全基因组的Heterokonta微进化分析显示,绝大多数的N.oceanica蛋白编码基因在系统发育上与18S rDNA系统发育树的位置不同,意味着N.oceanica的核与其他Chromista物种的起源方式不同。N.oceanica中与red algae同源的基因所占百分比与其他Chromista物种中相似,而与Haptophytes和Cryptophytes同源的基因所占百分比相比明显低,表明一部分的N.oceanica基因来自于共生核。将N.oceanicaA.anophagefferensP.tricornutum进行比较,根据它们在系统发育树上的位置,发现微拟球藻属物种的核在物种形成过程中主要来源于共生核,其共生体是一种古老的红藻,在系统发育上远离现在的单细胞微藻。

早期研究表明,转运复合物有助于将细胞质核糖体上合成的蛋白质运输至周质区室和叶绿体基质中。本文研究发现N.oceanicaN.gaditana不含有相应的转运复合物组分,表明微拟球藻属物种已进化出与P.tricornutum不同的蛋白质转运系统。


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Fig.2 N.oceanica系统发育分析[1]


N.oceanica非运动性和有性生殖功能丧失


微拟球藻属物种中两个核融合形成杂交核后通过单倍化减少其遗传信息,在进化过程中,通过选择或遗传漂变丧失多种基因结构和功能,包括运动性和有性生殖。研究发现N.oceanicaN.gaditana中鞭毛相关基因的总数分别为29和17,在一定程度上解释了微拟球藻属物种的两个最显著的特征,基因组变小和失去移动能力。此外,发现N.oceanicaN.gaditana中不含有全部保守的减数分裂特异性基因和交配相关基因,表明微拟球藻属物种已失去有性生殖功能。


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Fig.3 N.oceanica细胞融合和核单倍体化物种形成途径假说[1]


文章结论


该研究组装了高质量N.oceanica参考基因组,进行了系统发育分析,发现N.oceanica由宿主原生生物和发生光合作用的古红藻融合形成,其共生核相比宿主核占主导地位。此外,N.oceanica已不再形成鞭毛,失去减数分裂和有性生殖的能力。本研究推断微拟球藻属在物种形成期间通过先融合再单倍体化的方式使基因组变小,提出了真核生物中存在另一种特殊的物种形成途径,并且为微拟球藻属物种的遗传育种和工业应用提供了重要依据。


自2017年推出三代测序服务以来,安诺优达先后引进了10台PacBio Sequel和2台Sequel II测序仪,产品服务类型涵盖三代基因组组装、人重测序、动植物重测序、全长转录组测序等;累计完成三代项目超800+,其中组装经验涉及中草药、林木、农作物、海洋生物、哺乳动物、昆虫和人等。日前,安诺优达宣布启动了ATCG(Annoroad Typical Chinese Genomes Database)数据库二期计划,旨在建立“二代+三代”中国人群基因组数据库,助力挖掘中国人群特有的可靠变异,进一步推动三代测序在中国人群健康研究中的应用。


参考文献:

[1] Li Guo, Sijie Liang, Zhongyi Zhang, et al. Genome assembly ofNannochloropsis oceanica provides evidence of host nucleus overthrow by the symbiont nucleus during speciation[J]. Communications Biology. 2019.07.

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