年中喜報|安諾三代測序助力微擬球藻基因組發布~

2021-01-19 安諾基因

2019年7月3日，中國海洋大學楊官品教授課題組在最新的Nature子刊Communications Biology雜誌在線發表題為「Genome assembly of Nannochloropsis oceanica provides evidence of host nucleus overthrow by the symbiont nucleus during speciation」的研究論文。其中，安諾基因承擔了該研究中的三代測序、Hi-C輔助組裝等相關實驗和信息分析工作，安諾基因信息分析人員並列為文章共同作者。




微擬球藻屬物種具有單倍體核和無性生殖的特點，便於進行遺傳育種，主要用作魚類幼體、輪蟲的飼料和人類營養食品添加劑，且能夠積累大量多不飽和脂肪酸，可應用於工業。環境適應能力強、個體小、繁殖速度快等優點，讓微擬球藻屬躋身生產生物柴油的優良藻種行列。此前微擬球藻屬中N.gaditana和N.oceanica的基因組進行過Illumina二代測序組裝，基因組大小在28.5 Mb和29.0 Mb之間，基因密度高，內含子含量低，基因間隔短且重複序列少，但是組裝未達到假染色體（pseudochromosomes）水平，不利於開展後續相關基因功能的研究。本研究通過三代長讀長測序和Hi-C輔助組裝技術，進一步將組裝質量提升到假染色體水平，發現了微擬球藻屬物種不同於其他真核生物特有的物種形成途徑。


微擬球藻屬N.oceanica



本文使用PacBio Sequel測序和Illumina測序組裝得到N.oceanica基因組，大小為29.3 Mb，contig N50為664.75 kb。同時利用Hi-C測序，組裝獲得32條假染色體，共鑑定了7,330個非冗餘蛋白編碼基因，BUSCO評估87.1%的基因注釋率和84.2%的注釋基因完整性表明組裝的高質量，可用於後續分析。


Fig.1 N.oceanica基因組組裝結果展示[1]



基於全基因組的Heterokonta微進化分析顯示，絕大多數的N.oceanica蛋白編碼基因在系統發育上與18S rDNA系統發育樹的位置不同，意味著N.oceanica的核與其他Chromista物種的起源方式不同。N.oceanica中與red algae同源的基因所佔百分比與其他Chromista物種中相似，而與Haptophytes和Cryptophytes同源的基因所佔百分比相比明顯低，表明一部分的N.oceanica基因來自於共生核。將N.oceanica與A.anophagefferens和P.tricornutum進行比較，根據它們在系統發育樹上的位置，發現微擬球藻屬物種的核在物種形成過程中主要來源於共生核，其共生體是一種古老的紅藻，在系統發育上遠離現在的單細胞微藻。

早期研究表明，轉運複合物有助於將細胞質核糖體上合成的蛋白質運輸至周質區室和葉綠體基質中。本文研究發現N.oceanica和N.gaditana不含有相應的轉運複合物組分，表明微擬球藻屬物種已進化出與P.tricornutum不同的蛋白質轉運系統。


Fig.2 N.oceanica系統發育分析[1]



微擬球藻屬物種中兩個核融合形成雜交核後通過單倍化減少其遺傳信息，在進化過程中，通過選擇或遺傳漂變喪失多種基因結構和功能，包括運動性和有性生殖。研究發現N.oceanica和N.gaditana中鞭毛相關基因的總數分別為29和17，在一定程度上解釋了微擬球藻屬物種的兩個最顯著的特徵，基因組變小和失去移動能力。此外，發現N.oceanica和N.gaditana中不含有全部保守的減數分裂特異性基因和交配相關基因，表明微擬球藻屬物種已失去有性生殖功能。


Fig.3 N.oceanica細胞融合和核單倍體化物種形成途徑假說[1]



該研究組裝了高質量N.oceanica參考基因組，進行了系統發育分析，發現N.oceanica由宿主原生生物和發生光合作用的古紅藻融合形成，其共生核相比宿主核佔主導地位。此外，N.oceanica已不再形成鞭毛，失去減數分裂和有性生殖的能力。本研究推斷微擬球藻屬在物種形成期間通過先融合再單倍體化的方式使基因組變小，提出了真核生物中存在另一種特殊的物種形成途徑，並且為微擬球藻屬物種的遺傳育種和工業應用提供了重要依據。


自2017年推出三代測序服務以來，安諾優達先後引進了10臺PacBio Sequel和2臺Sequel II測序儀，產品服務類型涵蓋三代基因組組裝、人重測序、動植物重測序、全長轉錄組測序等；累計完成三代項目超800+，其中組裝經驗涉及中草藥、林木、農作物、海洋生物、哺乳動物、昆蟲和人等。日前，安諾優達宣布啟動了ATCG（Annoroad Typical Chinese Genomes Database）資料庫二期計劃，旨在建立「二代+三代」中國人群基因組資料庫，助力挖掘中國人群特有的可靠變異，進一步推動三代測序在中國人群健康研究中的應用。


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