Nextomics项目文章||碧凤蝶染色体水平基因组公布

来源：Nextomics

近日，中国科学院昆明动物研究所李学燕副研究员带领的昆虫研究团队运用三代长读长测序技术，结合高通量染色体构象捕获(Hi-C)技术，成功地组装了碧凤蝶染色体水平的基因组，这是首个利用Hi-C技术完成的染色体水平的蝴蝶基因组。相关研究成果以Chromosomal-level reference genome of Chinese peacock butterfly (Papilio bianor)based 为题于2019年11月4日发表在Giga Science杂志。希望组承担了本研究中三代测序和Hi-C测序工作。

碧凤蝶（Papilio bianor Cramer）属鳞翅目凤蝶科，以其多彩且极为独特的翅翼图案而闻名，是探索昆虫组合色起源和演化的潜在模型生物。高质量参考基因组是研究碧凤蝶特殊生物学特性的遗传学和分子生物学基础，目前尚无利用三代测序和Hi-C技术组装蝴蝶染色体水平参考基因组的报道实例。

图1 一只成年雌性碧凤蝶

基因组组装

研究人员利用二代测序数据进行基因组调研分析，预测碧凤蝶基因组大小为496.05Mb，杂合度高达1.81%。利用PacBio三代测序平台对一只成年雄性碧凤蝶进行测序，过滤后获得43.19Gb subreads数据，平均读长16.4Kb。同时利用二代测序获得了75.11Gb的Hi-C数据。研究者采用Wtdbg+BWA+Pilon的策略对PacBio数据进行初步组装，随后利用 Juicer+3D de novo进行Hi-C数据挂载。最终组装出30条super-scaffolds（图2），与细胞核型分析报告的30条染色体对应（29条常染色体和1条性染色体）。组装基因组大小~421.52Mb，约为预测基因组大小的85%，scaffold N50为13.12Mb，是目前已发表的蝴蝶基因组中最长的scaffold N50。BUSCO数据库评估该基因组完整性为96.90%，二代和三代数据回比率也均在96%以上，表明该组装基因组具有很高的质量。

图2 组装的碧凤蝶染色体互作热图

基因组注释

基因组注释发现碧凤蝶基因组重复序列占组装基因组的55.3%，是所有已发表的蝴蝶基因组中重复序列最高的基因组。共注释到15,375个蛋白编码基因，与已发表的蝴蝶参考基因组注释结果相近。

基因家族鉴定和系统发育分析

碧凤蝶组装与其他5种蝴蝶的基因家族分析表明，碧凤蝶特有的基因家族有293个（图3b）。研究者选择5个科14种蝴蝶进行系统发育分析，利用4D位点以及直系同源基因构建的进化树提示凤蝶属起源于39-57百万年之间，碧凤蝶与柑橘凤蝶和金凤蝶的分歧时间在23-35百万年之间（图3d）。通过PSMC对碧凤蝶的历史种群动态进行分析结果显示碧凤蝶种群从最近的一次间冰期开始增加，直至末次盛冰期为止，这与先前对其他昆虫的研究结果一致（图3c）。

图3 碧凤蝶基因组分析。(a) 碧凤蝶基因组功能分类；(b) 凤蝶共有基因家族维恩图；(c) PSMC软件绘制的有效种群大小的动态变化；(d)由1378个单拷贝的同源基因构建而成的蝶总科系统发育树。

小结

本研究利用三代测序和Hi-C技术组装出碧凤蝶染色体水平的高质量参考基因组，不仅为探索碧凤蝶特殊的生物学特性的遗传和分子机制奠定了基础，也为蝴蝶的比较基因组学和系统发育学提供了基础数据。

参考文献：

Lu S, Yang J, Dai X, et al. Chromosomal-level reference genome of Chinese peacock butterfly (Papilio bianor) based on third-generation DNA sequencing and Hi-C analysis[J]. GigaScience, 2019, 8(11): giz128.