加拉帕戈斯群岛棕色海参染色体水平基因组组装为濒危物种保护提供关键资源

《Scientific Data》：A chromosome-level genome assembly for the brown sea cucumber from the Galápagos Islands, Isostichopus fuscus

本研究针对濒危物种加拉帕戈斯棕色海参(Isostichopus fuscus)种群衰退问题，利用PacBio HiFi长读长和Dovetail Omni-C技术成功构建了高质量染色体水平基因组组装。该组装大小为898.4 Mb，包含23条染色体，BUSCO完整性达98.4%，为种群基因组学和保护生物学研究提供了重要资源。

　　

在浩瀚的太平洋东部，坐落着被誉为"生物进化博物馆"的加拉帕戈斯群岛。这片独特的海洋生态系统中，生活着一种看似普通却至关重要的海洋生物——棕色海参(Isostichopus fuscus)。这种属于棘皮动物门海参纲的生物，在加拉帕戈斯群岛的海洋生态系统中扮演着关键角色。它们通过摄食有机物质来调节营养流动，促进微藻生长，甚至还能通过沉积物摄食活动抑制病原微生物，为珊瑚礁提供保护作用。

然而，自1990年代初开始，由于过度捕捞，加拉帕戈斯群岛的棕色海参种群遭受了毁灭性打击。种群数量急剧下降至临界水平，导致国际自然保护联盟(IUCN)将其列为濒危物种，并列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》附录三。这一严峻形势使得保护和恢复该物种成为加拉帕戈斯海洋保护区管理者的优先事项。

要有效实施保护措施，管理当局需要深入了解加拉帕戈斯群岛不同种群之间的遗传结构和潜在局部适应性，以管理种群连通性并确定潜在的再增殖源种群。然而，高质量基因组资源的缺乏严重制约了相关研究的开展。在1800多种已描述的海参物种中，仅有8个染色体水平基因组组装，而濒危海参物种的高质量染色体水平基因组更是空白。

为此，由康奈尔大学和查尔斯达尔文研究站的Jaime D. Ortiz-Pachar和Nina Overgaard Therkildsen领导的研究团队，作为加拉帕戈斯海洋基因组学计划的一部分，成功构建了棕色海参的高质量染色体水平基因组组装。这一重要研究成果发表在《Scientific Data》期刊上，为海洋无脊椎动物特别是海参的基因组学研究提供了宝贵资源。

研究团队采用PacBio HiFi长读长测序和Dovetail Omni-C邻近连接技术，结合RNA测序指导的基因预测，成功构建了高质量的染色体水平基因组组装。样本采集自加拉帕戈斯群岛的圣克鲁斯岛和沃尔夫岛，包括用于基因组测序的成体个体和用于转录组测序的多种组织样本。

方法概述

研究采用PacBio HiFi长读长测序技术获得高质量测序数据，通过Hifiasm进行从头组装，并利用Dovetail Omni-C数据进行染色体水平支架构建。基因组注释结合了RNA测序证据和同源蛋白比对，使用AUGUSTUS和SNAP进行基因预测。质量评估采用BUSCO、QUAST等标准指标，并通过合成性分析与近缘物种基因组比较。

基因组组装与质量评估

研究人员通过对PacBio HiFi测序数据进行K-mer分析，估计基因组大小约为0.9吉碱基对(Gb)，杂合率为1.94%。最终组装结果为898.25兆碱基对(Mb)，包含1,102个支架，支架N50为36.9兆碱基对(Mb)，最大支架达57.13兆碱基对(Mb)。使用eukaryota_odb10数据集评估的BUSCO完整性高达98.5%，表明组装质量优异。

重复序列分析显示，基因组中重复序列比例在30.8%至38.27%之间，这一特征与其它海参物种相似。特别值得注意的是，组装结果中最长的23个支架包含了94.8%的基因组序列，与已知海参物种的染色体数目一致。

染色体数目确认

通过Omni-C接触图谱分析，研究人员观察到清晰的染色体尺度互作模式，证实了23条染色体的组织结构。进一步与近缘物种——仿刺参(Apostichopus japonicus)和瘤背手参(Stichopus monotuberculatus)的基因组进行合成性分析，发现棕色海参的23个最大支架与这两个物种的23条染色体高度对应，进一步支持了23条染色体的结论。

这一发现与已知的海参染色体数目一致，包括远缘的柯海参(Chiridota heheva)、糙海参(Holothuria scabra)、玉足海参(Holothuria leucospilota)等物种，表明23条染色体可能是海参类动物的共同特征。

基因注释与功能分析

基因注释流程共预测出36,188个基因，其中35,811个为蛋白编码基因，377个为转运RNA(tRNA)基因。这些基因平均长度为1,353碱基对(bp)，BUSCO评估显示覆盖了97.3%的真核生物保守基因(91.0%完整，6.3%片段化)。功能注释结果表明，70.6%的预测基因具有基于Swiss-Prot同源性的功能注释。

特别值得注意的是，注释结果包含了所有20种标准氨基酸的转运RNA，以及两个硒代半胱氨酸转运RNA和四个终止密码子抑制因子(记录为转运RNA-亮氨酸)。这种完整的转运RNA集合为研究海参的蛋白质合成机制提供了重要基础。

比较基因组学分析

与刺参科(Stichopodidae)其它物种的基因组比较显示，棕色海参的基因组大小(897.75兆碱基对(Mb))略大于仿刺参(671.60兆碱基对(Mb))、瘤背手参(810.54兆碱基对(Mb))和纺锤手参(Stichopus fusiformiossa，766.55兆碱基对(Mb))。然而，所有这四种刺参科物种的基因组均小于远缘的海参科(Holothuriidae)、瓜参科(Cucumariidae)和指参科(Chiridotidae)物种，后者的基因组大小可达1.19至2.24吉碱基对(Gb)。

在质量指标方面，棕色海参基因组的BUSCO完整性(98.5%)和支架N50(36.9兆碱基对(Mb))与近缘物种相当甚至更优，表明其高质量特性。仿刺参、瘤背手参和纺锤手参的BUSCO完整性分别为97.2%、97.8%和98.1%，支架N50分别为29.65兆碱基对(Mb)、35.36兆碱基对(Mb)和31.8兆碱基对(Mb)。

线粒体基因组组装

研究人员还成功组装了棕色海参的线粒体基因组，长度为16,300碱基对(bp)，碱基组成为A=31.7%、C=24.2%、G=15.9%、T=28.2%。该线粒体基因组包含2个非编码RNA、22个独特的转运RNA和13个蛋白编码基因，为研究海参的母系遗传和进化历史提供了重要资源。

研究意义与展望

这项研究产生的棕色海参高质量染色体水平基因组组装，是濒危海参物种中的首个此类资源，极大地丰富了海洋无脊椎动物的基因组数据。这一基因组资源将为基础生物学研究、保护基因组学和比较基因组学提供重要平台。

具体而言，该基因组将有助于研究加拉帕戈斯群岛棕色海参种群的遗传结构、基因流模式和局部适应机制，为制定科学保护策略提供依据。同时，它也将促进海参生物学、进化和独特生理适应机制的研究，例如海参著名的再生能力和防御机制。

此外，这一资源还将支持海参养殖业的发展，通过亲本分析和技术优化，减轻对野生种群的压力。比较基因组学研究将揭示海参与其它棘皮动物(如海星、海胆)的进化关系，深化对后口动物进化历程的理解。

综上所述，这项研究不仅为解决加拉帕戈斯群岛棕色海参保护的实际问题提供了关键工具，也为海洋无脊椎动物基因组学和保护生物学研究奠定了重要基础。随着基因组数据的进一步利用，预计将产生更多关于海参生物学、适应性和保护的重要见解，为维护加拉帕戈斯群岛这一独特生态系统的健康做出贡献。