Le séquençage du génome complet révèle l’octoploïdie autosomique et la trajectoire évolutive de l’esturgeon chinois

Contexte

L’esturgeon chinois (Acipenser sinensis), membre de la sous-classe des esturgeons, est un groupe de poissons ancien. En raison de sa structure génomique unique et de sa valeur économique, la protection et l’étude de l’esturgeon chinois sont d’une grande importance. Les esturgeons sont appelés “fossiles vivants” et ont connu des événements complexes de duplication du génome entier (Whole-Genome Duplication, WGD). Comprendre leur évolution de la ploïdie peut fournir des informations importantes pour l’étude de l’évolution des poissons. Des recherches antérieures ont montré l’existence de polyploïdie chez les esturgeons, y compris la diploïdie, la tétraploïdie et l’octoploïdie. La WGD est très courante dans l’évolution des poissons, et le génome de l’esturgeon chinois est plus difficile à étudier en raison de ses caractéristiques polyploïdes complexes. Cette étude a révélé le génome octoploïde de l’esturgeon chinois par séquençage du génome entier et a exploré sa voie évolutive.

Source de l’étude

Cette étude a été réalisée conjointement par plusieurs chercheurs, dont Binzhong Wang, Bin Wu, Xueqing Liu, Yacheng Hu et al. Les auteurs sont principalement issus d’institutions telles que China Three Gorges Corporation, China Three Gorges Key Laboratory of Fish Protection, BGI-Shenzhen, Technical University of Denmark, etc. L’article a été publié dans la revue Genomics, Proteomics & Bioinformatics et a reçu le soutien financier de China Three Gorges Corporation.

Processus de recherche

Flux de travail

Cette étude s’est déroulée en plusieurs étapes principales. Tout d’abord, les chercheurs ont extrait l’ADN du sang de l’esturgeon chinois et ont effectué un séquençage du génome entier en utilisant les plateformes Illumina, PacBio et la technologie de capture de conformation chromosomique à haut débit (Hi-C). Le séquençage a produit 421,58 Go de données de lectures courtes Illumina, 221,96 Go de données de lectures longues PacBio et 172,87 Go de données Hi-C. Ces données ont ensuite été utilisées pour l’assemblage et l’annotation du génome.

Assemblage et annotation du génome

Les chercheurs ont intégré des méthodes de prédiction de novo, d’homologie des protéines et de séquençage de l’ARN pour prédire la structure des gènes. Finalement, 36 837 gènes codant pour des protéines ont été prédits, avec une longueur moyenne de 14,3 kb, et l’assemblage complet du génome comprend 1,99 Go de chromosomes.

Analyse de l’évolution inhérente et de la colinéarité

Pour analyser la qualité de l’assemblage du génome et l’évolution des chromosomes, les chercheurs ont effectué une analyse de colinéarité entre l’esturgeon chinois et d’autres espèces d’esturgeons (comme l’esturgeon nain et l’esturgeon spatule) ainsi que des espèces de poissons apparentées (Lepisosteus oculatus). Ils ont également construit leur arbre évolutif par analyse phylogénétique.

Caractéristiques de ploïdie et analyse du génome

L’analyse caryotypique traditionnelle a montré que l’esturgeon chinois possède 264 chromosomes, soit quatre fois plus que l’esturgeon commun (60 chromosomes), suggérant que l’esturgeon chinois est octoploïde. Pour confirmer davantage la ploïdie, les chercheurs ont effectué des analyses des répétitions de séquences simples (SSR) et des polymorphismes mononucléotidiques (SNP) du génome entier.

Résultats de la recherche

Assemblage du génome de haute qualité

L’étude a montré que l’assemblage du génome de l’esturgeon chinois est de haute qualité, avec des relations de colinéarité évidentes entre les paires de chromosomes. L’analyse mcscan a révélé un grand nombre de gènes colinéaires regroupés dans les trois espèces d’esturgeons. L’arbre évolutif construit montre que l’esturgeon chinois et l’esturgeon nain ont un ancêtre commun dans la famille des Acipenseridae, tandis que l’esturgeon spatule est leur lignée sœur.

Caractéristiques octoploïdes et composition complexe de la ploïdie

Grâce à une analyse caryotypique détaillée et au séquençage profond des SNP, les chercheurs ont découvert que l’esturgeon chinois présente des caractéristiques octoploïdes. L’analyse smudgeplot a montré que la composition de la ploïdie de l’esturgeon chinois est extrêmement complexe, comprenant quatre types de k-mers octoploïdes, des hexaploïdes, un tétraploïde et des diploïdes, indiquant que son génome présente des caractéristiques octoploïdes typiques.

Caractéristiques octoploïdes autosomiques révélées par l’analyse de colinéarité et des TE

Pour analyser la composition de la ploïdie de l’esturgeon chinois, les chercheurs ont utilisé l’analyse smudgeplot pour étudier les événements de duplication du génome entier allopolyploïdes et autopolyploïdes d’espèces tétraploïdes représentatives, confirmant que l’esturgeon chinois est un octoploïde autosomique plutôt qu’allopolyploïde. De plus, l’analyse du paysage des éléments transposables (TE) n’a pas révélé de familles de TE significatives spécifiques à l’allopolyploïdie, excluant davantage la possibilité d’une allopolyploïdie.

Temps de duplication du génome entier et d’origine des espèces révélés par le modèle Ks

Pour déduire plus précisément les temps de WGD et de divergence, les chercheurs ont utilisé le modèle Ks combiné à l’analyse de colinéarité pour révéler l’évolution de la ploïdie de l’esturgeon chinois. Les résultats ont montré que l’esturgeon chinois a subi deux événements de duplication du génome entier, respectivement As3R il y a 210,7 millions d’années et l’autotétraploïdisation de l’esturgeon chinois (As4R) il y a environ 35,12 millions d’années, et ont indiqué que la divergence des espèces s’est produite il y a 121,3 millions d’années.

Conclusions de l’étude

Cette étude a réalisé le premier séquençage du génome entier d’un poisson octoploïde, révélant la composition complexe de la ploïdie et l’histoire évolutive de l’esturgeon chinois. Elle fournit des ressources précieuses pour la conservation génétique et la recherche sur l’évolution des esturgeons, et sert de référence pour l’étude génomique d’autres vertébrés polyploïdes. Les événements de WGD sont étroitement liés aux changements environnementaux de l’histoire géologique, tels que l’impact des événements de collision terrestre sur les processus de reproduction des ancêtres de l’esturgeon chinois.

Points forts de la recherche

1. Premier séquençage du génome entier : L’esturgeon chinois est le premier vertébré octoploïde à avoir son génome entièrement séquencé, montrant une composition génomique complexe et des caractéristiques de ploïdie.
2. Fourniture de ressources précieuses : Des ressources génomiques de haute qualité fourniront une plateforme puissante pour la génétique, l’évolution et la recherche sur la conservation des esturgeons.
3. Affinement des temps de WGD et d’évolution : Le modèle Ks a permis de déduire plus précisément les temps de duplication du génome entier et d’origine des espèces.

Signification et valeur de l’étude

Cette étude fournit des aperçus approfondis sur l’évolution des poissons polyploïdes et les événements de duplication du génome entier, révélant les caractéristiques octoploïdes autosomiques complexes de l’esturgeon chinois. Elle a une importante valeur scientifique et appliquée pour la conservation, la gestion et la recherche future sur les esturgeons. En même temps, elle fournit également une référence génomique importante pour l’étude génomique d’autres vertébrés polyploïdes.