海洋脊椎动物参考基因组资源：Ocean Genomes计划推动生物多样性保护与eDNA监测技术发展

本期推荐Ocean Genomes研究计划：为解决海洋脊椎动物参考基因组匮乏、区域代表性不足问题，研究人员开展大规模海洋脊椎动物参考基因组构建工作，采用PacBio HiFi、Hi-C和转录组测序技术，完成Enoplosus armatus和Pempheris klunzingeri染色体级别高质量基因组组装，达到EBP 6.C.Q40和VGP 7.c.P6.Q50.C95标准，为eDNA生物监测和海洋保护提供关键基因组资源。

　　

海洋覆盖了地球70%以上的表面，孕育着惊人的生物多样性，尤其是海洋脊椎动物在生态系统中扮演着关键角色。然而，随着气候变化和人类活动的影响，海洋生物正面临前所未有的威胁。准确监测和保护海洋生物多样性已成为当务之急。传统的监测方法往往成本高昂、耗时费力，且难以覆盖广阔的海域。近年来，环境DNA（environmental DNA, eDNA）技术作为一种新兴的生物监测工具，显示出巨大潜力，可以通过分析水体中的DNA痕迹来检测物种的存在。但是，eDNA技术的准确性和分辨率高度依赖于高质量的参考基因组数据库。

令人遗憾的是，目前公共数据库中海洋脊椎动物的参考基因组严重匮乏。截至Ocean Genomes计划启动时，仅有3.5%的海洋脊椎动物物种拥有参考质量的全基因组序列，且这些数据大多代表北半球的物种多样性。澳大利亚水域和印度-太平洋地区作为全球海洋生物多样性的热点区域，其物种在基因组数据库中代表性严重不足。该区域拥有约5500种海洋脊椎动物，其中300多种被国际自然保护联盟（IUCN）列为受威胁或近危物种。这种基因组资源的缺乏不仅限制了eDNA监测技术的发展，也阻碍了我们对这些物种的进化历史、适应机制和保护需求的理解。

为了应对这些挑战，Minderoo基金会OceanOmics中心与西澳大利亚大学合作发起了Ocean Genomes计划，作为地球生物基因组计划（Earth BioGenome Project, EBP）的附属项目。该计划旨在为所有海洋脊椎动物科的代表物种以及具有高保护价值的附加物种生成高质量的参考基因组资源，并通过草案级别的基因组扩展对物种多样性的覆盖范围。研究团队以澳大利亚特有的两种海洋鱼类——Old Wife（Enoplosus armatus）和Rough Bullseye（Pempheris klunzingeri）作为案例，展示了该计划的技术路线和成果质量。

研究人员采用多种前沿技术组合开展研究：通过PacBio HiFi长读长测序技术获得高质量序列数据；利用高通量染色体构象捕获（Hi-C）技术进行支架构建；结合Illumina短读长和PacBio Kinnex全长RNA测序进行转录组分析。样本来自澳大利亚西海岸Wudjari Nyungar海国的野外采集，所有采集活动均获得当地政府和研究伦理许可。研究遵循EBP和脊椎动物基因组计划（Vertebrate Genomes Project, VGP）的最佳实践标准，确保产生的基因组达到染色体级别、单倍型分相、近乎无错误的高质量标准。

基因组组装与质量评估部分显示，研究人员采用Hifiasm进行单倍型分相contig组装，使用YAHS进行Hi-C支架构建，并通过PretextView进行人工 curation。质量评估使用BUSCO、Merqury和gfastats等多种工具。结果表明，E. armatus（fEnoArm2）和P. klunzingeri（fPemKlu1）的组装均达到EBP version 6.0-September 2024 6.C.Q40和VGP 7.c.P6.Q50.C95标准，contig N50超过10 Mb，碱基准确度QV>50，基因完整性>95%，染色体锚定率>95%。

分子验证与数据可用性方面，研究团队通过从PacBio HiFi、Hi-C和RNA-Seq数据中组装完整线粒体基因组，并查询12S、16S和COI序列 against内部策划的数据库，验证样本的名义物种身份。所有测序数据和基因组组装均通过NCBI BioProject PRJNA1046164公开可用，遵循CC BY 4.0许可协议。

案例研究物种生物学意义部分强调，E. armatus是Enoplosidae科唯一现存物种，其系统发育位置存在不确定性，该参考基因组有助于解决 phylogenetic uncertainty和理解当地适应性状的分子基础。P. klunzingeri是西南澳大利亚特有物种，此前公共数据库中没有任何遗传数据，其基因组资源将提高eDNA生物监测工具的分辨率，并帮助理解该鱼类的夜间行为和生物发光器官进化等有趣特征。

Ocean Genomes计划产生的高质量参考基因组资源将对多个科学领域产生深远影响。这些基因组为开发基于eDNA的海洋生物多样性监测工具提供了基础数据，使科学家能够通过水样分析准确识别物种，大幅降低监测成本并扩大监测范围。对于保护生物学，这些基因组资源有助于理解受威胁物种的遗传多样性、适应潜性和种群历史，为制定有效的保护策略提供科学依据。在进化生物学领域，这些数据为研究海洋脊椎动物的进化历史、适应性进化和物种形成机制提供了宝贵资源。

该研究的开放数据政策确保了全球科研人员能够平等获取这些资源，加速科学发现和技术创新。通过与全球基因组测序联盟的协调合作，Ocean Genomes避免了资源浪费和工作重复，实现了高效的数据生产和管理。未来，该计划将扩展到更多海洋脊椎动物类群，包括软骨鱼类、海洋哺乳动物、鸟类和爬行动物，特别是受威胁和具有商业价值的重要物种。

发表在《npj Biodiversity》的这项研究标志着海洋基因组学迈入了一个新阶段，为全球海洋保护和管理提供了重要的科学基础。随着更多海洋脊椎动物参考基因组的产生，我们将能更深入地理解海洋生物多样性，更有效地监测和保护海洋生态系统，应对全球变化带来的挑战。Ocean Genomes计划不仅填补了公共数据库中的重要空白，也为全球基因组学研究的公平性和包容性树立了榜样，特别是在代表南半球和土著人民传统知识方面的努力值得称道。