罗宾逊克鲁索岛刺龙虾Jasus frontalis的首个核与线粒体基因组图谱：为可持续渔业管理提供基因组学基础

本研究针对智利胡安·费尔南德斯群岛特有经济物种Jasus frontalis的基因组资源匮乏问题，通过低深度测序技术首次解析其核基因组大小(1.42-1.65 Gbp)、线粒体基因组结构(15,514 bp)及转座元件组成(41-64%)，并基于13个线粒体PCGs建立Achelata下目系统发育框架，为这一过度捕捞物种的保育策略和渔业管理提供了关键分子标记。论文创新性采用k-mer分析和DnaPipeTE等生物信息学工具，填补了东南太平洋重要渔业资源的基因组空白。

　　

在东南太平洋的胡安·费尔南德斯群岛，一种名为Jasus frontalis的刺龙虾正面临严峻的生存挑战。这种最大体长可达48厘米的经济物种支撑着当地利润丰厚但不可持续的手工渔业，近年捕获量持续下降的迹象表明种群可能已过度开发。更令人担忧的是，尽管该物种生活史研究相对充分，但基因组资源极度匮乏——此前仅有的分子数据来自线粒体cox1基因片段和简化基因组测序(DaRTseq)，严重制约了科学管理和保护策略的制定。

针对这一现状，由克莱姆森大学J. Antonio Baeza领衔的国际研究团队在《BMC Genomics》发表了一项开创性研究。研究人员采用Illumina HiSeq X Plus平台获得31,202,775条双端测序 reads，通过创新的生物信息学分析方法，首次绘制了这种海洋经济物种的基因组图谱。研究团队开发的技术路线极具特色：运用k-mer频谱分析估算核基因组大小，采用GetOrganelle从头组装线粒体基因组，利用DnaPipeTE解析转座元件组成，最后基于13个线粒体蛋白编码基因(PCGs)构建了Achelata下目的系统发育框架。

关键技术方法包括：(1)使用KMC3和GenomeScope2进行k-mer频谱分析，设置13种k-mer长度(18-54 bp)估算基因组参数；(2)采用Trinity组装和RepeatMasker注释的DnaPipeTE流程分析核基因组重复序列；(3)以J. edwardsii线粒体为种子，通过GetOrganelle完成15,514 bp线粒体基因组组装；(4)使用MITOS2和RNAfold分别进行基因注释和tRNA二级结构预测；(5)基于13个PCGs的氨基酸序列，采用IQ-TREE进行最大似然法系统发育分析。

基因组特征分析揭示：

• 核基因组大小估算显示k-mer方法的局限性：RESPECT软件估算为1.42-1.65 Gbp，显著低于流式细胞术报告的4.56 Gbp，表明低测序深度(2.05x)对大型基因组估算的偏差。
• 转座元件组成呈现"爆发式进化"特征：未注释重复序列占比高达64.94%，已注释部分以LINEs(12.64%)、DNA转座子(7.35%)和LTRs(5.44%)为主，其分布偏态提示近期转座活跃事件。
  
  

线粒体基因组解析发现：

• 基因排列高度保守：15,514 bp环状分子包含13个PCGs、22个tRNAs和2个rRNAs，基因顺序与近缘种完全一致。
• 密码子使用偏好明显：最频繁密码子TTA(Leu)、TTT(Phe)和ATT(Ile)均呈AT富集特征，反映线粒体基因组的进化约束。
• 选择压力分析显示：所有PCGs的Ka/Ks<1，其中cox1(0.845)和cob(5.22×10^-15)分别代表最高和最低选择压力，证实线粒体基因普遍承受纯化选择。
  
  

系统发育分析确立：

• 属级分类单元关系：Jasus属与Sagmariasus verreauxi构成单系群(bv=100)，支持"静音型"(Silentes)龙虾的独立演化地位。
• 更高阶元稳定性：Achelata下目和Palinuridae科均获100%支持，验证了线粒体PCGs在甲壳类系统学中的可靠性。
  
  

这项研究的意义远超常规基因组调查。首先，1.65 Gbp的基因组下限估计为后续染色体级别组装奠定基础；线粒体基因组可作为环境DNA(eDNA)监测的参考序列；转座元件图谱则为理解龙虾对环境适应的分子机制提供新视角。尤为重要的是，研究揭示了k-mer分析在大型基因组中的局限性，为未来海洋无脊椎动物基因组研究提供了方法学警示。这些发现不仅助力J. frontalis的种群管理和市场溯源，更丰富了我们对Achelata下目基因组演化的认知，为海洋生物多样性保护提供了分子工具包。