《Algal Research》：Two high-quality genomes of diatom
Navicula reveal genomic features and lineage-specific diversification
编辑推荐：
•利用HiFi长读长测序技术，生成了小缝藻属Navicula的首批基因组资源，基因组大小分别为94.69 Mb和811.98 Mb。•比较基因组学分析揭示小缝藻属存在谱系特异性的基因家族扩张，涉及环境感知、信号转导及胁迫应答等相关基因。•LTR反转录转座子与基因组扩张及谱系特
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利用HiFi长读长测序技术，生成了小缝藻属Navicula的首批基因组资源，基因组大小分别为94.69 Mb和811.98 Mb。
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比较基因组学分析揭示小缝藻属存在谱系特异性的基因家族扩张，涉及环境感知、信号转导及胁迫应答等相关基因。
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LTR反转录转座子与基因组扩张及谱系特异性基因家族多样化相关，包括参与信号传导和感觉功能的基因家族。
引言
硅藻门（Bacillariophyta）是一类多样性极其丰富、演化上极为成功且生态意义重大的浮游植物，广泛分布于海洋、淡水和潮间带生态系统中[1]。作为初级生产者，硅藻贡献了海洋初级生产力的高达40%，并占全球碳固定的20%[2]。它们每年从水域生境中吸收超过67亿吨的硅[3]。在应用价值方面，硅藻可作为环境监测与修复的生物指示剂，并可被工程化改造以生产高附加值产品，如生物燃料[4]、[5]、[6]、药物[7]、[8]以及重组蛋白[9]、[10]。这些独特的生物学特性及其潜在应用价值，使硅藻长期成为生物研究的关注焦点[11]、[12]、[13]、[14]。
硅藻被认为起源于三叠纪-侏罗纪界线时期（约2亿年前）[15]。尽管其演化历史相对较短，硅藻已成为当代海洋中最成功的浮游植物类群。硅藻包含约2万个现存物种，其中约1.2万个已被正式收录于Algaebase数据库[16]。传统上，硅藻可依据其硅藻壳的形态分为两类：中心硅藻和羽纹硅藻[17]。小缝藻属Navicula（Bory, 1822）是羽纹硅藻中物种最丰富的属，具有极强的环境适应性[18]，几乎分布于所有水生环境（图1a和b）[19]、[20]。Navicula物种通过上调抗氧化酶活性及特定胁迫应答蛋白的表达来适应高强度紫外线辐射[21]。此外，光照强度的变化会引发细胞生长、碳水化合物、脂质、蛋白质及类胡萝卜素含量的差异性响应，其中某些光照条件可显著增强生物量积累[22]。不同Navicula物种在淡水、低半咸水、半咸水和真盐水环境中表现出明显的生态位分化[23]。这些研究揭示了Navicula对非生物胁迫因子的生理响应。然而，这些适应机制背后的基因组学基础在很大程度上仍不清楚。近期针对底栖硅藻（包括Seminavis robusta）[24]的基因组分析揭示了与光保护、热激蛋白、黏附蛋白及离子通道相关基因家族的扩张。此类扩张为理解底栖硅藻适应复杂底栖环境的分子机制提供了洞察。然而，缺乏高质量的Navicula参考基因组已阻碍了对其演化适应机制的研究。
以往针对Navicula的基因组研究主要集中在器官体基因组的测序与注释。其中，Navicula ramosissima是最早被研究的物种之一，其线粒体基因组大小约为48.7 kb，共注释出67个基因[25]。类似地，Navicula incerta CACC 0356的完整器官体基因组序列为阐明Navicula属的系統发育关系提供了有价值的信息[26]。然而，将下一代测序技术应用于非模式藻类基因组仍颇具挑战。高杂合度与重复DNA序列的存在会使得基因组组装变得复杂，往往导致基因组大小被高估且组装结果高度碎片化[27]。相比之下，第三代长读长测序技术，尤其是PacBio HiFi测序，能够产生数千碱基至数万碱基范围的高准确读数[28]。这些长读长可有效解析富含重复序列的区域并区分高度相似的单倍型[29]。
转座元件（TEs）是硅藻基因组的主要组成部分，被认为在产生遗传多样性与促进适应性进化方面发挥重要作用[30]。转座子活性与基因家族动态变化共同作用，在种间和种内水平上均显著促进了硅藻的多样性[29]。长读长基因组组装数据的应用极大提升了完整转座子序列及其插入位点的鉴定能力，从而使得直接研究转座子介导的基因组创新成为可能。例如，已证实一种Mutator样转座元件（MULE）在Phaeodactylum tricornutum中破坏尿苷酸单磷酸合酶（UMPS）基因[30]。除对基因组结构的直接影响外，转座子还可通过表观遗传机制影响邻近基因的表达，从而增强硅藻的表型可塑性[31]。越来越多的证据表明，转座子介导的调控变异可能在极端环境条件下的适应性进化中发挥作用，包括增强微量元素利用能力及提高对氧化胁迫的耐受性[32]。因此，研究Navicula属物种多样化背后的基因组结构不仅有助于阐明适应性基因组进化的机制，也将促进在非模式生物中发现与环境适应相关的关键分子创新。
为了增进我们对硅藻进化与适应机制的理解，本研究采用PacBio HiFi长读长测序技术对两种Navicula硅藻的基因组进行了破译。文献报道的硅藻基因组大小范围从小至P. tricornutum的27.4 Mb到大至Pleurosigma pacificum的1.3 Gb不等[12]。我们选取了Navicula avium DFC_108和Navicula sp. L2230，其基因组大小分别约为810 Mb和95 Mb，以展示硅藻内部存在的广泛多样性。通过将这些基因组与我们先前获得的P. pacificum P11B基因组及其他可用的硅藻基因组[33]进行比较，我们旨在更全面地理解硅藻的进化过程、多样性及适应机制。
章节摘要
样本采集与DNA/RNA提取
2022年5月31日，从烟台市大黑山岛（37°58′ N; 120°36′ E）的潮下带采集了含有底栖硅藻Navicula sp. L2230的表层泥质沉积物。此外，2022年6月15日，使用玻璃管从青岛市小港埠（36°07′ N; 120°31′ E）的潮间带获取了Navicula avium DFC_108。所有样本均在阴凉、黑暗的环境中用海水仔细保存，随后运回实验室。这些培养物
基因组测序、组装与注释
本研究对Navicula avium DFC_108和Navicula sp. L2230采用了DNBseq短读长测序和PacBio HiFi长读长测序。两种硅藻的DNBseq原始读长中Q20和Q30的比例分别超过97%和90%。去除低质量读长后，清洁数据由高质量的read 1和read 2组成，其Q20值分别超过97.5%和92.4%。Navicula avium DFC_108和Navicula sp. L2230分别产生了32.6 Gb和46.8 Gb的短读长数据（表
讨论
尽管目前已有少数硅藻物种的基因组序列可用，但关于Navicula基因组大小的信息仍然十分有限。本研究利用PacBio HiFi测序组装了N. avium（811.98 Mb）和Navicula sp.（94.69 Mb）的高质量基因组。基于k-mer的基因组大小估算与最终基因组组装结果大体一致。对于N. avium，基于k-mer的估算值与最终组装结果之间的差异约为3.8%。同样地，对于Navicula sp.
CRediT作者贡献声明
徐佳隆：撰写初稿，资源提供，方法学，调查，数据整理，概念构思。杨凯跃：验证，形式化分析。罗宇杭：验证。胡浩然：数据整理。连俊阳：数据整理。王舒琦：资金获取。杜红：撰写审阅与编辑，项目管理，资金获取。李宇杭：资源提供，数据整理。Eva C. Sonnenschein：撰写审阅与编辑。建剑波：撰写审阅与编辑，指导，
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究由汕头大学科学研究启动基金（NTF25030T）资助。国家自然科学基金（项目编号：42276099）以及中国科学院生物资源专项（项目编号：CAS-TAX-24-034）。
Jialong Xu|Kaiyue Yang|Yuhang Luo|Haoran Hu|Junyang Lian|Shuqi Wang|Hong Du|Yuhang Li|Eva C. Sonnenschein|Jianbo Jian
