? 簡介：

? 巨大且高度重復的南極磷蝦基因組揭示了地球上最為豐富的野生動物的環(huán)境適應性和種群動態(tài)

Highlights

? 1汛聚、48.01GB染色體水平的南極磷蝦基因組組裝盖溺；2春哨、廣泛的重復序列擴展促成了巨型南極磷蝦基因組哺壶；3精偿、遺傳適應南極環(huán)境的極端變化；4击费、種群分析顯示南極磷蝦沒有明顯的地理分化拢蛋。

? 摘要

? 南極磷蝦（Euphausia superba）是地球上最豐富的野生動物，其巨大的生物量對南大洋生態(tài)系統(tǒng)至關重要蔫巩。 在這里谆棱，我們報告了48.01-GB染色體水平的南極磷蝦基因組，其超大的基因組大小似乎是由基因間轉(zhuǎn)座元件擴展引起的. 我們的AssemBly揭示了南極磷蝦生物鐘的分子結(jié)構(gòu)圆仔，并揭示了與蛻皮和能量代謝相關的擴展基因家族垃瞧，為適應寒冷和高度季節(jié)性的南極環(huán)境提供了見解。來自南極大陸周圍四個地理位置的種群水平基因組重新測序沒有揭示清晰的種群結(jié)構(gòu)荧缘，但突出了與環(huán)境變量相關的自然選擇皆警。10萬年前，磷蝦數(shù)量明顯急劇減少截粗，隨后反彈信姓，這與氣候變化事件相吻合鸵隧。我們的發(fā)現(xiàn)揭示了南極磷蝦適應南大洋的基因組基礎，并為未來南極研究提供了寶貴的資源意推。

? 介紹

? 磷蝦是磷蝦目軟甲類甲殼動物豆瘫，是各大洋浮游生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。南極磷蝦（Euphausia superba）（圖1A）的生物量為3-5億噸菊值，是地球上所有野生動物物種中最大的1外驱。高度豐富的物種是南極海洋生態(tài)系統(tǒng)的基石，形成了初級生產(chǎn)者和較高營養(yǎng)級之間的生態(tài)聯(lián)系——從冰藻到魚類腻窒、鳥類和海洋哺乳動物2昵宇。南極磷蝦在碳的生物地球化學循環(huán)中起著至關重要的作用，并再循環(huán)促進南大洋浮游植物生長的微量元素鐵3儿子，4瓦哎。最近的研究支持南極磷蝦存在內(nèi)源性計時系統(tǒng)，使重要的生命周期事件與南極的海洋區(qū)域性極地環(huán)境同步5柔逼。然而蒋譬，關于南極磷蝦適應以日長、食物可利用性和海冰范圍的高季節(jié)性為特征的環(huán)境的分子機制的知識是有限的5–9愉适。還沒有確定是否存在人口統(tǒng)計學上分離的人口10犯助，11。磷蝦基因組估計為42–48千兆堿基（GB） 12维咸，13剂买。到目前為止，其龐大的基因組規(guī)模和復雜性阻礙了其組裝癌蓖，并阻礙了對南極磷蝦適應的遺傳基礎的研究13雷恃，14。然而费坊，最近對肺魚15，16和墨西哥蠑螈17旬痹，18的研究表明附井，大型動物基因組組合中固有的令人生畏的技術挑戰(zhàn)是可以克服的. 在此，我們對南極磷蝦進行了測序两残、組裝永毅、基因組特征分析和流行遺傳分析。

? 結(jié)果

? 染色體水平的基因組組裝與評價

? 為了組裝南極磷蝦基因組人弓，我們生成了3.06 T堿基（TB）PacBio連續(xù)長讀日铀馈（CLR），734.99GB PacBio高保真循環(huán)一致性測序（HiFi-CCS）讀數(shù)崔赌，4.01 TB短讀數(shù)和11.38 TB Hi-C reads（表S1）意蛀， 基因組組裝產(chǎn)生了48.01 GB的基因組（表S1）耸别，這是迄今為止報道的最大的動物集合，它比墨西哥蠑螈（17县钥，18）大50%秀姐，比兩種肺魚大20%-30%（15，16）若贮。所述組件具有較長的重疊群N50（178.99千堿基[kb]）多于154個可用的無脊椎動物基因組裝配中的120個（圖1B省有；表S1）。 它的支架N50也是1 帶66的08 GB 01%的重疊群錨定在17條染色體上谴麦，19蠢沿，20，而未錨定的重疊群較短匾效，基因密度較低（圖S1A舷蟀；表S1） 使用基于基因組短讀數(shù)、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和非外顯子超保守元件（真核生物的UCEs）的評估弧轧，與其他軟甲甲殼動物裝配的比較顯示雪侥，盡管南極磷蝦裝配的尺寸大得多，但其質(zhì)量和完整性相當（表S1精绎；Star方法）速缨。 重復序列，特別是長的幾乎相同的重復序列代乃，可以極大地影響基因組組裝21旬牲。與脊椎動物基因組相比，無脊椎動物基因組通常具有更大比例和單位長度的串聯(lián)重復序列（TR）搁吓，這可能是導致其組裝困難的原因22原茅。 南極磷蝦基因組中的重復DNA異常豐富，這使得基因組組裝特別具有挑戰(zhàn)性堕仔。 最常見的衛(wèi)星重復序列的單位長度比可獲得的最密切相關的無脊椎動物基因組中的更長擂橘，甲殼類動物Procambarus virginalis（t檢驗，P<2.23*10-16）和凡納濱對蝦（t檢驗摩骨，P<2.23*10-16）（圖1C通贞；表S2） 我們發(fā)現(xiàn)，基因組組裝含有很大比例的TRS（25 77%）恼五，這仍然被低估昌罩，因為TR很難組裝，特別是對于具有長單位長度（>50堿基對[BP]）和高豐度的TR（圖1C灾馒；表S2）茎用。 高TR比例影響基因組組裝，表現(xiàn)為重疊群長度與觀察到的TR之間的負相關（Pearson s R=0。 14P<104）（圖S1B） 螞蟻北極磷蝦基因組在10kb窗口）中的重復區(qū)域密度（高于墨西哥蠑螈轨功、肺魚和兩種馬陸甲殼類動物（t檢驗旭斥，P<2 231016）（圖1D） 我們還發(fā)現(xiàn)93 43%的重疊群以重復序列結(jié)束，具有高序列相似性（同一性>98%）的相鄰TEs在裝配中以短間隔聚集夯辖，形成延伸的重復片段（圖S1C）琉预。

? 巨型無脊椎動物基因組的屬性

? 巨大的基因組大小在南大洋和北大西洋的甲殼類動物中似乎很常見，但在南極磷蝦中沒有多倍體（全基因組復制）的證據(jù)12蒿褂。我們的基因組組裝揭示了巨大的南極磷蝦基因組可歸因于重復序列擴展15圆米。 使用標準重復序列掩蔽法鑒定出72.15%的基因組為重復序列，額外重復注釋后最高可達92.45%啄栓，略高于澳大利亞肺魚報告15（90.00%）（圖1E娄帖；表S2） 轉(zhuǎn)座因子（TEs）組成78.22%的南極磷蝦基因組和DNA TES構(gòu)成了最大的部分（表S2） 值得注意的是，DNA/CMC-ENSPM占91.91%的DNA TES昙楚，形成基因組的42.02%（表S2） 北極磷蝦DNA/CMC-EnSpm系統(tǒng)進化樹 Vannamei和P Virginalis在南極磷蝦中沒有發(fā)現(xiàn)顯著擴張的特定分支（圖1F）近速。 我們在南極磷蝦基因組中注釋了28，834個蛋白質(zhì)編碼基因堪旧，其基因模型與其他相關物種的基因相似削葱，編碼序列長度與全長轉(zhuǎn)錄本的長度相當（圖S1D和S1E；表S1）淳梦。 南極磷蝦的基因和內(nèi)含子長度明顯短于肺魚和墨西哥美西螈（圖S1D和S1F析砸；表S1），這表明與基因組大小相當?shù)募棺祫游锵啾缺郏蠘O磷蝦基因區(qū)域中插入的重復序列擴展是有限的 然而首繁，與其他46種已發(fā)表的海洋脊椎動物相比，南極磷蝦中TE插入的普遍性顯著增加了內(nèi)含子長度（圖2A和S1F）陨囊。 先前的一項研究報道弦疮，將TES插入基因并不會對非洲肺魚的基因調(diào)控產(chǎn)生很大影響。 16類似地蜘醋，我們還觀察到胁塞，南極磷蝦和其他無脊椎動物物種之間以及南極磷蝦組織之間的基因長度與基因表達水平無關（圖S1g–S1j）

? 重復序列擴展的動力學及其遺傳機制

? 與其他46種無脊椎動物基因組相比，南極磷蝦的重復亞型更普遍压语，但顯示出相似的組成和擴展模式（圖S2a闲先；表S2）。 在脊椎動物中觀察到TRS和TES的比例呈正相關（圖S2b）无蜂。 在南極磷蝦中，大多數(shù)（96.39%）TRS與TES（DNA轉(zhuǎn)座子蒙谓、長末端重復序列[LTR]和長散在核元件[LINE]）重疊（STAR方法）高比例的TRS可能是由于TE擴增與相關TRS的滑移突變有關斥季，如最近報道的兩種對蝦（L 南美白對蝦和中國對蝦）。 23南極磷蝦的GC含量為29.36%，低于154個中的140個90.91%）公布的無脊椎動物基因組組裝（圖S2C和S2D酣倾；表S1） 這種低GC含量反映了大量缺乏GC的DNA轉(zhuǎn)座子（圖2B）舵揭。

? 有人認為诫肠，CpG二核苷酸丟失伴隨著TES導致的基因組大小擴增倒戏，這限制了TES插入的有害影響24. 我們在南極磷蝦中觀察到兩個假定的TES擴張事件，36和170Mya（圖2C）马篮。 最近的一次活動促成了它們基因組擴增的39.51%映之，接近磷蝦的出現(xiàn)時間拦焚，磷蝦是一種基因組大小一直很大的磷蝦屬，12杠输，25赎败，而另一種基因組擴增的比例為18.54%（圖2C；表S2）

? TES在宿主基因組中的積累水平是由長時間尺度上TE活性和抑制的平衡造成的24,26蠢甲，27僵刮。 為了在南極磷蝦中研究這一點，我們使用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域PFAM數(shù)據(jù)庫對基因組進行了比對鹦牛。前20個域名占55.91%的檢測到的PFAM是主要的搞糕，并且20個結(jié)構(gòu)域中的11個在轉(zhuǎn)座因子（TE）活性（圖2D）中起作用，例如逆轉(zhuǎn)錄酶UNK6RVT_1）和整合酶UNK7整合酶_H2C2UNK8曼追。 值得注意的是窍仰，在20個頂級結(jié)構(gòu)域中，我們發(fā)現(xiàn)3個結(jié)構(gòu)域（ZF-H2C 2_2拉鹃、ZF TRM 13_CCCH和ZF-MYND）的密度高于46個其他無脊椎動物物種（Z評分>3）（圖2D）辈赋。 在TRM13甲基轉(zhuǎn)移酶蛋白的N末端發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)域ZF-TRM 13_CCCH，而在含有SET和MYND結(jié)構(gòu)域（SMYD）的甲基轉(zhuǎn)移酶蛋白中發(fā)現(xiàn)ZF-MYND 29膏燕。 DNA甲基化可能使TE驅(qū)動的基因組擴增成為可能24钥屈，30。我們推測坝辫，這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域尤其與南極磷蝦基因組大小動態(tài)有關

? 南極磷蝦環(huán)境適應的基因組基礎

? 南極磷蝦之所以能夠在南海維持較高的豐度篷就，是因為它們進化出了季節(jié)同步策略7。這使得適應光照近忙、溫度和海冰的高度變化成為理解南極磷蝦季節(jié)性生命周期的關鍵5–9竭业。光線和溫度變化可以誘導和重置晝夜節(jié)律系統(tǒng)31，32及舍。南極磷蝦暴露在寒冷的環(huán)境中未辆，季節(jié)變化引起劇烈的光照變化，并進化出晝夜節(jié)律的遺傳適應锯玛。 有人提出咐柜，在南極磷蝦中5兼蜈，與其他真核生物一樣33，轉(zhuǎn)錄因子Clock（CLK）和Cycle（CYC）結(jié)合編碼其抑制劑Cryptochrome2（CRY2）拙友、Period（PER）和Timeless（Tim）的基因上游的E-box元件为狸，以產(chǎn)生自我維持的晝夜節(jié)律（反饋環(huán)）。 我們發(fā)現(xiàn)南極磷蝦基因組中的625個基因在其啟動子區(qū)內(nèi)含有至少一個E-box（南極磷蝦特異性共有序列CA[AT/TA]TG）（表S3）遗契。 其中包括主要的時鐘抑制劑PER辐棒、Tim和CRY2，以及直接調(diào)節(jié)CLK和CYC表達的三個關鍵晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子VRI牍蜂、PDP1和REV-ERB漾根。 我們的發(fā)現(xiàn)提供了磷蝦生物鐘的分子結(jié)構(gòu)模型（圖3A），證實了可能存在雙反饋回路機制5捷兰。許多潛在的時鐘控制基因（58.3%）立叛。在以前的研究中顯示出每日振蕩表達譜6（表S3）。 我們進一步分析了生物節(jié)律反饋環(huán)中基因表達的季節(jié)性差異贡茅，發(fā)現(xiàn)四個晝夜節(jié)律基因（CLK秘蛇、CRY1、Nemo和PDP1）在夏季和冬季之間表現(xiàn)出差異表達（圖3A）顶考。 CLK赁还、CRY1和PDP1在夏季上調(diào)，而Nemo在冬季上調(diào)（倍數(shù)變化[FC]>2驹沿，Benjamini Hochberg校正P值[P-adj]<0 01）（圖3A）艘策。在果蠅中，Nemo是一種調(diào)節(jié)生物鐘速度的絲氨酸/蘇氨酸激酶34渊季。冬季Nemo表達的增加可能表明其參與了向靜止狀態(tài)的復雜轉(zhuǎn)變朋蔫，此前有報道稱，這受到南極磷蝦生物鐘的影響6却汉，導致性退化和活動驯妄、生長和代謝率下降 35.

? 南極磷蝦進化出了生理適應性和行為模式，由晝夜節(jié)律系統(tǒng)控制合砂，這有助于它們保存能量并在低溫和劇烈變化的光照條件下生存36青扔。它們可以在整個生命周期中不斷蛻皮，但它們的生長速度隨季節(jié)變化37翩伪。冬季南極磷蝦的蛻皮間期通常是夏季和秋季的兩倍（每26-29天一次）微猖，37與攝食制度幾乎沒有關系 4、在南極磷蝦基因組中鑒定出25個顯著擴展的基因家族缘屹，（P-adj<0.05）（圖3B凛剥；表S3）。 12個直接參與蛻皮周期（6個家族）和能量代謝（6個家族）（圖3C）轻姿。 這些家族中的大多數(shù)基因被表達犁珠，表明額外的基因拷貝是功能性的（圖3D傅瞻；表S3）。

? 甲殼素是甲殼類動物表皮的重要組成部分盲憎。 南極磷蝦中編碼幾丁質(zhì)結(jié)合蛋白的基因的擴增（圖3E）可能反映了蛻皮周期中表皮形成和吸收的精細調(diào)節(jié) 38與能量代謝相關的6個擴展基因家族可以降低連續(xù)蛻皮的維持成本（圖3C；表S3） 這些家族包括編碼具有ATP結(jié)合結(jié)構(gòu)域的蛋白的基因胳挎，包括MHC饼疙、DDX5和DDR2（表S3）。 特別是慕爬，我們注意到北極磷蝦中有69個肌球蛋白基因（平均比其他物種多16倍）（表S3） 肌球蛋白基因擴增可能具有一系列與南極磷蝦獨特的生命周期相關的功能窑眯，例如與冬季身體萎縮相關的肌肉收縮8。

? 我們鑒定了幾個在夏季和冬季之間差異表達的基因医窿。 編碼卵黃蛋白原（VTG）的基因En的所有6個拷貝在夏季海生（FC>2磅甩，P-adj<0 05）（表S3）。 VTG是無脊椎動物必需的卵黃蛋白姥卢，在需要能量的產(chǎn)卵季節(jié)提供營養(yǎng)庫卷要。 39個額外的能量代謝相關基因——包括CysC、PFK和PKLR——在夏季也表現(xiàn)出上調(diào)（圖3F）独榴，并可能支持此時卵黃發(fā)生增加和頻繁蛻皮 PNLIPRP2（一種消化脂肪酶基因）的兩個同源物之一在冬季海洋SON期間上調(diào)僧叉，可能有助于在食物短缺期間生存40，41（圖3F棺榔；表S3）瓶堕。此外，促進蛻皮和生長的基因（JHE症歇、JHE-like CXE和CHT10）在食物供應充足的夏季上調(diào)郎笆，而抑制蛻皮的基因（JHAMT和CASP2）在冬季上調(diào)（圖3F）。 這一發(fā)現(xiàn)與之前的一項關于南極磷蝦在相對高溫忘晤、長時間光照和食物供應增加的情況下蛻皮的研究相一致37宛蚓。這些結(jié)果表明，蛻皮周期和繁殖中的基因組創(chuàng)新是對南大洋極端季節(jié)性食物供應的適應德频。

? 南極磷蝦種群動態(tài)

? 關于南極磷蝦是否代表南大洋Panmixia的單一遺傳同質(zhì)種群苍息，長期以來一直存在爭議10，11壹置。為了研究南極磷蝦的種群結(jié)構(gòu)竞思，我們從南大洋四個高生物量區(qū)域：大西洋部分的南喬治亞島（SG）和南設得蘭島（SSI）、印度洋部分的普里茲灣（Pb）和太平洋部分的羅斯海（RS）收集了75個個體钞护，并進行了基因組測序盖喷，平均深度為17 723（圖4A；表S4） 我們應用了多個質(zhì)量控制步驟难咕，并獲得了364 5700萬個SNP课梳，平均密度為每37bp一個SNP（表S4距辆；STAR方法），可用于南極磷蝦的群體基因組分析 平均核苷酸多樣性（QP）和觀察到的常染色體雜合度為2 253103和2 分別為083103暮刃，在四個地理群體中具有相似的遺傳多樣性（表S4）跨算。 我們還觀察到南極磷蝦地理群之間的低成對FST值，最大FST為1 923103（圖4B）和僅0 052%SNPs的FST>0 15（表S4） 非常低的平均FST和小百分比的分化SNPs表明椭懊，在地理群體內(nèi)和地理群體之間沒有實質(zhì)性的分化 這些結(jié)果——連同使用Abba-Baba統(tǒng)計42（圖S3a）诸蚕、TreeMix推斷43（圖S3b和S3c）和BA3-SNPS44（圖S3d）推斷的Pb、RS氧猬、SSI和SG之間的基因流和遺傳連接性——表明南極磷蝦地理群之間在大地理尺度上的廣泛混合和連接性.

? 然而背犯，主成分分析（PCA）（圖4C、S3E和S3F）盅抚、多維尺度分析（MDS）（圖S3G）和鄰接樹（NJ）（圖S3H）表明漠魏，南極磷蝦中的基因結(jié)構(gòu)是可識別的，特別是在SG和Pb-RS之間 STRUCTURE 45和NGSADMIX46的人口結(jié)構(gòu)分析也揭示了四個地理群體祖先成分的不同比例（圖S3I–S3P). 這一結(jié)果也得到了置換檢驗的支持妄均，即個體內(nèi)隨機抽取的FST值顯著低于不同地理群體間的FST值（置換檢驗柱锹，P<0.05）（表S4） 這種分化模式主要依賴于少量的SNP。 當FST>0.1的異常SNP時被刪除丛晦，（0 36%的SNPs）奕纫，來自四個地理群體的個體是混合的43（數(shù)字S3Q–S3T）. 總體而言，這些結(jié)果表明烫沙，可檢測到的較小地理結(jié)構(gòu)是由于一小部分分化的SNP匹层，這反映了我們非常大的SNP數(shù)據(jù)集的力量.

? 在一個大的群體中，遺傳漂變是有限的锌蓄，這減緩了中性標記的分化升筏。 然而，自然選擇在修復有益突變方面更有效瘸爽，即使選擇很弱47,48您访。我們研究了四個地理位置的SNPs與十個環(huán)境變量之間的關聯(lián)，作為潛在環(huán)境選擇的指標49（圖S4A剪决；表S4） 隔離-距離（IBD）檢驗不顯著（圖S4B）灵汪，但隔離-環(huán)境（IBE UNK6分析顯示，遺傳分化與環(huán)境距離UNK7偏Mantel檢驗顯著相關柑潦，P=0.04,R=0.84雙側(cè)）（圖4D）享言。此外，我們使用潛在因子混合模型50（圖S4C）檢測了387個潛在的適應性SNPs渗鬼，這些SNPs分散在與環(huán)境變量相關的基因組中览露。 這387個適應性SNPs在四個組中的等位基因頻率揭示了SG SSI和Pb-RS組之間的不同遺傳模式（圖4E和S4D）。 我們的研究結(jié)果表明譬胎，環(huán)境選擇可能在驅(qū)動南極磷蝦不同類群的基因結(jié)構(gòu)中發(fā)揮重要作用差牛。

? 為了揭示南極磷蝦的種群歷史命锄，我們使用成對順序馬爾可夫合并（PSMC）方法51和PopSizeABC 52推斷來估計過去的有效種群大小（NE）偏化。 我們發(fā)現(xiàn)NE從大約10Mya急劇減少（圖4F和S4E–S4L）脐恩，與更新世期間冰期-間冰期變化的廣泛幅度和南大洋溫度的整體下降相吻合53，54侦讨。人口規(guī)模的總體峰值約為10 Mya被盈，這與穩(wěn)定的南極冰蓋的形成時間和持續(xù)的南極繞極洋流（ACC）的存在有關（圖4F）55。我們還觀察到南極磷蝦群從10萬多年前開始的后續(xù)擴張搭伤，這與晚更新世時期較冷的氣候和更大面積的有益海冰棲息地有關（圖4F）56。 上一個冰河時期較冷的氣候擴大了南極冰蓋袜瞬，這將為磷蝦提供更大的棲息地和生態(tài)釋放56怜俐。 這一人口瓶頸和隨后的擴張是由過量的稀有等位基因（田島的D支持的，范圍從1.35比1.31）（表S4） 這些來自基因組數(shù)據(jù)的推論與歷史上和最近的溫度變化相對應57. 然而邓尤，溫度對南極磷蝦的長期影響是復雜的拍鲤，因為該物種不斷進化，生活在不同的條件下汞扎，生態(tài)環(huán)境也隨著時間的推移而變化季稳。 快速的氣候變化對南極磷蝦的影響很難預測。 南極磷蝦是重要的南大洋食物網(wǎng)的關鍵物種澈魄，但海洋溫度和初級生產(chǎn)的變化如何影響其棲息地質(zhì)量仍知之甚少景鼠。 磷蝦的棲息地可能會轉(zhuǎn)移到這些地區(qū)的高緯度地區(qū)，但氣候變化將如何影響磷蝦種群規(guī)模痹扇，以及依賴磷蝦生存的南極生態(tài)系統(tǒng)铛漓，是迫切需要解決的關鍵問題58.

? 討論

? 南極磷蝦是南大洋食物網(wǎng)中的一個關鍵環(huán)節(jié)，由于其巨大的生物量鲫构，影響著生態(tài)系統(tǒng)的功能浓恶。 在這里，我們展示了南極磷蝦基因組结笨，這是迄今為止最大的動物集合包晰。 唯一大小相當?shù)膭游锘蚪M是最近釋放的稍小的墨西哥美西蠑螈、澳大利亞肺魚和非洲肺魚15–18炕吸。盡管具有巨大基因組的動物通常具有高比例的重復序列伐憾，但它們的擴展顯示出不同的模式，南極磷蝦以DNA轉(zhuǎn)座子為主算途，尤其是DNA/CMC-EnSpm塞耕，而肺魚則以LINE和LTR為主，墨西哥蠑螈則以LTR為主嘴瓤。 此外扫外，我們在最近的兩次爆發(fā)中發(fā)現(xiàn)了TES的古老積累莉钙，并且最近的一次事件接近于磷蝦的出現(xiàn)時間，這可能部分解釋了磷蝦屬大基因組的原因筛谚。 12磁玉，25。大的基因組大小在極地甲殼類動物中似乎很常見12驾讲。因此蚊伞，我們證明了南極磷蝦組合將為測序工作提供激勵，可以回答為什么以及如何巨大的基因組大小吮铭。

? 在極地甲殼類動物中是典型的晝夜節(jié)律是由分子鐘基因控制的时迫，這些基因協(xié)同產(chǎn)生其豐度和活性的周期性變化，以響應環(huán)境線索59谓晌。 就南大洋的日長而言掠拳，極端的海洋季節(jié)變化可能從根本上改變晝夜節(jié)律系統(tǒng)。 在這里纸肉，我們連接了南極磷蝦Circa Dian Clock的雙反饋回路系統(tǒng)溺欧，這是晝夜節(jié)律振蕩的基本遺傳結(jié)構(gòu) 將晝夜節(jié)律成分與其他生物（哺乳動物和果蠅）進行比較，我們發(fā)現(xiàn)晝夜節(jié)律系統(tǒng)的主要框架沒有發(fā)生變化柏肪，但反饋通路的基因表達（CRY1姐刁、CLK、Nemo和PDP1）可能表現(xiàn)出不同的表達模式 顯然烦味，需要更多的研究來揭示這些基因的具體功能作用聂使，這些基因是南極磷蝦適應南極環(huán)境的主要驅(qū)動力。

? 以前的南極磷蝦種群遺傳學研究依賴于來自mtDNA10谬俄，56的有限數(shù)量的標記和低覆蓋率限制位點相關的DNA測序的推斷11我們的集合和75個個體中數(shù)以億計的SNP極大地擴展了群體遺傳學的洞察力 鑒于南極磷蝦的龐大種群規(guī)模岩遗，遺傳多樣性的全基因組估計相對較低60（表S4）。 大種群中的低遺傳多樣性凤瘦，被稱為“列萬廷悖論”宿礁，可能是由于南極磷蝦的低突變率61，62（表S4）蔬芥。 這種低突變率可能是磷蝦基因組的低GC含量和/或大種群中選擇能力增加的副產(chǎn)品 63我們還發(fā)現(xiàn)梆靖，有效人口規(guī)模（NE）與人口普查規(guī)模（NE/NC）之比為53109（STAR方法），這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的這種差異的最極端的例子之一 64因此笔诵，包括相對較小的NE/NC返吻、低突變率和自然選擇在內(nèi)的進化力量的混合可能形成了南極磷蝦的低遺傳多樣性。

? 我們的研究結(jié)果表明乎婿，南極磷蝦種群基本上是隨機交配的测僵，在整個南極大陸的大地理范圍內(nèi)具有高度的連通性。 該物種分布與被認為是世界上最強的洋流（ACC）和南極沿岸流（ACOC）廣泛重疊，磷蝦在洋流中的運動可能解釋了總體遺傳同質(zhì)性65-69（圖4A）捍靠。 我們的數(shù)據(jù)集的巨大統(tǒng)計能力確實檢測到了極低水平的遺傳分化沐旨。 我們的分析表明，這種非常微妙的信號依賴于少數(shù)受選擇影響的基因座榨婆。 來自SG的磷蝦是我們分析的唯一一個位于南極分叉點以北的磷蝦種群磁携，它們的遺傳分化程度最高，這可能是由于在這個獨特的環(huán)境中良风，選擇性力量作用于基因組的幾個部分 一般來說谊迄，在由大量個體組成的群體中，正如我們在南極磷蝦中看到的那樣烟央，遺傳漂變對SNP頻率的影響非常有限统诺，這使得具有較小選擇優(yōu)勢的基因座得以建立 70.這也表明，這些地理群體之間基因頻率的變化很可能是與當?shù)剡m應有關的自然選擇的結(jié)果疑俭。 確認中性標記的任何弱地理結(jié)構(gòu)將需要更廣泛的采樣和理想的時間序列磷蝦收集篙议，以評估時間穩(wěn)定性 71我們的研究結(jié)果表明，特定區(qū)域的漁業(yè)保護措施可能仍然需要維持磷蝦的功能遺傳多樣性怠硼。

? 這項研究的主要技術亮點是組裝了迄今測序的最大動物基因組∫魄樱基因組中超豐富的TR DNA加劇了這一技術挑戰(zhàn)香璃，這成為我們工作的主要生物學發(fā)現(xiàn)之一。 我們仔細分析了導致巨大基因組大小的重復序列舟误，這提供了由重復元件活性引起的基因組大小擴展的最好例子之一葡秒。 組裝的基因組使我們能夠全面分析整個基因組中與光周期性有關的基因。 對南極高度變化的光照條件的生理反應是磷蝦生物學的核心嵌溢，我們產(chǎn)生的基因組資源大大改善了對這種適應性的詳細研究眯牧。 最后，全基因組SNPs被用于解決南極磷蝦種群遺傳分化這一長期存在的問題 種群結(jié)構(gòu)非常有限赖草，中性SNPs沒有顯示出主要的遺傳分化学少，但有一些證據(jù)表明，局部條件可能對基因組中的SNPs的子集具有選擇性影響秧骑。 總之版确，磷蝦基因組和詳細的種群遺傳分析無疑將有助于未來對這一關鍵南極物種管理的相關研究。 研究的局限性由于南極磷蝦的基因組大小和TR豐度較大乎折，基因組組裝的連續(xù)性不如肺魚和墨西哥蠑螈的脊椎動物基因組長绒疗。 此外，在時間序列上對磷蝦進行更廣泛的采樣和理想的收集骂澄，以評估種群動態(tài)和自然選擇推斷的時間穩(wěn)定性和可靠性吓蘑，將是有價值的。

Changwei Shao,1,2,27,28,* Shuai Sun,3,4,5,27 Kaiqiang Liu,1,2,27 Jiahao Wang,3,27 Shuo Li,1,2,27 Qun Liu,3,6,27 Bruce E. Deagle,7,8 Inge Seim,9 Alberto Biscontin,10 Qian Wang,1,2 Xin Liu,4,11,12,13 So Kawaguchi,8 Yalin Liu, Simon Jarman,14 Yue Wang,4,15 Hong-Yan Wang,1,2 Guodong Huang,4 Jiang Hu,16 Bo Feng,1,2 Cristiano De Pitta` ,10 Shanshan Liu,3 Rui Wang,1,2 Kailong Ma,4,17 Yiping Ying,18 Gabrielle Sales,10 Tao Sun,3 Xinliang Wang,18 Yaolei Zhang,