Abstract High-quality and complete reference genome assemblies are fundamental for the application of genomics to biology, disease, and biodiversity conservation. However, such assemblies are available for only a few non-microbial species 1–4 . To address this issue, the international Genome 10K (G10K) consortium 5,6 has worked over a five-year period to evaluate and develop cost-effective methods for assembling highly accurate and nearly complete reference genomes. Here we present lessons learned from generating assemblies for 16 species that represent six major vertebrate lineages. We confirm that long-read sequencing technologies are essential for maximizing genome quality, and that unresolved complex repeats and haplotype heterozygosity are major sources of assembly error when not handled correctly. Our assemblies correct substantial errors, add missing sequence in some of the best historical reference genomes, and reveal biological discoveries. These include the identification of many false gene duplications, increases in gene sizes, chromosome rearrangements that are specific to lineages, a repeated independent chromosome breakpoint in bat genomes, and a canonical GC-rich pattern in protein-coding genes and their regulatory regions. Adopting these lessons, we have embarked on the Vertebrate Genomes Project (VGP), an international effort to generate high-quality, complete reference genomes for all of the roughly 70,000 extant vertebrate species and to help to enable a new era of discovery across the life sciences.

Song-learning birds and humans share independently evolved similarities in brain pathways for vocal learning that are essential for song and speech and are not found in most other species. Comparisons of brain transcriptomes of song-learning birds and humans relative to vocal nonlearners identified convergent gene expression specializations in specific song and speech brain regions of avian vocal learners and humans. The strongest shared profiles relate bird motor and striatal song-learning nuclei, respectively, with human laryngeal motor cortex and parts of the striatum that control speech production and learning. Most of the associated genes function in motor control and brain connectivity. Thus, convergent behavior and neural connectivity for a complex trait are associated with convergent specialized expression of multiple genes.

Abstract Here the Human Pangenome Reference Consortium presents a first draft of the human pangenome reference. The pangenome contains 47 phased, diploid assemblies from a cohort of genetically diverse individuals 1 . These assemblies cover more than 99% of the expected sequence in each genome and are more than 99% accurate at the structural and base pair levels. Based on alignments of the assemblies, we generate a draft pangenome that captures known variants and haplotypes and reveals new alleles at structurally complex loci. We also add 119 million base pairs of euchromatic polymorphic sequences and 1,115 gene duplications relative to the existing reference GRCh38. Roughly 90 million of the additional base pairs are derived from structural variation. Using our draft pangenome to analyse short-read data reduced small variant discovery errors by 34% and increased the number of structural variants detected per haplotype by 104% compared with GRCh38-based workflows, which enabled the typing of the vast majority of structural variant alleles per sample.

Pangenome references address biases of reference genomes by storing a representative set of diverse haplotypes and their alignment, usually as a graph. Alternate alleles determined by variant callers can be used to construct pangenome graphs, but advances in long-read sequencing are leading to widely available, high-quality phased assemblies. Constructing a pangenome graph directly from assemblies, as opposed to variant calls, leverages the graph’s ability to represent variation at different scales. Here we present the Minigraph-Cactus pangenome pipeline, which creates pangenomes directly from whole-genome alignments, and demonstrate its ability to scale to 90 human haplotypes from the Human Pangenome Reference Consortium. The method builds graphs containing all forms of genetic variation while allowing use of current mapping and genotyping tools. We measure the effect of the quality and completeness of reference genomes used for analysis within the pangenomes and show that using the CHM13 reference from the Telomere-to-Telomere Consortium improves the accuracy of our methods. We also demonstrate construction of a Drosophila melanogaster pangenome. Constructing genome graphs directly from genome assemblies overcomes single-reference bias.

Abstract Modern sequencing technologies should make the assembly of the relatively small mitochondrial genomes an easy undertaking. However, few tools exist that address mitochondrial assembly directly. As part of the Vertebrate Genomes Project (VGP) we have developed mitoVGP, a fully automated pipeline for similarity-based identification of mitochondrial reads and de novo assembly of mitochondrial genomes that incorporates both long (>10 kbp, PacBio or Nanopore) and short (100-300 bp, Illumina) reads. Our pipeline led to successful complete mitogenome assemblies of 100 vertebrate species of the VGP. We have observed that tissue type and library size selection have considerable impact on mitogenome sequencing and assembly. Comparing our assemblies to purportedly complete reference mitogenomes based on short-read sequencing, we have identified errors, missing sequences, and incomplete genes in those references, particularly in repeat regions. Our assemblies have also identified novel gene region duplications, shedding new light on mitochondrial genome evolution and organization.

Abstract Genetic variation of the entire genome represents population structure, yet individual loci can show distinct patterns. Such deviations identified through genome scans have often been attributed to effects of selective factors instead of randomness, assuming that the genomic intervals are long enough to average out randomness in underlying genealogies. However, an alternative explanation to distinct patterns has not been fully addressed: too few genealogies to average out the effect of randomness. Specifically, distinct patterns of genetic variation may be due to reduced local recombination rate, since the number of genealogies in a genomic interval corresponds to the number of ancestral recombination events. Here, we associate distinct patterns of local genetic variation with reduced recombination rate in a songbird, the Eurasian blackcap, using genome sequences and recombination maps. We find that distinct patterns of local genetic variation represent haplotype structure at low-recombining regions present either in all populations or only in a few populations. At the former species-wide low- recombining regions, genetic variation depicts conspicuous haplotypes segregating in multiple populations. On the contrary, at the latter population-specific low-recombining regions, genetic variation primarily represents cryptic haplotype structure among individuals of the low-recombining populations. With simulations, we confirm that reduction in recombination rate alone can cause distinct patterns of genetic variation mirroring our empirical data. Our results highlight that distinct patterns of genetic variation can emerge through evolution of reduced local recombination rate. Recombination landscape as an evolvable trait therefore plays an important role determining the heterogeneous distribution of genetic variation along the genome.

Abstract The vaquita is the most critically endangered marine mammal, with fewer than 19 remaining in the wild. First described in 1958, the vaquita has been in rapid decline resulting from inadvertent deaths due to the increasing use of large-mesh gillnets for more than 20 years. To understand the evolutionary and demographic history of the vaquita, we used combined long-read sequencing and long-range scaffolding methods with long- and short-read RNA sequencing to generate a near error-free annotated reference genome assembly from cell lines derived from a female individual. The genome assembly consists of 99.92% of the assembled sequence contained in 21 nearly gapless chromosome-length autosome scaffolds and the X-chromosome scaffold, with a scaffold N50 of 115 Mb. Genome-wide heterozygosity is the lowest (0.01%) of any mammalian species analyzed to date, but heterozygosity is evenly distributed across the chromosomes, consistent with long-term small population size at genetic equilibrium, rather than low diversity resulting from a recent population bottleneck or inbreeding. Historical demography of the vaquita indicates long-term population stability at less than 5000 ( Ne ) for over 200,000 years. Together, these analyses indicate that the vaquita genome has had ample opportunity to purge highly deleterious alleles and potentially maintain diversity necessary for population health.

Abstract Sea turtles represent an ancient lineage of marine vertebrates that evolved from terrestrial ancestors over 100 MYA, yet the genomic basis of the unique physiological and ecological traits enabling these species to thrive in diverse marine habitats remains largely unknown. Additionally, many populations have drastically declined due to anthropogenic activities over the past two centuries, and their recovery is a high global conservation priority. We generated and analyzed high-quality reference genomes for the leatherback (Dermochelys coriacea) and green (Chelonia mydas) turtles, representing the two extant sea turtle families. These genomes are highly syntenic and homologous, but localized regions of non-collinearity were associated with higher copy numbers of immune, zinc-finger, and olfactory receptor (OR) genes in green turtles, with ORs related to waterborne odorants greatly expanded in green turtles. Our findings suggest that divergent evolution of these key gene families may underlie immunological and sensory adaptations assisting navigation, occupancy of neritic versus pelagic environments, and diet specialization. Reduced collinearity was especially prevalent in microchromosomes, with greater gene content, heterozygosity, and genetic distances between species, supporting their critical role in vertebrate evolutionary adaptation. Finally, diversity and demographic histories starkly contrasted between species, indicating that leatherback turtles have had a low yet stable effective population size, exhibit extremely low diversity compared to other reptiles, and harbor a higher genetic load compared to green turtles, reinforcing concern over their persistence under future climate scenarios. These genomes provide invaluable resources for advancing our understanding of evolution and conservation best practices in an imperiled vertebrate lineage. Statement of significance Sea turtle populations have undergone recent global declines. We analyzed de novo assembled genomes for both extant sea turtle families through the Vertebrate Genomes Project to inform their conservation and evolutionary biology. These highly conserved genomes were differentiated by localized gene-rich regions of divergence, particularly within microchromosomes, suggesting that these genomic elements play key functional roles in the evolution of sea turtles and possibly other vertebrates. We further demonstrate that dissimilar evolutionary histories impact standing genomic diversity and genetic load, and are critical to consider when using these metrics to assess adaptive potential and extinction risk. Our results also demonstrate how reference genome quality impacts inferences of comparative and conservation genomics analyses that need to be considered in their application.

Abstract Habitat transitions have shaped the evolutionary trajectory of many clades. Sea catfishes (Ariidae) have repeatedly undergone ecological transitions, including colonizing freshwaters from marine environments, leading to an adaptive radiation in Australia and New Guinea alongside non-radiating freshwater lineages elsewhere. Here, we generate and analyze one long-read reference genome and 66 short-read whole genome assemblies, in conjunction with genomic data for 54 additional species. We investigate how three major ecological transitions have shaped genomic variation among ariids over their ~ 50 million-year evolutionary history. Our results show that relatively younger freshwater lineages exhibit a higher incidence of positive selection than their more ancient marine counterparts. They also display a larger disparity in body shapes, a trend that correlates with a heightened occurrence of positive selection on genes associated with body size and elongation. Although positive selection in the Australia and New Guinea radiation does not stand out compared to non-radiating lineages overall, selection across the prolactin gene family during the marine-to-freshwater transition suggests that strong osmoregulatory adaptations may have facilitated their colonization and radiation. Our findings underscore the significant role of selection in shaping the genome and organismal traits in response to habitat shifts across macroevolutionary scales.

Abstract Insights into the evolution of non-model organisms are often limited by the lack of reference genomes. As part of the Vertebrate Genomes Project, we present a new reference genome and a pangenome produced with High-Fidelity long reads for the barn swallow Hirundo rustica . We then generated a reference-free multialignment with other bird genomes to identify genes under selection. Conservation analyses pointed at genes enriched for transcriptional regulation and neurodevelopment. The most conserved gene is CAMK2N2 , with a potential role in fear memory formation. In addition, using all publicly available data, we generated a comprehensive catalogue of genetic markers. Genome-wide linkage disequilibrium scans identified potential selection signatures at multiple loci. The top candidate region comprises several genes and includes BDNF , a gene involved in stress response, fear memory formation, and tameness. We propose that the strict association with humans in this species is linked with the evolution of pathways typically under selection in domesticated taxa.