Here we describe NanoPack, a set of tools developed for visualization and processing of long-read sequencing data from Oxford Nanopore Technologies and Pacific Biosciences.The NanoPack tools are written in Python3 and released under the GNU GPL3.0 License. The source code can be found at https://github.com/wdecoster/nanopack, together with links to separate scripts and their documentation. The scripts are compatible with Linux, Mac OS and the MS Windows 10 subsystem for Linux and are available as a graphical user interface, a web service at http://nanoplot.bioinf.be and command line tools.Supplementary data are available at Bioinformatics online.

A central question in evolutionary biology is whether sponges or ctenophores (comb jellies) are the sister group to all other animals. These alternative phylogenetic hypotheses imply different scenarios for the evolution of complex neural systems and other animal-specific traits1-6. Conventional phylogenetic approaches based on morphological characters and increasingly extensive gene sequence collections have not been able to definitively answer this question7-11. Here we develop chromosome-scale gene linkage, also known as synteny, as a phylogenetic character for resolving this question12. We report new chromosome-scale genomes for a ctenophore and two marine sponges, and for three unicellular relatives of animals (a choanoflagellate, a filasterean amoeba and an ichthyosporean) that serve as outgroups for phylogenetic analysis. We find ancient syntenies that are conserved between animals and their close unicellular relatives. Ctenophores and unicellular eukaryotes share ancestral metazoan patterns, whereas sponges, bilaterians, and cnidarians share derived chromosomal rearrangements. Conserved syntenic characters unite sponges with bilaterians, cnidarians, and placozoans in a monophyletic clade to the exclusion of ctenophores, placing ctenophores as the sister group to all other animals. The patterns of synteny shared by sponges, bilaterians, and cnidarians are the result of rare and irreversible chromosome fusion-and-mixing events that provide robust and unambiguous phylogenetic support for the ctenophore-sister hypothesis. These findings provide a new framework for resolving deep, recalcitrant phylogenetic problems and have implications for our understanding of animal evolution.

Abstract Draft genome sequences of non-bilaterian species have provided important insights into the evolution of the metazoan gene repertoire. However, there is little information about the evolution of gene clusters, genome architectures and karyotypes during animal evolution. In this regard, slowly evolving anthozoan Cnidaria, the sister group of Bilateria, are particularly informative. Here we report chromosome-level genome assemblies of two related cnidarians, the sea anemones Nematostella vectensis and Scolanthus callimorphus . We find a robust set of 15 chromosomes with a clear one-to-one correspondence between the two species. Both sea anemone genomes show remarkable chromosomal conservation with other cnidarians, several bilaterians and the sponge Ephydatia muelleri , allowing us to reconstruct ancestral cnidarian and metazoan chromosomal blocks, consisting of at least 19 and 16 ancestral linkage groups, respectively. We show that, in contrast to Bilateria, the Hox and NK clusters of investigated cnidarians are largely disintegrated, despite the presence of staggered hox/gbx expression in Nematostella . This loss of microsynteny conservation may be facilitated by shorter distances between cis-regulatory sequences and their cognate transcriptional start sites. In line with that, we find no clear evidence for topologically associated domains, suggesting fundamental differences in long-range gene regulation compared to vertebrates. These data suggest that large sets of ancestral metazoan genes have been retained in ancestral linkage groups of some extant lineages, yet, higher order gene regulation with associated 3D architecture may have evolved only after the cnidarian-bilaterian split.

Abstract Summary: Here we describe NanoPack, a set of tools developed for visualization and processing of long read sequencing data from Oxford Nanopore Technologies and Pacific Biosciences. Availability and Implementation: The NanoPack tools are written in Python3 and released under the GNU GPL3.0 Licence. The source code can be found at https://github.com/wdecoster/nanopack , together with links to separate scripts and their documentation. The scripts are compatible with Linux, Mac OS and the MS Windows 10 subsystem for linux and are available as a graphical user interface, a web service at http://nanoplot.bioinf.be and command line tools. Contact: wouter.decoster@molgen.vib-ua.be Supplementary information: Supplementary tables and figures are available at Bioinformatics online.

ABSTRACT Comparisons of multiple metazoan genomes have revealed the existence of ancestral linkage groups (ALGs), genomic scaffolds sharing sets of orthologous genes that have been inherited from ancestral animals for hundreds of millions of years (Simakov et al. 2022; Schultz et al. 2023) These ALGs have persisted across major animal taxa including Cnidaria, Deuterostomia, Ecdysozoa and Spiralia. Notwithstanding this general trend of chromosome-scale conservation, ALGs have been obliterated by extensive genome rearrangements in certain groups, most notably including Clitellata (oligochaetes and leeches), a group of easily overlooked invertebrates that is of tremendous ecological, agricultural and economic importance (Charles 2019; Barrett 2016). To further investigate these rearrangements, we have undertaken a comparison of 12 clitellate genomes (including four newly sequenced species) and 11 outgroup representatives. We show that these rearrangements began at the base of the Clitellata (rather than progressing gradually throughout polychaete annelids), that the inter-chromosomal rearrangements continue in several clitellate lineages and that these events have substantially shaped the evolution of the otherwise highly conserved Hox cluster.

Abstract Cephalopods are emerging animal models and include iconic species for studying the link between genomic innovations and physiological and behavioral complexities. Coleoid cephalopods possess the largest nervous system among invertebrates, both for cell counts and brain-to-body ratio. Octopus vulgaris has been at the center of a long-standing tradition of research into diverse aspects of cephalopod biology, including behavioral and neural plasticity, learning and memory recall, regeneration, and sophisticated cognition. However, no chromosome-scale genome assembly is available for O. vulgaris to aid in functional studies. To fill this gap, we sequenced and assembled a chromosome-scale genome of the common octopus, O. vulgaris . The final assembly spans 2.8 billion basepairs, 99.34% of which are in 30 chromosome-scale scaffolds. Hi-C heatmaps support a karyotype of 1n=30 chromosomes. Comparisons with other octopus species’ genomes show a conserved octopus karyotype, and a pattern of local genome rearrangements between species. This new chromosome-scale genome of O. vulgaris will further facilitate research in all aspects of cephalopod biology, including various forms of plasticity and the neural machinery underlying sophisticated cognition, as well as an understanding of cephalopod evolution.

Abstract Ancient divergences within Opisthokonta—a major lineage that includes organisms in the kingdoms Animalia, Fungi, and their unicellular relatives— remain contentious, hindering investigations of the evolutionary processes that gave rise to two kingdoms and the repeated emergence of iconic phenotypes like multicellularity. Here, we use genome-scale amounts of data to reconstruct the most taxon-rich Opisthokonta tree of life to date (348 species) and place divergences in geologic time, suggesting a Mesoproterozoic origin (∼ 1.11 billion years ago). By dissecting multiple dimensions of phylogenomic error, such as the influence of taxon sampling and model complexity, we found that deep divergences within Holozoa remain unresolved and suggest Pluriformea is either sister to Ichthyosporea and Filozoa (Pluriformea-sister hypothesis) or is monophyletic to Ichthyosporea, forming the Teretosporea lineage (Teretosporea-sister hypothesis). A combination of information theory and sensitivity analyses revealed that the inferred unicellular Holozoa relationships are largely robust to common sources of analytical error, such as insufficient model complexity, and suggest that previous reports likely suffered from insufficient taxon sampling. Our study presents a robust Opisthokonta phylogenomic framework, highlights the challenges in resolving the relationships of unicellular Holozoa, and paves the way for illuminating ancient evolutionary episodes concerning the origin of two kingdoms.

Abstract/Summary Paragraph Animal chromosomes can persist with recognizable homology over hundreds of millions of years, in spite of homology-obfuscating processes such as chromosomal fusion and translocation. The frequency and pace of these major genome structural changes are unknown, and it remains unclear whether or how they impact long-term genome evolution. Here, we compare whole chromosomal sequences of 3,631 genomes from 2,291 species spanning all major animal clades and show that animal karyotypes evolve primarily via karyotype contraction, associated with increased rates of chromosomal fusion-with-mixing and dispersion that largely obey chromosomal algebra 1 , or karyotype expansion, which breaks up ancestral linkage groups and forms new chromosomal elements via non-algebraic changes. We show that chromosomal changes can be associated with major extinction events. Using a multi-scale encoding of pan-animal genome homology and a manifold representation of genomic changes, we find that genome evolution is not only driven by changes at the chromosomal level, but that subchromosomal mixing and irreversibility define clade-specific evolution. Using this ‘evolutionary genome topology’ approach, we calculate extrema of irreversible genomic configurations and identify species that occupy intermediate manifold positions, providing evidence for distinct macro-evolutionary trajectories. We propose that investigation of mixed state accumulation around important gene loci (such as Hox) will be crucial in capturing and further study of clade-specific regulatory innovations.

Abstract Siphonophores (Cnidaria:Hydrozoa) are abundant predators found throughout the ocean and are important components in worldwide zooplankton. They range in length from a few centimeters to tens of meters. They are gelatinous, fragile, and difficult to collect, so many aspects of the biology of these 190 species remain poorly understood. To survey siphonophore genome diversity, we performed Illumina sequencing of 32 species sampled broadly across the phylogeny. Sequencing depth was sufficient to estimate nuclear genome size from k-mer spectra in 8 specimens, ranging from 0.7-4.8Gb. In 6 specimens we got heterozygosity estimates between 0.7-5.3%. Rarefaction analyses indicate k-mer peaks can be absent with as much as 30x read coverage, suggesting minimum genome sizes range from 1.0-3.8Gb in the remaining 27 samples without k-mer peaks. This work confirms most siphonophore nuclear genomes are large, but also identifies several with reduced size that are tractable targets for future siphonophore nuclear genome assembly projects. We also assembled mitochondrial genomes for 32 specimens from these new data, indicating a conserved gene order among Hydrozoa, Cystonectae and some Physonectae, also revealing the ancestral gene organization of siphonophores. There then was extensive rearrangement of mitochondrial genomes within other physonects and in Calycophorae, including the repeated loss of atp8. Though siphonophores comprise a small fraction of cnidarian species, this survey greatly expands our understanding of cnidarian genome diversity. This study further illustrates both the importance of deep phylogenetic sampling and the utility of Illumina genome skimming in understanding genomic diversity of a clade. Significance Descriptions of basic genome features, such as nuclear genome size and mitochondrial genome sequences, remain sparse across many clades in the tree of life, leading to over generalizations from very small sample sizes and often limiting selection of optimal species for genome assembly efforts. Here we use Illumina genome skimming to assess a variety of genome features across 35 siphonophores (Cnidaria). This deep dive within a single clade identifies six species that are optimal candidates of future genomic work, and reveals greater range in nuclear genome size and diversity of mitochondrial genome orders within siphonophores than had been described across all Cnidaria.

Bioluminescence, or the production of light by living organisms via chemical reaction, is widespread across Metazoa. Culture of bioluminescent organisms from diverse taxonomic groups is important for determining the biosynthetic pathways of bioluminescent substrates, which may lead to new tools for biotechnology and biomedicine. Some bioluminescent groups may be cultured, including some cnidarians, ctenophores, and brittle stars, but those use luminescent substrates (luciferins) obtained from their diets, and therefore are not informative for determination of the biosynthethic pathways of the luciferins. Other groups, including terrestrial fireflies, do synthesize their own luciferin, but culturing them is difficult, and the biosynthetic pathway for firefly luciferin remains unclear. An additional independent origin of endogenous bioluminescence is found within ostracods from the family Cypridinidae, which use their luminescence for defense and, in Caribbean species, for courtship displays. Here, we report the first complete life cycle of a luminous ostracod ( Vargula tsujii Kornicker & Baker, 1977, the California Sea Firefly) in the laboratory. We also describe the late-stage embryogenesis of Vargula tsujii and discuss the size classes of instar development. We find embryogenesis in V. tsujii ranges from 25-38 days, and this species appears to have five instar stages, consistent with ontogeny in other cypridinid lineages. We estimate a complete life cycle at 3-4 months. We also present the first complete mitochondrial genome for Vargula tsujii . Bringing a luminous ostracod into laboratory culture sets the stage for many potential avenues of study, including learning the biosynthetic pathway of cypridinid luciferin and genomic manipulation of an autogenic bioluminescent system.