The whole-genome duplication 80 million years ago of the common ancestor of salmonids (salmonid-specific fourth vertebrate whole-genome duplication, Ss4R) provides unique opportunities to learn about the evolutionary fate of a duplicated vertebrate genome in 70 extant lineages. Here we present a high-quality genome assembly for Atlantic salmon (Salmo salar), and show that large genomic reorganizations, coinciding with bursts of transposon-mediated repeat expansions, were crucial for the post-Ss4R rediploidization process. Comparisons of duplicate gene expression patterns across a wide range of tissues with orthologous genes from a pre-Ss4R outgroup unexpectedly demonstrate far more instances of neofunctionalization than subfunctionalization. Surprisingly, we find that genes that were retained as duplicates after the teleost-specific whole-genome duplication 320 million years ago were not more likely to be retained after the Ss4R, and that the duplicate retention was not influenced to a great extent by the nature of the predicted protein interactions of the gene products. Finally, we demonstrate that the Atlantic salmon assembly can serve as a reference sequence for the study of other salmonids for a range of purposes.

Abstract Traits with different fitness optima in males and females cause sexual conflict when they have a shared genetic basis. Heteromorphic sex chromosomes can resolve this conflict and protect sexually antagonistic polymorphisms but accumulate deleterious mutations. However, many taxa lack differentiated sex chromosomes, and how sexual conflict is resolved in these species is largely unknown. Here we present a chromosome-anchored genome assembly for rainbow trout ( Oncorhynchus mykiss ) and characterize a 56 Mb double-inversion supergene that mediates sex-specific migration through sex-dependent dominance, a mechanism that reduces sexual conflict. The double-inversion contains key photosensory, circadian rhythm, adiposity, and sexual differentiation genes and displays frequency clines associated with latitude and temperature, revealing environmental dependence. Our results constitute the first example of sex-dependent dominance across a large autosomal supergene, a novel mechanism for sexual conflict resolution capable of protecting polygenic sexually antagonistic variation while avoiding the homozygous lethality and deleterious mutation load of heteromorphic sex chromosomes.

Abstract Given the genetic and genomic differences between Atlantic salmon of European origin and North American (N.A.) origin, it is crucial to develop unique genomic resources for each lineage. Here we describe the resources that we recently developed for genomic and genetic research in N.A. Atlantic salmon. Firstly, a new single nucleotide polymorphism (SNP) database for N.A. Atlantic salmon consisting of 3.1 million putative SNPs was generated using data from whole genome resequencing of 80 N.A. Atlantic salmon individuals; Secondly, a high density 50K SNP array enriched for the genic regions of the genome and containing three sex determination and 61 continent of origin markers was developed and validated; Thirdly, a genetic map composed of 27 linkage groups with 36K SNP markers, was generated from 2,512 individuals in 141 full-sib families; Finally, a chromosome level de-novo assembly of a male N.A. Atlantic salmon genome was generated using PacBio long-reads. Information from Hi-C proximity ligation sequences and Bionano optical mapping was used to concatenate the contigs into scaffolds. The assembly contains 1,755 scaffolds and only 1,253 gaps, with a total length of 2.83 Gb and N50 of 17.2 Mb. A BUSCO analysis detected 96.2% of conserved Actinopterygii genes in the assembly and the genetic linkage information was used to guide the formation of 27 chromosome sequences. In contrast, the karyotype of the European Atlantic salmon lineage is composed of 29 chromosomes. Comparative analysis with the reference genome assembly of the European Atlantic salmon confirmed that the karyotype differences between the two linages are caused by a fission in chromosome Ssa01 and three chromosome fusions including the p arm of chromosome Ssa01 with Ssa23, Ssa08 with Ssa29 and Ssa26 with Ssa28. The genomic resources we have generated for Atlantic salmon provide a crucial boost for genetic research and for management of farmed and wild populations in this highly valued species.

Abstract Single nucleotide polymorphism (SNP) arrays, also named « SNP chips », enable very large numbers of individuals to be genotyped at a targeted set of thousands of genome-wide identified markers. We used preexisting variant datasets from USDA, a French commercial line and 30X-coverage whole genome sequencing of INRAE isogenic lines to develop an Affymetrix 665 K SNP array (HD chip) for rainbow trout. In total, we identified 32,372,492 SNPs that were polymorphic in the USDA or INRAE databases. A subset of identified SNPs were selected for inclusion on the chip, prioritizing SNPs whose flanking sequence uniquely aligned to the Swanson reference genome, with homogenous repartition over the genome and the highest Minimum Allele Frequency in both USDA and French databases. Of the 664,531 SNPs which passed the Affymetrix quality filters and were manufactured on the HD chip, 65.3% and 60.9% passed filtering metrics and were polymorphic in two other distinct French commercial populations in which, respectively, 288 and 175 sampled fish were genotyped. Only 576,118 SNPs mapped uniquely on both Swanson and Arlee reference genomes, and 12,071 SNPs did not map at all on the Arlee reference genome. Among those 576,118 SNPs, 38,948 SNPs were kept from the commercially available medium-density 57K SNP chip. We demonstrate the utility of the HD chip by describing the high rates of linkage disequilibrium at 2 kb to 10 kb in the rainbow trout genome in comparison to the linkage disequilibrium observed at 50 kb to 100 kb which are usual distances between markers of the medium-density chip.

Infectious hematopoietic necrosis (IHN) is a disease of salmonid fish that is caused by the IHN virus (IHNV), which can cause substantial mortality and economic losses in rainbow trout aquaculture and fisheries enhancement hatchery programs. In a previous study on a commercial rainbow trout breeding line that has undergone selection, we found that genetic resistance to IHNV is controlled by the oligogenic inheritance of several moderate and many small effect quantitative trait loci (QTL). Here we used genome wide association analyses in two different commercial aquaculture lines that were naïve to previous exposure to IHNV to determine whether QTL were shared across lines, and to investigate whether there were major effect loci that were still segregating in the naïve lines. A total of 1,859 and 1,768 offspring from two commercial aquaculture strains were phenotyped for resistance to IHNV and genotyped with the rainbow trout Axiom 57K SNP array. Moderate heritability values (0.15–0.25) were estimated. Two statistical methods were used for genome wide association analyses in the two populations. No major QTL were detected despite the naïve status of the two lines. Further, our analyses confirmed an oligogenic architecture for genetic resistance to IHNV in rainbow trout. Overall, 17 QTL with notable effect (≥1.9% of the additive genetic variance) were detected in at least one of the two rainbow trout lines with at least one of the two statistical methods. Five of those QTL were mapped to overlapping or adjacent chromosomal regions in both lines, suggesting that some loci may be shared across commercial lines. Although some of the loci detected in this GWAS merit further investigation to better understand the biological basis of IHNV disease resistance across populations, the overall genetic architecture of IHNV resistance in the two rainbow trout lines suggests that genomic selection may be a more effective strategy for genetic improvement in this trait.

Abstract Currently, there is still a need to improve the contiguity of the rainbow trout reference genome and to use multiple genetic backgrounds that will represent the genetic diversity of this species. The Arlee doubled haploid line was originated from a domesticated hatchery strain that was originally collected from the northern California coast. The Canu pipeline was used to generate the Arlee line genome de-novo assembly from high coverage PacBio long-reads sequence data. The assembly was further improved with Bionano optical maps and Hi-C proximity ligation sequence data to generate 32 major scaffolds corresponding to the karyotype of the Arlee line (2N=64). It is composed of 938 scaffolds with N50 of 39.16 Mb and a total length of 2.33 Gb, of which ∼95% was in 32 chromosome sequences with only 438 gaps between contigs and scaffolds. In rainbow trout the haploid chromosome number can vary from 29 to 32. In the Arlee karyotype the haploid chromosome number is 32 because chromosomes Omy04, 14 and 25 are divided into six acrocentric chromosomes. Additional structural variations that were identified in the Arlee genome included the major inversions on chromosomes Omy05 and Omy20 and additional 15 smaller inversions that will require further validation. This is also the first rainbow trout genome assembly that includes a scaffold with the sex-determination gene (sdY) in the chromosome Y sequence. The utility of this genome assembly is demonstrated through the improved annotation of the duplicated genome loci that harbor the IGH genes on chromosomes Omy12 and Omy13. Article Summary A de-novo genome assembly was generated for the Arlee homozygous line of rainbow trout to enable identification and characterization of genome variants towards developing a rainbow trout pan-genome reference. The new assembly was generated using the PacBio sequencing technology and scaffolding with Hi-C contact maps and Bionano optical mapping. A contiguous genome assembly was obtained, with the contig and scaffold N50 over 15.6 Mb and 39 Mb, respectively, and 95% of the assembly in chromosome sequences. The utility of this genome assembly is demonstrated through the improved annotation of the duplicated genome loci that harbor the IGH genes.

Detection of coding/functional SNPs that change the biological function of a gene may lead to identification of putative causative alleles within QTL regions and discovery of genetic markers with large effects on phenotypes. Two bioinformatics pipelines, GATK and SAMtools, were used to identify ~21K transcribed SNPs with allelic imbalances associated with important aquaculture production traits including body weight, muscle yield, muscle fat content, shear force, and whiteness in addition to resistance/susceptibility to bacterial cold-water disease (BCWD). SNPs were identified from pooled RNA-Seq data collected from ~620 fish, representing 98 families from growth- and 54 families from BCWD-selected lines with divergent phenotypes. In addition, ~29K transcribed SNPs without allelic-imbalances were strategically added to build a 50K Affymetrix SNP-chip. SNPs selected included two SNPs per gene from 14K genes and ~5K non-synonymous SNPs. The SNP-chip was used to genotype 1728 fish. The average SNP calling-rate for samples passing quality control (QC; 1,641 fish) was ≥ 98.5%. Genome-wide association (GWA) study on 878 fish (representing 197 families from 2 consecutive generations) with muscle yield phenotypes and genotyped for 35K polymorphic markers (passing QC) identified several QTL regions explaining together up to 28.40% of the additive genetic variance for muscle yield in this rainbow trout population. The most significant QTLs were on chromosomes 14 and 16 with 12.71% and 10.49% of the genetic variance, respectively. Many of the annotated genes in the QTL regions were previously reported as important regulators of muscle development and cell signaling. No major QTLs were identified in a previous GWA study using a 57K genomic SNP chip on the same fish population. These results indicate improved detection power of the transcribed gene SNP-chip in the target trait and population, allowing identification of large-effect QTLs for important traits in rainbow trout.

Bacterial cold water disease (BCWD) causes significant mortality and economic losses in salmonid aquaculture. In previous studies, we identified moderate-large effect QTL for BCWD resistance in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). However, the recent availability of a 57K SNP array and a genome physical map have enabled us to conduct genome-wide association studies (GWAS) that overcome several experimental limitations from our previous work. In the current study, we conducted GWAS for BCWD resistance in two rainbow trout breeding populations using two genotyping platforms, the 57K Affymetrix SNP array and restriction-associated DNA (RAD) sequencing. Overall, we identified 14 moderate-large effect QTL that explained up to 60.8% of the genetic variance in one of the two populations and 27.7% in the other. Four of these QTL were found in both populations explaining a substantial proportion of the variance, although major differences were also detected between the two populations. Our results confirm that BCWD resistance is controlled by the oligogenic inheritance of few moderate-large effect loci and a large-unknown number of loci each having a small effect on BCWD resistance. We detected differences in QTL number and genome location between two GWAS models (weighted single-step GBLUP and Bayes B), which highlights the utility of using different models to uncover QTL. The RAD-SNPs detected a greater number of QTL than the 57K SNP array in one population, suggesting that the RAD-SNPs may uncover polymorphisms that are more unique and informative for the specific population in which they were discovered.

We describe an emerging initiative - the "Functional Analysis of All Salmonid Genomes" (FAASG), which will leverage the extensive trait diversity that has evolved since a whole genome duplication event in the salmonid ancestor, to develop an integrative understanding of the functional genomic basis of phenotypic variation. The outcomes of FAASG will have diverse applications, ranging from improved understanding of genome evolution, through to improving the efficiency and sustainability of aquaculture production, supporting the future of fundamental and applied research in an iconic fish lineage of major societal importance.