Abstract The slow-evolving invertebrate amphioxus has an irreplaceable role in advancing our understanding into the vertebrate origin and innovations. Here we resolve the nearly complete chromosomal genomes of three amphioxus species, one of which best recapitulates the 17 chordate ancestor linkage groups. We reconstruct the fusions, retention or rearrangements between descendants of whole genome duplications (WGDs), which gave rise to the extant microchromosomes likely existed in the vertebrate ancestor. Similar to vertebrates, the amphioxus genome gradually establishes its 3D chromatin architecture at the onset of zygotic activation, and forms two topologically associated domains at the Hox gene cluster. We find that all three amphioxus species have ZW sex chromosomes with little sequence differentiation, and their putative sex-determining regions are nonhomologous to each other. Our results illuminate the unappreciated interspecific diversity and developmental dynamics of amphioxus genomes, and provide high-quality references for understanding the mechanisms of chordate functional genome evolution.

Background: Tilapias are one of the most farmed fishes that are coined as 'aquatic chicken' by the food industry. Like many other teleosts, Nile tilapia and blue tilapia exhibit very recent transition of sex chromosome systems since their divergence about 5 million years ago, making them a great model for elucidating the molecular and evolutionary mechanisms of sex chromosome turnovers. Studies into their sex-determining pathways are also critical for developing genetic sex control in aquaculture. Results: We report here the newly produced genomes of Nile tilapia and blue tilapia that integrate long-read sequencing and chromatin conformation data. The two nearly complete genomes have anchored over 97% of the sequences into linkage groups (LGs), and assembled majorities of complex repetitive regions including telomeres, centromeres and rDNA clusters. In particular, we inferred two episodes of repeat expansion at LG3 respectively in the ancestor of cichlids and that of tilapias. The consequential large heterochromatic region concentrated at one end of LG3 comprises tandem arrays of mRNA and small RNA genes, among which we have identified a candidate female determining gene Paics in blue tilapia. Paics show female-specific patterns of single-nucleotide variants, copy numbers and expression patterns in gonads during early gonadogenesis. Conclusions: Our work provide a very important genomic resource for functional studies of cichlids, and suggested that unequal distribution of repeat content that impacts the local recombination rate might make some chromosomes more likely to become sex chromosomes.

Abstract Reptile sex determination is attracting much attention because the great diversity of sex-determination and dosage compensation mechanisms permits us to approach fundamental questions about sex chromosome turnover and evolution. However, reptile sex chromosome variation remains largely uncharacterized and no reptile master sex determination genes have yet been identified. Here we describe a powerful and cost-effective “chromosomics” approach, combining probes generated from the microdissected sex chromosomes with transcriptome sequencing to explore this diversity in non-model Australian reptiles with heteromorphic or cryptic sex chromosomes. We tested the pipeline on a turtle, a gecko, and a worm-lizard, and we also identified sequences located on sex chromosomes in a monitor lizard using linked-read sequencing. Genes identified on sex chromosomes were compared to the chicken genome to identify homologous regions among the four species. We identified candidate sex determining genes within these regions, including conserved vertebrate sex-determining genes pdgfa, pdgfra amh and wt1 , and demonstrated their testis or ovary-specific expression. All four species showed gene-by-gene rather than chromosome-wide dosage compensation. Our results imply that reptile sex chromosomes originated by independent acquisition of sex-determining genes on different autosomes, as well as translocations between different ancestral macro- and micro-chromosomes. We discuss the evolutionary drivers of the slow differentiation, but rapid turnover, of reptile sex chromosomes.