Abstract Modern cartilaginous fishes are divided into elasmobranchs (sharks, rays and skates) and chimaeras, and the lack of established whole-genome sequences for the former has prevented our understanding of early vertebrate evolution and the unique phenotypes of elasmobranchs. Here we present de novo whole-genome assemblies of brownbanded bamboo shark and cloudy catshark and an improved assembly of the whale shark genome. These relatively large genomes (3.8–6.7 Gbp) contain sparse distributions of coding genes and regulatory elements and exhibit reduced molecular evolutionary rates. Our thorough genome annotation revealed Hox C genes previously hypothesized to have been lost, as well as distinct gene repertories of opsins and olfactory receptors that would be associated with adaptation to unique underwater niches. We also show the early establishment of the genetic machinery governing mammalian homoeostasis and reproduction at the jawed vertebrate ancestor. This study, supported by genomic, transcriptomic and epigenomic resources, provides a foundation for the comprehensive, molecular exploration of phenotypes unique to sharks and insights into the evolutionary origins of vertebrates.

Abstract The group of hagfishes (Myxiniformes) arose from agnathan (jawless vertebrate) lineages and is one of the only two extant cyclostome taxa, together with lampreys (Petromyzontiformes). Even though whole genome sequencing has been achieved for diverse vertebrate taxa, genome-wide sequence information has been highly limited for cyclostomes. Here we sequenced the genome of the inshore hagfish Eptatretus burgeri using DNA extracted from the testis, with a short-read sequencing platform, aiming at reconstructing a high-coverage coding gene catalogue. The obtained genome assembly, scaffolded with mate-pair reads and paired RNA-seq reads, exhibited an N50 scaffold length of 293 Kbp, which allowed the genome-wide prediction of coding genes. This computation resulted in the gene models whose completeness was estimated at the complete coverage of more than 83 % and the partial coverage of more than 93 % by referring to evolutionarily conserved single-copy orthologs. The high contiguity of the assembly and completeness of resulting gene models promises a high utility in various comparative analyses including phylogenomics and phylome exploration.

Abstract Estimate of nuclear DNA content serves as an independent tool for validating the completeness of whole genome sequences and investigating the among-species variation of genome sizes, but for some species, the requirement of fresh cells makes this tool highly inaccessible. Here we focused on elasmobranch species (sharks and rays), and using flow cytometry or quantitative PCR (qPCR), estimated the nuclear DNA contents of brownbanded bamboo shark, white spotted bamboo shark, zebra shark, small-spotted catshark, sandbar shark, slendertail lanternshark, megamouth shark, red stingray, and ocellate spot skate. Our results revealed their genome sizes spanning from 3.40 pg (for ocellate spot skate) to 13.34 pg (for slendertail lanternshark), in accordance with the huge variation of genome sizes already documented for elasmobranchs. Our improved qPCR-based method enabled accurate genome size estimation without using live cells, which has been a severe limitation with elasmobranchs. These findings and our methodology are expected to contribute to better understanding of the diversity of genome sizes in elasmobranchs even including species with limited availability of fresh tissue materials. It will also help validate the completeness of already obtained or anticipated whole genome sequences.

Abstract Genomic studies of vertebrate chromosome evolution have long been hindered by the scarcity of chromosome-scale DNA sequences of some key taxa. One of those limiting taxa has been the elasmobranchs (sharks and rays), which harbor species often with numerous chromosomes and enlarged genomes. Here, we report the chromosome-scale genome assembly for the zebra shark Stegostoma tigrinum , an endangered species that has the smallest genome sequenced to date among sharks (3.71 Gb), as well as for the whale shark Rhincodon typus . Our analysis employing a male–female comparison identified an X chromosome, the first genomically characterized shark sex chromosome. The X chromosome harbors a Hox C cluster whose intact linkage has not been shown for an elasmobranch fish. The sequenced shark genomes exhibit a gradualism of chromosome length with remarkable length-dependent characteristics—shorter chromosomes tend to have higher GC content, gene density, synonymous substitution rate, and simple tandem repeat content as well as smaller gene length, which resemble the edges of longer chromosomes. This pattern of intragenomic heterogeneity, previously recognized as peculiar to species with so-called microchromosomes, occurs in more vertebrates including elasmobranchs. We challenge the traditional binary classification of karyotypes as with and without microchromosomes, as even without microchromosomes, shorter chromosomes tend to have higher contents of GC and simple tandem repeats and harbor shorter and more rapid-evolving genes. Such characteristics also appear on the edges of longer chromosomes. Our investigation of elasmobranch karyotypes underpins their unique characteristics and provides clues for understanding how vertebrate karyotypes accommodate intragenomic heterogeneity to realize a complex readout.

Abstract Spectral tuning of visual pigments often facilitates adaptation to new environments, and it is intriguing to study the visual ecology of pelagic sharks with expanded habitats. The whale shark, which dives into the deep sea of nearly 2,000 meters besides near-surface filter-feeding, was previously shown to possesses the ‘blue-shifted’ rhodopsin (RHO). In this study, our spectroscopy of recombinant whale shark RHO mutants revealed the dominant effect of the novel spectral tuning amino acid site 94, which is implicated in congenital stationary night blindness of humans, accounting for the blue shift. Thermal decay profiling revealed the reduction of the thermal stability of whale shark RHO, as typically observed for cone opsins, which was experimentally shown to be achieved by the site 178, as well as 94. The results suggest that these two sites cooperatively enhance the visual capacity in both the deep sea and the sea surface, enabling exceptionally wide vertical migration of this species.