Zebrafish have become a popular organism for the study of vertebrate gene function. The virtually transparent embryos of this species, and the ability to accelerate genetic studies by gene knockdown or overexpression, have led to the widespread use of zebrafish in the detailed investigation of vertebrate gene function and increasingly, the study of human genetic disease. However, for effective modelling of human genetic disease it is important to understand the extent to which zebrafish genes and gene structures are related to orthologous human genes. To examine this, we generated a high-quality sequence assembly of the zebrafish genome, made up of an overlapping set of completely sequenced large-insert clones that were ordered and oriented using a high-resolution high-density meiotic map. Detailed automatic and manual annotation provides evidence of more than 26,000 protein-coding genes, the largest gene set of any vertebrate so far sequenced. Comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. In addition, the high quality of this genome assembly provides a clearer understanding of key genomic features such as a unique repeat content, a scarcity of pseudogenes, an enrichment of zebrafish-specific genes on chromosome 4 and chromosomal regions that influence sex determination.

Since its initial release in 2000, the human reference genome has covered only the euchromatic fraction of the genome, leaving important heterochromatic regions unfinished. Addressing the remaining 8% of the genome, the Telomere-to-Telomere (T2T) Consortium presents a complete 3.055 billion-base pair sequence of a human genome, T2T-CHM13, that includes gapless assemblies for all chromosomes except Y, corrects errors in the prior references, and introduces nearly 200 million base pairs of sequence containing 1956 gene predictions, 99 of which are predicted to be protein coding. The completed regions include all centromeric satellite arrays, recent segmental duplications, and the short arms of all five acrocentric chromosomes, unlocking these complex regions of the genome to variational and functional studies.

Abstract Many genome assemblies have been found to be incomplete and contain misassemblies. The Vertebrate Genomes Project (VGP) has been producing assemblies with an emphasis on being as complete and error-free as possible, utilizing long reads, long-range scaffolding data, new assembly algorithms, and manual curation. Here we evaluate these new vertebrate genome assemblies relative to the previous references for the same species, including a mammal (platypus), two birds (zebra finch, Anna’s hummingbird), and a fish (climbing perch). We found that 3 to 11% of genomic sequence was entirely missing in the previous reference assemblies, which included nearly entire GC-rich and repeat-rich microchromosomes with high gene density. Genome-wide, between 25 to 60% of the genes were either completely or partially missing in the previous assemblies, and this was in part due to a bias in GC-rich 5’-proximal promoters and 5’ exon regions. Our findings reveal novel regulatory landscapes and protein coding sequences that have been greatly underestimated in previous assemblies and are now present in the VGP assemblies.

Abstract Numerous novel adaptations characterise the radiation of notothenioids, the dominant fish group in the freezing seas of the Southern Ocean. To improve understanding of the evolution of this iconic fish group, we generated and analysed new genome assemblies for 24 species covering all major subgroups of the radiation. We present a new estimate for the onset of the radiation at 10.7 million years ago, based on a time-calibrated phylogeny derived from genome-wide sequence data. We identify a two-fold variation in genome size, driven by expansion of multiple transposable element families, and use long-read sequencing data to reconstruct two evolutionarily important, highly repetitive gene family loci. First, we present the most complete reconstruction to date of the antifreeze glycoprotein gene family, whose emergence enabled survival in sub-zero temperatures, showing the expansion of the antifreeze gene locus from the ancestral to the derived state. Second, we trace the loss of haemoglobin genes in icefishes, the only vertebrates lacking functional haemoglobins, through complete reconstruction of the two haemoglobin gene clusters across notothenioid families. Finally, we show that both the haemoglobin and antifreeze genomic loci are characterised by multiple transposon expansions that may have driven the evolutionary history of these genes.

ABSTRACT Advances in long-read sequencing technologies and genome assembly methods have enabled the recent completion of the first Telomere-to-Telomere (T2T) human genome assembly, which resolves complex segmental duplications and large tandem repeats, including centromeric satellite arrays in a complete hydatidiform mole (CHM13). Though derived from highly accurate sequencing, evaluation revealed that the initial T2T draft assembly had evidence of small errors and structural misassemblies. To correct these errors, we designed a novel repeat-aware polishing strategy that made accurate assembly corrections in large repeats without overcorrection, ultimately fixing 51% of the existing errors and improving the assembly QV to 73.9. By comparing our results to standard automated polishing tools, we outline common polishing errors and offer practical suggestions for genome projects with limited resources. We also show how sequencing biases in both PacBio HiFi and Oxford Nanopore Technologies reads cause signature assembly errors that can be corrected with a diverse panel of sequencing technologies

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 False duplications in genome assemblies lead to false biological conclusions. We quantified false duplications in previous genome assemblies and their new counterparts of the same species (platypus, zebra finch, Anna’s hummingbird) generated by the Vertebrate Genomes Project (VGP). Whole genome alignments revealed that 4 to 16% of the sequences were falsely duplicated in the previous assemblies, impacting hundreds to thousands of genes. These led to overestimated gene family expansions. The main source of the false duplications was heterotype duplications, where the haplotype sequences were more divergent than other parts of the genome leading the assembly algorithms to classify them as separate genes or genomic regions. A minor source was sequencing errors. Although present in a smaller proportion, we observed false duplications remaining in the VGP assemblies that can be identified and purged. This study highlights the need for more advanced assembly methods that better separates haplotypes and sequence errors, and the need for cautious analyses on gene gains.

Abstract Background Genome sequence assemblies provide the basis for our understanding of biology. Generating error-free assemblies is therefore the ultimate, but sadly still unachieved goal of a multitude of research projects. Despite the ever-advancing improvements in data generation, assembly algorithms and pipelines, no automated approach has so far reliably generated near error-free genome assemblies for eukaryotes. Results Whilst working towards improved data sets and fully automated pipelines, assembly evaluation and curation is actively employed to bridge this shortcoming and significantly reduce the number of assembly errors. In addition to this increase in product value, the insights gained from assembly curation are fed back into the automated assembly strategy and contribute to notable improvements in genome assembly quality. Conclusions We describe our tried and tested approach for assembly curation using gEVAL, the genome evaluation browser. We outline the procedures applied to genome curation using gEVAL and also our recommendations for assembly curation in an gEVAL-independent context to facilitate the uptake of genome curation in the wider community.

Abstract Siamese fighting fish, commonly known as betta, are among the world’s most popular and morphologically diverse pet fish, but the genetic processes leading to their domestication and phenotypic diversification are largely unknown. We assembled de novo the genome of a wild Betta splendens and whole-genome sequenced multiple individuals across five species within the B. splendens species complex, including wild populations and domesticated ornamental betta. Given our estimate of the mutation rate from pedigrees, our analyses suggest that betta were domesticated at least 1,000 years ago, centuries earlier than previously thought. Ornamental betta individuals have variable contributions from other Betta species and have also introgressed into wild populations of those species. We identify dmrt1 as the main sex determination gene in ornamental betta but not in wild B. splendens , and find evidence for recent directional selection at the X-allele of the locus. Furthermore, we find genes with signatures of recent, strong selection that have large effects on color in specific parts of the body, or the shape of individual fins, and are almost all unlinked. Our results demonstrate how simple genetic architectures paired with anatomical modularity can lead to vast phenotypic diversity generated during animal domestication, and set the stage for using betta as a modern system for evolutionary genetics. One-Sentence Summary Genomic analyses reveal betta fish were domesticated more than 1,000 years ago and the genes that changed in the process.

Abstract Tasmanian devils have spawned two transmissible cancer lineages, named devil facial tumour 1 (DFT1) and devil facial tumour 2 (DFT2). We investigated the genetic diversity and evolution of these clones by analysing 78 DFT1 and 41 DFT2 genomes relative to a newly assembled chromosome-level reference. Time-resolved phylogenetic trees reveal that DFT1 first emerged in 1986 (1982-1989), and DFT2 in 2011 (2009-2012). Subclone analysis documents transmission of heterogeneous cell populations. DFT2 has faster mutation rates than DFT1 across all variant classes, including substitutions, indels, rearrangements, transposable element insertions and copy number alterations, and we identify a hypermutated DFT1 lineage with defective DNA mismatch repair. Several loci show plausible evidence of positive selection in DFT1 or DFT2, including loss of chromosome Y and inactivation of MGA , but none are common to both cancers. This study illuminates the parallel long-term evolution of two transmissible cancers inhabiting a common niche in Tasmanian devils.