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Clonal genome evolution of the marbled crayfish, Procambarus virginalis

Gutekunst, Julian

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Abstract

Marbled crayfish (Procambarus virginalis) are the only freshwater crayfish known to reproduce by cloning (apomictic parthenogenesis). Notably, among genetically identical offspring raised in the same environment, distinct phenotypic differences can be observed. These unique characteristics establish the marbled crayfish as a particularly interesting laboratory model. Additionally, parthenogenetic reproduction enables the marbled crayfish to rapidly spread and form stable populations, which poses a serious threat in many freshwater habitats. A further understanding of this organism requires the accessibility of its 3.5 Gbp large genome sequence.

This doctoral thesis provides the first de novo genome assembly of the marbled crayfish. Multiple shotgun and long jumping distance libraries were generated from one individual female, with a single base coverage of over 100x. Sequencing data was used for a first genome assembly with a length weighted median scaffold size (N50) of over 40 kbp. The estimated genome wide heterozygosity rate of 0.53% is substantially higher compared to other arthropod genomes. Transcriptome data enabled the refinement of genetic structures. Eventually, a total of 87.8% complete and 7.4% fragmented single-copy arthropod orthologs were identified using the benchmarking software BUSCO. Single nucleotide variations were analyzed to verify clonality in geographically isolated populations. Results indicate an evolution from a single origin. Moreover, detailed insights into genotype distributions support the theory of asexual speciation by autopolyploidization. Comparison of three Procambarus species indicates detectable genetic separation between marbled crayfish and the closest relative Procambarus fallax. Automatic annotation of 21,000 genes using the annotation pipeline MAKER provides a detailed overview of genetic features. For example, a cellulase gene was identified which potentially plays a key role in omnivorousness. Genomic data and several online services are provided by a central web resource.

This thesis provides detailed genetic insights into the unknown but very versatile order of decapod crustaceans. Considered economically and ecologically relevant keystone species, a representative genome sequence provides an important resource for future research.

Translation of abstract (German)

Marmorkrebse (Procambarus virginalis) sind die bislang einzig bekannten Süßwasserkrebse, die sich ausschließlich per Jungfernzeugung (apomiktische Parthenogenese) fortpflanzen. Interessanterweise kann man unter genetisch identischen Tieren, die unter denselben Bedingungen aufgewachsen sind, phänotypische Veränderungen beobachten. Diese einzigartigen Charakteristiken etablieren den Marmorkrebs als einen besonders interessanten Modellorganismus für biologische Studien. Zudem erlaubt der Reproduktionsmodus eine rasche Verbreitung und Gründung von beständigen Populationen. Das macht sie zu einer besonders großen Gefahr in vielen Süßwassersystemen. Um den Marmorkrebs besser zu verstehen bedarf es daher Kenntnis seiner 3,5 Gigabasen großen Genomsequenz.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde eine erste Genomsequenz des Marmorkrebses etabliert. Dafür wurden von einem weiblichen Tier verschiedene Sequenzbibliotheken, mit einer über 100-fachen genomweiten Nukleotidabdeckung, generiert. Die Sequenzierungsdaten ermöglichten die Assemblierung einer Genomsequenz mit einem gewichteten Median der Sequenzlängen (N50) von über 40 Kilobasen. Die genomweite Heterozygosität im Marmorkrebs wurde auf 0.53% geschätzt. Damit ist sie deutlich höher im Vergleich zu anderen Arthropoden. Zusätzliche Transkriptominformationen erlaubten die Korrektur von genetischen Strukturen. Die Qualität der resultierenden Assemblierung wurde mittels einer universellen orthologen Gendatenbank bewertet (BUSCO). So konnten 87.8% komplette und 7.4% fragmentierte Gene gefunden werden. Die Analyse von Einzelnukleotidvariationen zeigte eine klonale Evolution in geografisch isolierten Marmorkrebs Populationen. Die Ergebnisse deuten auf eine Abstammung von einem einzigen Ursprungstier. Zudem wurden Einblicke in genomische Charakteristiken gewährt, wie etwa Triploidität und verschieden vorkommende Genotypen. Dabei war die Verteilung der Genotypen ein deutliches Indiz für eine Speziesbildung durch Autopolyploidisierung. Dies wurde ebenso durch vergleichende Analysen verdeutlicht, die eine klar erkennbare genetische Separation des Marmorkrebses zu seinem nächsten Verwandten, Procambarus fallax, zeigten. Die automatische Genomannotation von über 21,000 Genen gab Einblicke in genomische Regionen. So konnte eine spezifische Cellulase identifiziert werden, welche möglicherweise eine wichtige Rolle in der Omnivorosität in Süßwasserkrebsen spielt. Genomische Daten und diverse Online Tools werden über ein zentrales Web System angeboten.

Diese Doktorarbeit gewährt detaillierte genomische Einblicke in die bisher unbekannte aber sehr vielseitige Ordnung der Zehnfußkrebse (Dekapoden). Da diese als ökonomische und ökologische Schlüsselarten gelten bietet die repräsentative Genomsequenz ein wichtiges Werkzeug für zukünftige biologische Forschungen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lyko, Prof. Dr. Frank
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 15 September 2017
Date Deposited: 06 Oct 2017 09:54
Date: 2018
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Genome, marbled crayfish, Marmorkrebs, Procambarus, Assembly, Clonal, Parthenogenesis, Evolution
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