Evolutionary Genomics using long-read sequencing: A case study in Dysdera spiders

Abstract

[eng] Sequencing technologies have undoubtedly revolutionised the life sciences within just a few decades, transforming the tedious effort of sequencing a single gene into the routine generation of entire genomes. This rapid progress has been accompanied by the steady development of bioinformatic methods and tools needed to process and analyse these vast amounts of data. The significance of this progress for evolutionary biology is indisputable: it has established connections between distant biological fields and provided unprecedented opportunities to test population genetics’ theoretical predictions. The impact is far-reaching; evolutionary studies have moved beyond purely descriptive narratives and now integrate multidisciplinary approaches to explore in depth the patterns and processes underlying biological phenomena and to propose explanatory mechanisms. Grounded within the framework of the neutral theory of molecular evolution and comparative genomics, this thesis aims to advance our understanding of the evolution of genome size and chemoreceptor gene families, using spiders of the genus Dysdera as a model system. We generated three high-quality, chromosome-level genome assemblies, one from a mainland species (Dysdera catalonica) and two for Canary Island endemics (D. silvatica and D. tilosensis), and provided a structural and functional annotation of protein-coding genes and repetitive elements. These assemblies represent the first chromosome-level genomic resources for the Synspermiata spider clade, encompassing 17 spider families, and thus constitute a valuable resource for the scientific community. Using these assemblies, we performed a comprehensive comparative genomic analysis to investigate the genome size differences between mainland and insular species. We uncovered an unexpected case of genome size reduction in insular species, driven by large deletions that primarily affected the repetitive fraction of the genome as well as genetic elements under low functional constraint. Our results further suggest that a large effective population size in insular species enhanced purifying selection against slightly deleterious mutations, such as transposable element insertions. Overall, these findings support the non-adaptive mutation hazardous hypothesis of genome size evolution. We also developed GALEON, a bioinformatic tool designed to assist in the identification, analysis, and visualisation of gene clusters. This software facilitates the study of gene families by enabling exploration of the relationship between physical and evolutionary distances. Additionally, we extended its application to explore putative co-evolution between gene families. Finally, we conducted a comprehensive characterisation of the main arthropod chemoreceptor gene families (gustatory (Gr) and ionotropic (Ir) receptors) in six Dysdera species, employing chromosome-level assemblies and reference-guided scaffolding data. We found that the continental species D. catalonica encodes the largest number of Ir genes reported among chelicerates, while the size of the Gr family falls within the range documented for other chelicerates. We showed that the chemosensory gene families are organised into genomic clusters; however, the genome of D. catalonica harbours larger clusters containing more genes than those of the insular species. Our analysis suggests that unequal crossing-over is the primary mechanism driving gene duplication, supporting the birth-and-death model of gene family evolution. Intriguingly, the X chromosome is consistently depleted of chemoreceptors compared to the autosomes. Our study also shows that a substantial fraction of gene family members remain on small scaffolds and thus, could not be assigned to chromosomes, highlighting the persistent challenges of analysing large, repetitive gene families even with high-quality genomes.

[cat] Sens dubte, les tecnologies de seqüenciació han revolucionat les ciències de la vida en tan sols unes dècades, transformant la laboriosa tasca de seqüenciar un sol gen en la generació rutinària de genomes complets. Aquest ràpid progrés ha anat acompanyat del desenvolupament constant de mètodes i eines bioinformàtiques, necessàries per a processar i analitzar immenses quantitats de dades. La rellevància d’aquest progrés pera la biologia evolutiva és indiscutible: s’ha establert connexions entre camps biològics distants i alhora s’ha proporcionat oportunitats sense precedents per a posar a prova les prediccions teòriques de la genètica de poblacions. L’impacte és transcendental, ja que els estudis evolutius han anat més enllà de les narratives merament descriptives i, actualment, integren aproximacions multidisciplinàries per a explorar en profunditat els patrons i processos subjacents als fenòmens biològics i proposar-hi mecanismes explicatius. Aquesta tesi està emmarcada en la teoria neutral de l’evolució molecular i de la genòmica comparada, i té com objectiu aprofundir en la comprensió de l’evolució de la grandària del genoma i de les famílies de gens quimioreceptors, utilitzant aranyes del gènere Dysdera com a sistema model. Hem generat assemblatges de genomes d’alta qualitat a nivell cromosòmic, un d’una espècie continental (Dysdera catalonica) i dues d’espècies endèmiques de les Illes Canàries (D. silvatica i D. tilosensis), i hem proporcionat l’anotació estructural i funcional dels gens codificants de proteïnes i dels elements repetitius. Aquests assemblatges constitueixen els primers recursos genòmics a nivell cromosòmic per al clade d’aranyes Synspermiata, que integra un total de 17 famílies d’aranyes, i constitueixen, per tant, un recurs valuós per a la comunitat científica. Utilitzant aquests assemblatges, hem dut a terme una anàlisi exhaustiva de genòmica comparada per investigar les diferències en la grandària del genoma entre les espècies continentals i insulars. Hem descobert un cas inesperat de reducció de la grandària del genoma en espècies insulars, impulsat per grans delecions que han afectat principalment la fracció repetitiva del genoma, però també altres elements genètics sotmesos a una baixa constricció funcional. Els nostres resultats també suggereixen el paper clau de la gran mida efectiva poblacional que ha intensificat la selecció purificadora contra mutacions lleugerament deletèries, com ara les insercions d’elements transposables. En conjunt, aquestes troballes donen suport a la hipòtesi no adaptativa, mutational hazard hypothesis, de l’evolució de grandària del genoma.

També hem desenvolupat GALEON, una eina bioinformàtica dissenyada per ajudar en la identificació, anàlisi i visualització de clústers de gens. Aquest programari facilita l’estudi de les famílies gèniques permetent l’exploració de la relació entre les distàncies físiques i evolutives. També, vam ampliar la seva aplicació per explorar una possible coevolució entre famílies de gens. Finalment, s’ha dut a terme una caracterització minuciosa de les principals famílies de gens quimioreceptors en artròpodes (els receptors gustatius (Gr) i ionotròpics (Ir)) en sis espècies de Dysdera, utilitzant els genomes a nivell cromosòmic i també els guiats per una referència. Hem trobat que l’espècie continental D. catalonica codifica el major nombre de gens Ir entre els quelicerats, mentre que la mida de la família Gr es troba dins del rang de valors d’altres quelicerats. Hem demostrat que les famílies de gens quimiosensorials estan organitzades en clústers de gens. No obstant, el genoma de la D. catalonica presenta clústers més grans que contenen més gens en comparació amb les espècies insulars. La nostra anàlisi suggereix que l’entrecreuament desigual és el mecanisme principal que impulsa la duplicació de gens, donant suport al model birth-and-death de l’evolució de famílies gèniques. Curiosament, hem observat que els quimioreceptors estan consistentment infrarepresentats en el cromosoma X en comparació amb els autosomes. El nostre estudi també mostra que una fracció substancial dels membres d’aquestes famílies gèniques es troben continguts en scaffolds petits i, per tant, no s’han pogut assignar als cromosomes, cosa que posa de manifest els reptes persistents d’analitzar famílies gèniques grans i repetitives,fins i tot amb genomes d’alta qualitat.