Nature Commun | 中國農(nóng)科院深圳基因組所構(gòu)建迄今最完整橘小實(shí)蠅基因組圖譜

近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）王桂榮課題組聯(lián)合崔鵬課題組在Nature Communicaions上

Telomere-to-telomere genome assembly of the Dipteran

Bactrocera dorsalis

from a single individual

綠色防控技術(shù)通過精準(zhǔn)干預(yù)害蟲的特定生命過程實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保的種群控制，其關(guān)鍵在于明確害蟲體內(nèi)的分子靶標(biāo)，而這些靶標(biāo)的發(fā)現(xiàn)直接決定了防控的特異性和效率。基因組圖譜則相當(dāng)于“地圖”，為科學(xué)家提供了發(fā)現(xiàn)和定位分子靶標(biāo)的全面信息，從而為綠色防控技術(shù)的精準(zhǔn)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。然而，高重復(fù)區(qū)一直是基因組組裝中的傳統(tǒng)痛點(diǎn)，也是導(dǎo)致測(cè)序和組裝出現(xiàn)盲區(qū)的關(guān)鍵原因。隨著人類T2T基因組的公布，這一技術(shù)突破不僅突破了高重復(fù)區(qū)組裝的瓶頸問題，還推動(dòng)了大型動(dòng)物和植物完整基因組圖譜的構(gòu)建，標(biāo)志著基因組學(xué)正式進(jìn)入T2T時(shí)代。然而，昆蟲基因組的研究仍面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn)。首先，昆蟲體型較小，提供的DNA起始量有限，導(dǎo)致測(cè)序覆蓋度不足。同時(shí)，昆蟲基因組具有較高的遺傳多樣性和高雜合度，并且中心粒和端粒結(jié)構(gòu)缺乏同源性。這些特性共同構(gòu)成了小個(gè)體、高雜合度物種在基因組研究中的共性難題。因此，研究人員以重大農(nóng)業(yè)害蟲橘小實(shí)蠅為對(duì)象，展開了T2T基因組圖譜的構(gòu)建，并結(jié)合功能驗(yàn)證其在綠色防控技術(shù)開發(fā)中的潛在作用。

與多數(shù)農(nóng)業(yè)害蟲材料特性一致，橘小實(shí)蠅的體長約為8毫米，單體提取的DNA含量約為1微克，是典型的小個(gè)體、高雜合基因組害蟲（圖1a）。在初步組裝測(cè)試的基礎(chǔ)上，研究人員提出了一種組裝策略，包含以下關(guān)鍵步驟：去除微生物污染，通過單個(gè)雌雄HiFi數(shù)據(jù)覆蓋度的差異鑒定性染色體片段，利用Hi-C數(shù)據(jù)末端延伸獲得結(jié)構(gòu)元件，結(jié)合ONT技術(shù)排除錯(cuò)誤連接、連接不同復(fù)雜程度的基因組區(qū)域，并精細(xì)修補(bǔ)以補(bǔ)充有效變異（圖1b）。最終在單體雄蟲的基礎(chǔ)上，成功組裝出了接近600 Mb、中心粒和端粒區(qū)域較為完整、并包含性染色體的T2T級(jí)別基因組（圖1c）。研究人員進(jìn)一步將通過T2T組裝流程獲得的基因組與使用常規(guī)Hifiasm+Purge_dups+Hi-C流程獲得的組裝結(jié)果進(jìn)行了比較，證實(shí)T2T組裝流程在基因組圖譜構(gòu)建質(zhì)量上有顯著提升，尤其是在中心粒和性染色體等高重復(fù)區(qū)的位置（圖1d）。

圖1|橘小實(shí)蠅T2T基因組圖譜構(gòu)建流程及提升效果

在完成基因組圖譜構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步對(duì)傳統(tǒng)意義上的基因組“盲區(qū)”——中心粒和性染色體區(qū)域進(jìn)行了深入解析。研究發(fā)現(xiàn)，橘小實(shí)蠅的中心粒區(qū)域由三種不同類型的衛(wèi)星DNA組成，呈現(xiàn)出從中心區(qū)向兩端異質(zhì)性逐漸遞減的分布規(guī)律。這些重復(fù)單元的總長度超過40 Mb，其中包含兩種存在于所有常染色體上的泛著絲粒DNA，以及一種特異性定位于X染色體上的著絲粒DNA（圖2a-c）。研究人員進(jìn)一步獲得了兩種性染色體，其中，X染色體超過60Mb，包含約578個(gè)基因。Y染色體約7Mb多，包含約52個(gè)基因。對(duì)于X染色體，其表達(dá)基因能夠觀察到明顯的劑量補(bǔ)償效應(yīng)，同時(shí)有線粒體基因組插入的現(xiàn)象。對(duì)于Y染色體，除了Moy等已知標(biāo)記基因，研究人員還鑒定出一個(gè)在雄蟲全組織表達(dá)的ATP合成酶β亞基基因，推測(cè)與雄蟲生命活動(dòng)的高能需求相關(guān)（圖2d-f）。

圖2|基因組“盲區(qū)”中心粒和性染色體區(qū)域的解析

在完成對(duì)傳統(tǒng)基因組盲區(qū)解析的基礎(chǔ)上，研究人員以基因結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)為例，進(jìn)一步驗(yàn)證了T2T基因組圖譜在害蟲研究中的應(yīng)用價(jià)值。昆蟲化感受體超家族是真核生物中數(shù)量最多且功能最為多樣的基因家族之一。其中，氣味受體因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和龐大的數(shù)量而備受關(guān)注。研究人員通過全基因組鑒定，在橘小實(shí)蠅中發(fā)現(xiàn)了110個(gè)候選氣味受體基因（圖3a），其中超過半數(shù)的氣味受體基因表現(xiàn)出2至10個(gè)成員的串聯(lián)復(fù)制現(xiàn)象（圖3b）。在這些串聯(lián)復(fù)制基因中， BdorOR88a包含3個(gè)拷貝，此前已有研究報(bào)道其與橘小實(shí)蠅對(duì)經(jīng)典昆蟲食誘劑甲基丁香酚的行為反應(yīng)相關(guān)。本研究以BdorOR88a的復(fù)制基因?yàn)槔肨2T基因組提供的信息，成功實(shí)現(xiàn)了高表達(dá)復(fù)制串的同步敲除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該基因?qū)﹄娚矸磻?yīng)無明顯影響，但對(duì)行為反應(yīng)有輕微影響。這一結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該分子靶標(biāo)在甲基丁香酚感受中僅起到次要作用。這一結(jié)論與團(tuán)隊(duì)前期研究中發(fā)現(xiàn)甲基丁香酚的主要受體為OR94b1的結(jié)果相符（圖3c）。綜上所述，從功能基因組學(xué)的視角出發(fā)，研究人員提出了一種基于害蟲完整基因組圖譜的研究策略，用于輔助功能基因組學(xué)研究，挖掘關(guān)鍵靶標(biāo)，從而推動(dòng)害蟲綠色防控技術(shù)的研發(fā)與優(yōu)化（圖3d）。

圖3|復(fù)雜結(jié)構(gòu)基因代表“氣味受體”功能研究及未來策略

基因組所（大鵬灣實(shí)驗(yàn)室）王桂榮研究員和崔鵬研究員為論文的通訊作者，基因組所（大鵬灣實(shí)驗(yàn)室）劉偉副研究員、林強(qiáng)副研究員和東北林業(yè)大學(xué)聯(lián)培博士生王齊為論文的并列第一作者。基因組所（大鵬灣實(shí)驗(yàn)室）汪泉研究員為該研究提供了寶貴建議。該研究得到深圳市科技計(jì)劃資助，深圳市大鵬新區(qū)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目，國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程，國際原子能機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)研究等項(xiàng)目支持。

團(tuán)隊(duì)核心研究成員王桂榮研究員和劉偉副研究員長期專注于基于功能基因組學(xué)的實(shí)蠅類害蟲綠色防控技術(shù)的改進(jìn)與開發(fā)。研究團(tuán)隊(duì)利用T2T基因組圖譜、單細(xì)胞核測(cè)序以及遺傳操作手段，重點(diǎn)研究實(shí)蠅類害蟲雄性引誘劑的生物學(xué)作用機(jī)制及其與SIT技術(shù)的聯(lián)用策略。我們期待更多有興趣從事應(yīng)用技術(shù)作用機(jī)制與改進(jìn)研發(fā)的同仁加入合作，聯(lián)系方式liuwei11@caas.cn；wangguirong@caas.cn。

https://doi.org/10.1038/S41467-025-65870-1