Nature Commun | 中國(guó)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(guó)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(guò)精準(zhǔn)干預(yù)害蟲的特定生命過(guò)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(wèn)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(zhǎng)度超過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(lái)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程，國(guó)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(zhǎng)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