單個體水平完成雙翅目害蟲橘小實蠅端粒到端粒基因組組裝揭示性染色體演化與嗅覺基因擴張
《Nature Communications》：Telomere-to-telomere genome assembly of the Dipteran Bactrocera dorsalis from a single individual
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時間：2025年12月04日
來源：Nature Communications 15.7
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本期推薦研究人員針對雙翅目昆蟲因個體小、DNA提取難、遺傳背景復雜導致的基因組組裝難題，創新性地利用單個體低輸入PacBio HiFi CCS結合混合樣本ONT測序策略，成功完成橘小實蠅（Bactrocera dorsalis）596 Mb的T2T基因組組裝，首次解析其著絲粒、端粒及性染色體完整結構，發現Y染色體特異性ATPsynβ基因及OR88a基因簇串聯重復調控甲基丁香酚行為響應，為 Diptera 比較基因組學及害蟲防控技術開發提供關鍵基因組資源。
在農業害蟲防控領域，雙翅目昆蟲（如果實蠅類）因其體型微小、遺傳背景復雜及端粒/著絲粒結構保守性低，長期阻礙高質量基因組資源的獲取。傳統基因組組裝需混合多個個體DNA，易引入單倍型冗余，難以實現端粒到端粒（T2T）的完整組裝。橘小實蠅作為危害150余種水果作物的入侵性害蟲，其基因組中性染色體結構、化學感受基因家族演化等關鍵問題尚未解析，制約了基于基因靶點的綠色防控技術研發。
本研究通過優化低輸入PacBio HiFi CCS文庫構建技術，對單只雄性橘小實蠅個體進行測序，結合近交群體混合樣本的牛津納米孔（ONT）長讀長數據和Hi-C染色質構象捕獲技術，采用多步驟拼接策略（包括污染物過濾、單元圖驗證、性染色體片段識別等），最終獲得596.16 Mb的T2T級別基因組，包含5對常染色體和XY性染色體的無間隙組裝。
研究利用單只雄性橘小實蠅的PacBio HiFi CCS數據（19.55 Gb，平均讀長12.34 kb）和近交群體混合樣本的ONT數據（94.79 Gb）進行初步組裝，通過比對細菌/真菌基因組去除污染序列，采用Hifiasm和HiCanu進行單元圖構建，結合Hi-C數據輔助染色體掛載。著絲粒衛星單體（cenSats）通過TRF和RepeatMasker鑒定，性染色體通過覆蓋度差異及FISH實驗驗證。嗅覺受體基因（ORs）通過隱馬爾可夫模型和同源比對注釋，利用CRISPR/Cas9對BdorOR88a基因簇進行敲除，并通過EAG（觸角電位圖）和四象限嗅覺儀驗證行為變化。
Gapless T2T genome assembly of a male individual
通過對比雌雄個體HiFi CCS數據，選擇雄性樣本（污染率2.1%，低于雌性的14.31%）進行最終組裝。組裝完整性達99.38%（BUSCO評估），著絲粒和端粒區域實現無縫覆蓋。與已發表基因組相比，本組裝在著絲粒和性染色體區域一致性顯著提升，首次揭示橘小實蠅著絲粒由BdoSat1（180 bp）、BdoSat2（166 bp）和BdoSat3（166 bp）三類衛星單體主導，其中BdoSat3特異性分布于性染色體。
Characteristics of candidate centromeres and telomeres
著絲粒高階重復（HOR）結構呈現染色體特異性分布：BdoSat2富集于常染色體，BdoSat3集中于性染色體。端粒區域發現528 bp串聯重復單元，而性染色體端粒嵌有rDNA陣列及逆轉錄酶基因，與近緣種Bactrocera oxeae的FISH結果一致。rDNA在XY染色體的聚集可能通過抑制重組維護性染色體結構穩定性。
Characteristics of nuclear-mitochondrial DNA segment (NUMT) insertions
在核基因組中鑒定出105個NUMT插入位點，聚類為11個線粒體同線性區塊，主要分布于2號染色體和X染色體。較古老的NUMT拷貝呈現更高的GC含量和轉座子插入，反映核基因組對外源序列的演化適應。
Characteristics of sex chromosomes and related gene expression
X染色體（67.73 Mb）和Y染色體（7.17 Mb）分別注釋578和52個基因。Y染色體特異性基因BdoYG000019（ATPsynβ同源物）在雄性組織中高表達，可能支持求偶等耗能行為。性相關差異表達基因（DEGs）中，雄性特異性基因富集于能量代謝通路，與雄性長途遷徙和性信息素合成需求相符。
Phylogenetics and X chromosome evolution
基于22種雙翅目物種的比較基因組學分析，發現橘小實蠅X染色體與黑腹果蠅4號染色體（Muller F）同源，支持雙翅目性染色體多系起源假說。rDNA在性染色體的聚集可能是祖先特征，但其演化路徑在各類群中具多樣性。
T2T genome data facilitate functional genomics to develop molecular-target-based pest control techniques
注釋110個嗅覺受體基因（ORs），其中69%以串聯重復形式存在。BdorOR88a基因簇（3個成員）通過異構轉錄本生成增加功能可塑性，CRISPR/Cas9敲除實驗表明其調控雄性對甲基丁香酚的趨化行為，但EAG響應未顯著改變，提示存在其他嗅覺通路補償。
本研究首次在雙翅目害蟲中實現單個體T2T基因組組裝，突破了小昆蟲DNA提取不足的技術瓶頸。完整著絲粒/端粒結構和性染色體解析為昆蟲染色體演化提供新視角，Y染色體特異性ATPsynβ基因及OR基因簇擴張機制為害蟲性控技術和行為干擾策略開發奠定理論基礎。該基因組資源將推動Diptera比較基因組學研究，并為橘小實蠅的基因靶向防控提供精準分子工具。
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