Nature Commun | 中国农科院深圳基因组所构建迄今最完整橘小实蝇基因组图谱

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）王桂荣课题组联合崔鹏课题组在Nature Communicaions上

Telomere-to-telomere genome assembly of the Dipteran

Bactrocera dorsalis

from a single individual

绿色防控技术通过精准干预害虫的特定生命过程实现安全环保的种群控制，其关键在于明确害虫体内的分子靶标，而这些靶标的发现直接决定了防控的特异性和效率。基因组图谱则相当于“地图”，为科学家提供了发现和定位分子靶标的全面信息，从而为绿色防控技术的精准开发奠定了基础。然而，高重复区一直是基因组组装中的传统痛点，也是导致测序和组装出现盲区的关键原因。随着人类T2T基因组的公布，这一技术突破不仅突破了高重复区组装的瓶颈问题，还推动了大型动物和植物完整基因组图谱的构建，标志着基因组学正式进入T2T时代。然而，昆虫基因组的研究仍面临独特的挑战。首先，昆虫体型较小，提供的DNA起始量有限，导致测序覆盖度不足。同时，昆虫基因组具有较高的遗传多样性和高杂合度，并且中心粒和端粒结构缺乏同源性。这些特性共同构成了小个体、高杂合度物种在基因组研究中的共性难题。因此，研究人员以重大农业害虫橘小实蝇为对象，展开了T2T基因组图谱的构建，并结合功能验证其在绿色防控技术开发中的潜在作用。

与多数农业害虫材料特性一致，橘小实蝇的体长约为8毫米，单体提取的DNA含量约为1微克，是典型的小个体、高杂合基因组害虫（图1a）。在初步组装测试的基础上，研究人员提出了一种组装策略，包含以下关键步骤：去除微生物污染，通过单个雌雄HiFi数据覆盖度的差异鉴定性染色体片段，利用Hi-C数据末端延伸获得结构元件，结合ONT技术排除错误连接、连接不同复杂程度的基因组区域，并精细修补以补充有效变异（图1b）。最终在单体雄虫的基础上，成功组装出了接近600 Mb、中心粒和端粒区域较为完整、并包含性染色体的T2T级别基因组（图1c）。研究人员进一步将通过T2T组装流程获得的基因组与使用常规Hifiasm+Purge_dups+Hi-C流程获得的组装结果进行了比较，证实T2T组装流程在基因组图谱构建质量上有显著提升，尤其是在中心粒和性染色体等高重复区的位置（图1d）。

图1|橘小实蝇T2T基因组图谱构建流程及提升效果

在完成基因组图谱构的基础上，研究人员进一步对传统意义上的基因组“盲区”——中心粒和性染色体区域进行了深入解析。研究发现，橘小实蝇的中心粒区域由三种不同类型的卫星DNA组成，呈现出从中心区向两端异质性逐渐递减的分布规律。这些重复单元的总长度超过40 Mb，其中包含两种存在于所有常染色体上的泛着丝粒DNA，以及一种特异性定位于X染色体上的着丝粒DNA（图2a-c）。研究人员进一步获得了两种性染色体，其中，X染色体超过60Mb，包含约578个基因。Y染色体约7Mb多，包含约52个基因。对于X染色体，其表达基因能够观察到明显的剂量补偿效应，同时有线粒体基因组插入的现象。对于Y染色体，除了Moy等已知标记基因，研究人员还鉴定出一个在雄虫全组织表达的ATP合成酶β亚基基因，推测与雄虫生命活动的高能需求相关（图2d-f）。

图2|基因组“盲区”中心粒和性染色体区域的解析

在完成对传统基因组盲区解析的基础上，研究人员以基因结构复杂区为例，进一步验证了T2T基因组图谱在害虫研究中的应用价值。昆虫化感受体超家族是真核生物中数量最多且功能最为多样的基因家族之一。其中，气味受体因其独特的结构和庞大的数量而备受关注。研究人员通过全基因组鉴定，在橘小实蝇中发现了110个候选气味受体基因（图3a），其中超过半数的气味受体基因表现出2至10个成员的串联复制现象（图3b）。在这些串联复制基因中， BdorOR88a包含3个拷贝，此前已有研究报道其与橘小实蝇对经典昆虫食诱剂甲基丁香酚的行为反应相关。本研究以BdorOR88a的复制基因为例，利用T2T基因组提供的信息，成功实现了高表达复制串的同步敲除。实验结果表明，该基因对电生理反应无明显影响，但对行为反应有轻微影响。这一结果进一步验证了该分子靶标在甲基丁香酚感受中仅起到次要作用。这一结论与团队前期研究中发现甲基丁香酚的主要受体为OR94b1的结果相符（图3c）。综上所述，从功能基因组学的视角出发，研究人员提出了一种基于害虫完整基因组图谱的研究策略，用于辅助功能基因组学研究，挖掘关键靶标，从而推动害虫绿色防控技术的研发与优化（图3d）。

图3|复杂结构基因代表“气味受体”功能研究及未来策略

基因组所（大鹏湾实验室）王桂荣研究员和崔鹏研究员为论文的通讯作者，基因组所（大鹏湾实验室）刘伟副研究员、林强副研究员和东北林业大学联培博士生王齐为论文的并列第一作者。基因组所（大鹏湾实验室）汪泉研究员为该研究提供了宝贵建议。该研究得到深圳市科技计划资助，深圳市大鹏新区科技创新和产业发展专项资金资助项目，国家重点研发项目，中国农业科学院科技创新工程，国际原子能机构协调研究等项目支持。

团队核心研究成员王桂荣研究员和刘伟副研究员长期专注于基于功能基因组学的实蝇类害虫绿色防控技术的改进与开发。研究团队利用T2T基因组图谱、单细胞核测序以及遗传操作手段，重点研究实蝇类害虫雄性引诱剂的生物学作用机制及其与SIT技术的联用策略。我们期待更多有兴趣从事应用技术作用机制与改进研发的同仁加入合作，联系方式liuwei11@caas.cn；wangguirong@caas.cn。

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