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作者及机构
本研究的主要作者包括Jierong Wang、Yiwen Xu、Yuxi Peng、Yiping Wang、Zhensheng Kang和Jing Zhao。他们分别来自西北农林科技大学植物保护学院、西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室、西北农林科技大学生命科学学院。研究于2024年发表在《Scientific Data》期刊上。
学术背景
本研究属于真菌基因组学领域，研究对象是小麦条锈病菌（Puccinia striiformis f. sp. tritici, Pst）。小麦条锈病是一种全球性的小麦病害，威胁着全球88%的小麦产量，对粮食安全构成严重威胁。Pst具有复杂的生命周期和极高的遗传多样性，其病原性主要归因于其在喜马拉雅及其邻近地区（如尼泊尔、巴基斯坦和中国）的性重组、长距离传播以及通过逐步突变和体细胞杂交的快速本地适应。尽管已有关于Pst基因组的研究，但此前的研究并未完全解决单倍型问题，且存在大量缺口。因此，本研究旨在通过结合PacBio HiFi测序技术和三组分箱策略（trio-binning strategy），首次生成Pst的完全单倍型解析且近乎无缺口的染色体尺度基因组组装，为深入研究Pst的遗传变异和进化提供基础。
研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
1. 菌株选择与有性杂交：选择Pst菌株A153和XZ-2进行有性杂交，生成后代菌株AZ2。通过单孢分离技术获得纯化菌株。
2. 基因组与转录组测序：从AZ2的新鲜夏孢子中提取基因组DNA，使用PacBio HiFi测序技术生成高质量长读长数据，覆盖度约为124倍。同时，使用Illumina NovaSeq平台进行短读长测序，覆盖度约为77倍。此外，还进行了Hi-C测序以构建染色体尺度的基因组。
3. 单细胞基因组测序：从亲本菌株A153和XZ-2的锈孢子中提取DNA，使用单细胞基因组测序技术进行测序，用于单倍型分箱。
4. 基因组大小与杂合度估计：使用Jellyfish和GenomeScope工具基于29-mer频率分布估计基因组大小和杂合度。
5. 单倍型解析基因组组装：结合PacBio HiFi测序数据和三组分箱策略，使用Hifiasm软件进行基因组组装。通过Hi-C数据对组装结果进行染色体尺度构建，并使用Juicer和3D-DNA工具进行优化。
6. 重复序列与基因注释：使用RepeatModeler和RepeatMasker工具预测重复序列，使用Funannotate管道进行基因注释。
7. 线粒体基因组组装：使用Canu软件组装Pst的线粒体基因组，并使用Geseq和Mitos工具进行注释。
8. 染色体同线性分析：使用Mummer和Syri工具分析两个单倍型之间的结构变异。
9. 数据评估与验证：使用多种方法评估基因组组装的质量，包括Hi-C热图分析、BUSCO完整性分析、Merqury质量值评估等。
主要结果
1. 基因组组装：成功生成了两个完全单倍型解析的基因组组装，分别命名为AZ2A（75.59 Mb）和AZ2B（75.91 Mb），均锚定到18条假染色体上。其中，15条和16条染色体完全无缺口，其余染色体仅含1-2个缺口。
2. 基因注释：预测了AZ2A和AZ2B分别含有15,046和15,050个蛋白质编码基因，BUSCO完整性评分分别为97.7%和97.9%。
3. 线粒体基因组：组装了一个完整的环状线粒体基因组，大小为101,852 bp，包含14个蛋白质编码基因和24个tRNA基因。
4. 染色体同线性：两个单倍型之间检测到1,128个同线性区域，累计大小为142.48 Mb（94.05%），同时检测到227个易位、8个倒位和2,778个重复。
5. 数据评估：Merqury评估显示，AZ2A和AZ2B的基因组质量值分别为55.57和59.02，基因组准确性超过99.999%。
结论与意义
本研究首次生成了小麦条锈病菌的完全单倍型解析且近乎无缺口的染色体尺度基因组组装，为深入研究Pst的遗传变异、进化和致病机制提供了重要资源。该基因组组装的高连续性和完整性使其成为研究真菌基因组学的典范，同时也为开发针对小麦条锈病的新型防控策略提供了理论基础。
研究亮点
1. 完全单倍型解析：首次实现了Pst的完全单倍型解析基因组组装，解决了此前研究中存在的单倍型未完全解析的问题。
2. 近乎无缺口：基因组组装中大部分染色体完全无缺口，展示了高连续性和完整性。
3. 多技术结合：结合了PacBio HiFi测序、三组分箱策略、Hi-C测序和单细胞基因组测序等多种先进技术，展示了复杂基因组组装的前沿方法。
4. 高质量数据评估：通过多种评估方法验证了基因组组装的高质量，确保了数据的可靠性。
其他有价值的内容
本研究的所有测序数据和基因组组装均已提交至NCBI和Figshare数据库，为后续研究提供了公开资源。此外，研究还详细描述了实验方法和数据分析流程，为其他研究者提供了可参考的技术路线。
以上是本研究的详细报告，涵盖了研究的背景、流程、结果、结论及其科学意义。