Plant Communications丨菠菜和水稻ZH11 T2T基因组两连发
一、菠菜T2T基因组解析Y染色体演化
菠菜（Spinacia oleracea L.）（2n=12），是全球最重要的绿叶蔬菜之一。菠菜属是研究性染色体进化的理想模型，因其雌雄异株、具有XY性别决定系统。近年陆续有菠菜参考基因组构建和发表，但都未达到T2T水平，部分区域仍然存在gaps，这些不完整的基因组组装阻碍了对着丝粒、端粒等复杂基因组区域的探索。近日，中国农业科学院蔬菜花卉所的研究团队，成功组装了菠菜自交系10S15YY雄株的T2T基因组。
作者通过整合了以下多组学数据：90 Gb PacBio HiFi 数据（90×）、65 Gb ONT UL数据（65×，N50=100 kb）、10种组织的30个RNA-seq数据和17 Gb Iso-Seq数据。通过多种组装方法和校正手段，成功组装了自交系10S15 YY雄株的T2T基因组（Sp_YY_v2）。基因组大小为926 Mb，包含12个端粒。通过多种注释手段结合，作者注释了701 Mb重复序列，其中58.63%为LTR反转录转座子。同时预测到28,247个蛋白质编码基因，84%通过Iso-Seq或表达量支持。96.84%基因可在数据库内被注释。
作者还成功获得全长205.40 Mb的Y染色体（chr4），作者解析了Y染色体的完整结构，包括低频重组的着丝粒周缘区（PR）和性连锁区（SLR）。PR区具有更高TE含量和更低基因密度，显著高于非PR区。Y染色体包含24.89 Mb的SLR区，其中10.74 Mb为雄性特异区域（YDR）。在YDR区内鉴定出57个蛋白编码基因，通过71个不同组织样本的基因表达分析，发现一个新的候选雄性决定基因SpRAD，该基因在雄蕊中特异性高表达，且在雌花中完全缺失。
SpRAD基因在栽培菠菜（S. oleracea）及其近缘野生种（S. turkestanica）中保守存在。综合证据表明该基因起源于S. tetrandra分化后（约630万年前）至S. oleracea与S. turkestanica分化前（约80万年前），符合这两物种最近共同祖先中发生的性别决定因子更替事件。
为解析栽培菠菜与近缘野生种的Y染色体演化，作者基于133份S. oleracea和21份S. turkestanica材料，通过SNP检测鉴定出14,248个Y特异SNP。邻接树分析显示：S. oleracea两大谱系分别形成YG1和YG3分支，而S. turkestanica与部分S. oleracea聚为YG2分支。而且在pPAR和SLR检测到三种Y单倍型，其分化程度显著高于重组活跃区（rPAR），符合重组抑制促进遗传变异积累的理论。
作者进一步基于T2T基因组首次揭示菠菜着丝粒特性，通过CRM探针与FISH确认6个着丝粒，长度分别为1.96 Mb（chr5）~4.49 Mb（chr3），其中91%着丝粒序列为TE，Gypsy-LTR占44%，未发现着丝粒特异性串联重复。表观遗传特征显示着丝粒区CHG/CHH甲基化水平均低于侧翼区，而CpG甲基化保持稳定，基因表达量显著低于非着丝粒区。
图1：10S15 YY雄株的T2T基因组构建、Y染色体演化研究和着丝粒解析
总结
本研究成功完成首个端粒到端粒（T2T）完整菠菜基因组组装，完整解析了6个着丝粒与12个端粒结构。这一高质量基因组为深入探究着丝粒与Y染色体的演化机制提供了关键基础，将为菠菜功能基因组学研究及遗传改良奠定重要资源基础。
粳稻“中花11”（Zhonghua11，ZH11）因其高转化效率和强适应性成为广泛研究的对象。然而，ZH11基因组组装尚不完整，仍存在25处空缺。近日，中国科学院植物研究所的研究团队，通过多种测序手段，成功完整了ZH11的T2T基因组组装，并通过多种评估方法论证了组装基因组的高质量。
作者通过23.02 Gb PacBio HiFi数据、56.7 Gb ONT ultra-long数据 、24.96 Gb Illumina数据、42.59 Gb Hi-C数据和Bionano光学图谱数据。通过多种组装算法组装、补洞以及端粒延伸等操作，并经过Bionano数据验证，最终获得完整的T2T-ZH11基因组（379.33 Mb）。
作者首先利用Iso-seq、RNA-seq数据及同源蛋白对T2T-ZH11进行注释，共预测出56,948个基因。为验证T2T-ZH11基因组的组装质量并评估其相较于T2T-Nip的改进，进一步整合了147.56 Gb已发表的水稻根部单细胞RNA测序数据及533个品种的全基因组测序数据。
通过Cell Ranger对scRNA-seq数据去重并统计单细胞表达的独特UMI数，结果显示比对率上T2T-ZH11为94.70%，显著高于T2T-Nip的81.3%，而总基因数T2T-ZH11（37,797）较T2T-Nip（36,891）也增加906个。
结合NCBI公开的ATAC-seq、RNA-seq及DNA甲基化数据，并与MSU7.0注释数据对比，发现以T2T-ZH11为参考基因组时，以上数据的比对率、覆盖度及peak识别数均显著提升。
作者基于RiceVarMap数据库中533个水稻品种的400余万SNP，在抽穗期和粒重两个农艺性状中检测到全部关联SNP。通过GWAS比较T2T-ZH11与T2T-Nip基因组，发现关键候选基因（如Hd3a、GW8）的信号位点高度一致，证实了T2T-ZH11组装的可靠性。
最后，作者将T2T-ZH11和T2T-Nip、MSU7.0、羊草、紫花苜蓿等CROPTILLING平台可比基因组数据比较，并将T2T-ZH11整合至CROPTILLING平台（www.croptilling.com/ZH11）。经BUSCO、CEGMA、QV值及LAI值等多项指标评估，T2T-ZH11基因组在准确性与完整性上均达到高标准。
图2：ZH11 T2T基因组构建
总结
本研究成功完成了粳稻中花11（T2T-ZH11）的完整参考基因组组装，该基因组包含379.33 Mb DNA序列、12条完整的染色体。与ZH11-IGDBv1版本相比，填补了25处空缺，使基因组组装长度增加了2.29 Mb。通过整合Iso-seq，基因注释得到优化，预测基因数从37,341增至56,948个，与既往发表的基因组相比，ZH11-T2T在连续性和完整性方面均有显著提升，经多种验证手段证实，T2T-ZH11在准确性和完整性上均达到非常高标准，为水稻的后续育种和相关实验提供了新的高质量参考基因组。
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