三种Candidatus Liberibacter solanacearum传播媒介的染色体水平基因组组装揭示解毒基因家族扩张与种群分化

本研究针对农业害虫木虱传播Candidatus Liberibacter solanacearum(CLso)的机制问题，由John Innes Centre等机构研究人员完成了Dyspersa apicalis、D. pallida和Trioza urticae三种木虱的染色体水平基因组组装。研究揭示了Dyspersa谱系解毒基因家族（如细胞色素P450家族4）的显著扩张，发现了芬兰D. apicalis种群的遗传分化，为理解木虱-病原体-植物互作提供了重要基因组资源。该成果发表于《Genome Biology and Evolution》，对开发新型病虫害防控策略具有重要价值。

　　

在农业生产中，木虱(Psylloidea)作为植物病原体的传播媒介造成重大经济损失，特别是传播Candidatus Liberibacter solanacearum(CLso)引起马铃薯"斑马纹病"和胡萝卜"黄化病"。然而，与蚜虫相比，木虱的基因组资源严重匮乏，限制了对这些害虫生物学特性及传播机制的理解。更棘手的是，不同地区的CLso疫情严重程度存在显著差异，例如芬兰的胡萝卜种植区遭受严重危害，而英国却鲜有爆发。这种区域性差异是否与木虱种群的遗传分化有关？木虱如何适应不同环境条件并发展出抗药性？这些问题都亟待解答。

John Innes Centre等机构的研究人员选择三种重要的CLso传播媒介——胡萝卜木虱(Dyspersa apicalis)、其近缘种D. pallida和荨麻木虱(Trioza urticae)作为研究对象。这些物种在北欧农业生态系统中扮演关键角色，D. apicalis更是被北欧胡萝卜种植者视为CLso的主要传播者。研究人员希望通过高质量的基因组组装和比较分析，揭示木虱适应环境和抵抗杀虫剂的分子机制，同时探究不同地理种群间的遗传差异。

研究采用PacBio HiFi和Hi-C测序技术构建染色体水平基因组，结合Tell-Seq数据进行组装优化。通过BUSCO和OMArk评估组装质量，使用OrthoFinder进行直系同源基因分析，CAFE5软件分析基因家族扩张收缩。对欧洲不同地区采集的D. apicalis样本进行重测序，分析种群遗传结构。比较基因组学方法用于研究水平基因转移(HGT)事件和转座元件(TE)的分布特征。

Chromosome-scale Assembly of D. apicalis, D. pallida, and T. urticae部分显示，三种木虱的基因组大小分别为594.01 Mbp、587.80 Mbp和655.58 Mbp，超过90%的序列锚定到13条假染色体上。D. apicalis和D. pallida的组装完整性高，捕获了超过92%的半翅目保守单拷贝直系同源基因。特别值得注意的是，在所有三个物种中都鉴定出了初级内共生菌Candidatus Carsonella ruddii的基因组序列。

Assemblies Feature High Repetitive Element Content部分揭示，三种木虱基因组中约三分之二由转座元件(TE)序列组成，显著高于其他已测序木虱如D. citri(约三分之一)和P. venusta(约一半)。这种TE的扩张可能是导致Dyspersa和T. urticae基因组增大的重要因素。分析还发现，Dyspersa物种中滚环元件特别丰富。

Detoxification Gene Families are Expanded部分发现，D. apicalis和D. pallida分别注释到17,932和18,292个蛋白质编码基因。比较基因组分析显示，D. apicalis谱系中69个直系同源群显著扩张，D. pallida中53个。这些扩张的基因家族显著富集于解毒相关通路，包括细胞色素P450家族4(K15001)、羧酸酯酶(K15743)和葡萄糖醛酸转移酶(K00699)等。这些基因的扩张可能与杀虫剂抗性或植物防御化合物的解毒有关。

Horizontally Transferred Genes部分证实了先前在P. venusta中发现的水平转移基因(HTGs)，如AAA-ATPase-like、精氨酸琥珀酸裂解酶(ASL)和分支酸变位酶(CM)等，在Dyspersa和T. urticae基因组中也存在。这些细菌来源的基因补偿了内共生菌C. ruddii基因组简化导致的代谢通路缺失，形成了宿主-共生菌互补的必需氨基酸生物合成途径。

Inter-Chromosomal Rearrangements are Rare in Psyllids部分通过比较基因组分析发现，木虱在染色体水平上具有保守的基因组结构，特别是性染色体(第10大染色体)在D. apicalis和D. pallida间未发生明显重排。这与蚜虫中常见的染色体间重排形成鲜明对比，反映了木虱独特的染色体进化模式。

Dyspersa apicalis Population Structure部分通过对欧洲不同地区D. apicalis种群的重测序分析发现，芬兰种群形成了明显的遗传分化群体，而挪威和奥地利种群则关系密切。有趣的是，基于宿主基因组和C. ruddii基因组的SNP分析得出了不同的种群结构模式，后者显示所有D. apicalis属于一个大种群。FsT(0.15864)和dXY(0.2831)分析证实了芬兰与奥地利/挪威种群间的中等程度分化。

这项研究提供了三种重要农业害虫木虱的高质量基因组资源，填补了该领域的研究空白。研究发现Dyspersa谱系解毒基因家族的显著扩张，为理解这些害虫适应杀虫剂压力和植物防御化合物的分子机制提供了新视角。种群遗传分析揭示的芬兰D. apicalis独特遗传背景，可能解释了CLso疫情在不同地区的差异表现。水平转移基因的鉴定深化了我们对昆虫-细菌共生关系的认识。这些基因组资源将为未来研究木虱-病原体-植物三者互作、开发新型防控策略奠定重要基础。特别是解毒基因家族的发现，为设计针对性的杀虫剂提供了潜在靶点。而种群遗传学的发现则提示，在制定区域化病虫害管理策略时，需要考虑当地害虫种群的遗传特性。