长角甲虫Arhopalus rusticus染色体水平基因组组装揭示其生态适应与害虫防控新靶点

本研究针对全球分布的重要针叶林蛀干害虫长角甲虫Arhopalus rusticus，通过整合Illumina短读长、Nanopore长读长和Hi-C三维基因组测序技术，首次完成该虫染色体水平基因组组装（1180.40 Mb，scaffold N50 125.01 Mb）。研究揭示了69.87%重复序列特征及18,377个蛋白编码基因，通过比较基因组分析发现77个扩张基因家族，为理解其木材降解机制及开发新型防控策略提供关键基因组资源。

　　

在全球林业生态安全面临严峻挑战的背景下，长角甲虫Arhopalus rusticus作为一种以松柏科植物为寄主的蛀干害虫，通过木材贸易跨境传播的风险日益加剧。这种害虫不仅直接破坏寄主植物的维管系统，其幼虫在树干内蛀食形成的复杂坑道还会加速木材腐朽，造成重大经济损失。更令人担忧的是，中国多个口岸已多次截获通过木质包装材料传播的该害虫，凸显其生物入侵威胁。然而，当前针对该物种的防控手段仍局限于传统化学防治，缺乏基于分子机制的靶向控制策略。这一困境的核心在于，作为鞘翅目天牛科的重要代表种，A. rusticus的基因组资源长期空白，严重阻碍了对其木材降解机制、环境适应等关键生物学特性的解析。

北京林业大学森林害虫防治北京市重点实验室联合北京市农林科学院植物保护研究所的研究团队，在《Scientific Data》发表了首个A. rusticus染色体水平基因组。该研究通过多组学技术联用，包括：1）Illumina短读长测序（47.6×覆盖度）进行基因组特征预判；2）Nanopore长读长测序（53.3×）完成初步组装；3）Hi-C技术（137.3×）将98.57%序列锚定至10条假染色体；4）结合幼虫、蛹和成虫多时期转录组数据（64.6×）指导基因注释。研究团队还创新性地采用NextDenovo组装流程配合Hi-C三维基因组分析，成功克服了该物种基因组高重复序列（69.87%）带来的组装挑战。

基因组特征与组装质量
基于17-mer分析预估基因组大小为1004 Mb（图1A），最终组装获得1180.40 Mb的染色体水平基因组，scaffold N50达125.01 Mb。BUSCO评估显示93.6%的保守基因完整度，Hi-C互作热图清晰呈现10条染色体的独立空间结构（图1B），证实组装的高准确性和连续性。

基因注释与比较基因组学
预测获得18,377个蛋白编码基因，其中11,368个（61.86%）获得功能注释（表3）。通过OrthoFinder分析50个单拷贝直系同源基因构建系统发育树，揭示A. rusticus与近缘种Monochamus alternatus的分化时间约为164.6 Mya（图2）。基因家族分析发现77个显著扩张的基因家族，可能与其特殊的木材取食适应性相关。

染色体进化分析
与天牛科其他物种的比较基因组分析显示显著染色体重排现象（图3）。特别是A. rusticus的4号和9号染色体源于M. alternatus4号染色体的断裂事件，这种核型分化可能驱动了物种形成过程中的生殖隔离。

该研究首次为天牛科Aseminae亚科提供了高质量的基因组参考，填补了蛀干害虫基因资源的关键空白。所揭示的重复序列扩张模式和染色体重排特征，为理解鞘翅目昆虫基因组进化提供了新视角。特别值得注意的是，研究中发现的77个扩张基因家族中包含多个可能参与木质素降解的酶类基因，这些分子靶点的鉴定为开发基于RNA干扰的新型防控技术奠定了理论基础。此外，基因组中丰富的简单重复序列（11,473个）为开发种群遗传标记、追踪害虫传播路径提供了分子工具。这项成果不仅对林业害虫综合治理具有重要应用价值，也为研究昆虫与木本植物的协同进化机制提供了关键数据支撑。