揭示碎米莎草（Cyperus iria）染色体水平基因组奥秘，助力杂草治理与研究新突破

在农业生产中，杂草严重影响作物产量，碎米莎草（Cyperus iria）是危害水稻的恶性杂草且其基因组未公布。为此，研究人员完成其染色体水平基因组组装。结果显示基因组大小 479.08 Mb，含 47,395 个蛋白编码基因。该成果为其分子生物学研究和治理提供资源。

　　在农业的大舞台上，杂草就像一群捣乱的 “小怪兽”，严重威胁着农作物的生长。它们与作物争夺阳光、养分、水分和空间，导致作物产量下降、品质降低。据统计，在各类农作物害虫中，杂草造成的作物减产最为严重，比如在小麦、大豆、水稻、玉米、棉花和土豆的种植中，杂草导致的潜在减产分别可达 23%、37%、37%、40%、36% 和 30%，平均减产幅度高达 34%，远超动物害虫和病原体的影响。

随着全球人口的不断增长和资源的日益减少，如何有效治理杂草成为了一项至关重要且极具挑战的任务。从进化的角度来看，杂草拥有丰富的遗传变异和可塑性，能够比作物更快地适应环境变化，迅速适应新的环境因素、农业技术和除草策略。然而，在传统的分子生物学和基因组分析领域，杂草的遗传特征却一直未得到应有的重视。目前已知的 2847 种杂草中，仅有约 26 种进行了测序和从头基因组组装。

碎米莎草（Cyperus iria），作为莎草科的一年生植物，凭借其 C₄光合系统和纤维根系，在热带和亚热带地区肆意生长。它繁殖能力超强，每株能产生 3000 - 5000 颗种子，且生命周期短，这使得它迅速成为全球范围内危害水稻生产的主要杂草，在 22 个国家的稻田里 “横行霸道”。据报道，在整个作物生长周期中，碎米莎草的侵害可使水稻减产 64%；在水稻生长的前 30 天，它与水稻的竞争会导致水稻减产高达 12.9%，前 40 天则减产可达 43.5%。

更糟糕的是，为了控制碎米莎草，人们大量使用化学除草剂，这使得碎米莎草逐渐对一些除草剂产生了抗性，如对 ALS（乙酰乳酸合成酶）抑制剂吡嘧磺隆、氯吡嘧磺隆和五氟磺草胺等。但目前，其抗药性在分子层面的机制还知之甚少。此外，碎米莎草作为一种传统中药，具有一定的药理作用，然而其基因组和遗传信息却极为有限，这严重阻碍了对它的分子和遗传研究。

为了攻克这些难题，浙江大学生物技术研究所的研究人员勇挑重担，开展了对碎米莎草染色体水平基因组的研究。他们的研究成果发表在《Scientific Data》上，为这一领域带来了新的曙光。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，采集了浙江湖州的碎米莎草种子，在浙江大学紫金港校区的实验温室中种植，采集新鲜幼叶。利用 CTAB 法提取高质量基因组 DNA，构建 Illumina 双端文库、PacBio SMRTbell 文库和 Hi - C 文库，并分别在相应的测序平台上进行测序。其次，通过多种软件进行基因组调查，如用 Jellyfish 软件进行 k - mer 分析，Smudgeplot 软件估计倍性水平。然后，使用 Hifiasm 软件进行基因组组装，HiC - Pro 软件和 3D - DNA 工具将基因组组装提升到染色体水平，并用 Racon 软件进行优化。最后，采用多种预测方法对基因组进行注释，包括重复序列、非编码 RNA 和蛋白编码基因的预测。

研究结果

1. 基因组特征：通过 k - mer 分析（k = 19），估计碎米莎草基因组大小为 520.28 Mb，杂合率为 0.08%，重复率为 47.23%，属于简单基因组。Smudgeplot 分析表明其为二倍体。最终组装得到的基因组大小为 479.08 Mb，contig N50 为 7.02 Mb，GC 含量为 35.64%。99.65% 的组装基因组被锚定到 68 条假染色体上，染色体长度在 3585826 bp（Chr54）到 10521918 bp（Chr66）之间。
2. 基因组注释：研究发现，碎米莎草基因组中 37.69% 为重复序列，其中 LTR（长末端重复序列）占 8.95%，Gypsy 是主要的 LTR 类型（5.85%），其次是 Copia（2.69%）。共鉴定出 2355 个非编码 RNA 基因，包括 599 个 rRNA、985 个 tRNA 和 771 个其他非编码 RNA。预测得到 47395 个蛋白编码基因，平均基因长度为 2762.5 bp，约 93.26% 的蛋白编码基因得到了功能注释。
3. 技术验证：将校正后的高质量 Illumina reads 与组装基因组序列比对，比对率达到 99.25%，平均测序深度为 215×，20× 及以上的序列深度占 99.78%。BUSCO 分析显示，基因组组装的完整性高达 95.11%，基因集完整性为 96.28%。LTR Assembly Index（LAI）值为 9.77，Hi - C 相互作用热图表明染色体水平基因组组装完整且可靠。

研究结论与讨论

这项研究成功完成了碎米莎草染色体水平的基因组组装，为深入了解碎米莎草的生物学特性提供了全面的基因组信息。这些数据不仅有助于揭示其快速繁殖、环境适应和除草剂抗性的分子机制，为开发更有效的杂草治理策略奠定了基础；还为研究其作为传统中药的药理作用提供了遗传依据，推动了相关药物研发。

从更广泛的角度来看，该研究为杂草基因组学领域提供了重要的参考，有助于深入理解杂草的进化和适应机制，为全球农业生产中的杂草治理提供了新的思路和方法，对保障粮食安全和农业可持续发展具有重要意义。未来，基于这些基因组数据，有望开发出更精准、环保的除草技术，在不影响作物生长的前提下，更好地控制碎米莎草等杂草的危害，让农作物在健康的环境中茁壮成长，为农业的发展注入新的活力。