格林氏图克托草基因组图谱揭示加州季节性池塘两栖禾草的进化适应与保护意义

《Journal of Heredity》：A genome assembly of Greene’s tuctoria, Tuctoria greenei, an amphibious endemic and endangered California vernal pool grass

本研究针对濒危加州季节性池塘特有两栖禾草格林氏图克托草(Tuctoria greenei)基因组资源匮乏的现状，通过PacBio HiFi和Omni-C技术构建了首个染色体级别的二倍体基因组组装（包含两个单倍型：2.59 Gb/2.58 Gb），其支架N50达216.09 Mb，BUSCO完整性达96.8%。该基因组证实了n=24的染色体数目，为研究禾本科Cynodonteae族Orcuttiinae亚族的适应性进化、基因流模式及濒危机制提供了关键工具，对加州中央山谷湿地生态系统的保护决策具有重要指导意义。

　　

在加州中央山谷短暂存在的季节性池塘中，孕育着一类独特的生命奇迹——它们能在冬春积水的淹没状态下萌芽，又在夏季干涸的龟裂土地上繁茂生长。这类被称为Orcuttiinae亚族的禾草，包括格林氏图克托草(Tuctoria greenei)等9个物种，是验证植物水生到陆生适应性演化的"活化石"。然而随着加州95%以上的季节性池塘因城市扩张和农业开发而消失，这些特化物种的生存空间被严重压缩，格林氏图克托草自1997年起被列入美国濒危物种名录，现存种群仅存31个且多数呈现衰退趋势。

面对栖息地碎片化与气候变化双重压力，物种保护亟需基因组学层面的支撑。传统研究仅能通过微卫星标记等有限手段评估遗传多样性，无法揭示适应性基因库的时空动态变化。为此，加州保护基因组计划(CCGP)联合多个研究机构，在《Journal of Heredity》发表了首个格林氏图克托草染色体级别参考基因组，为解析这一濒危物种的进化潜力与保护策略提供了关键数据基础。

研究团队采用多组学技术联合作战策略：首先从维纳平原保护区的种子库培育幼苗，通过CTAB法提取高质量高分子量DNA；利用PacBio Sequel IIe平台生成23倍覆盖度的HiFi长读长数据（平均读长13,765 bp），结合Dovetail Omni-C技术捕获染色质空间互作信息；采用HiFiasm进行二倍体分相组装，再通过SALSA支架构建与HiGlass可视化校正，最终获得包含12条染色体的两个单倍型基因组。基因组注释采用NCBI真核生物注释流程，并单独组装了133.7 kb的叶绿体基因组。

基因组特征分析

通过k-mer频谱分析预估基因组大小为2.56 Gb，杂合率仅0.01%。最终组装版本lpTucGree1中，单倍型一包含599个支架（支架N50为216.09 Mb），单倍型二包含451个支架（支架N50为213.15 Mb）。

Omni-C互作图谱清晰显示出12个染色体区块的对角线结构，证实了早期细胞学研究的2n=24结论。基因组质量评估显示BUSCO完整性达96.8%，碱基质量值(QV)为63.3，框架移位 indel QV为44.91，均达到参考基因组标准。

功能注释成果

基于多组织转录组数据（叶、茎、花、根）和同源比对，共注释出33,566个基因，Poales目BUSCO完整性达96.1%。叶绿体基因组注释显示典型四部分结构（LSC区80,712 bp，IR区20,110 bp），包含299个基因。通过BLAST+过滤去除核基因组中叶绿体同源序列，确保组装纯净度。

这项研究不仅填补了Orcuttiinae亚族基因组资源的空白，更建立了濒危物种保护与基因组技术融合的范本。基因组数据揭示的染色体结构稳定性，为后续研究种群历史动态、杂交事件提供了基线框架；高连续性组装使得通过标本DNA追溯已灭绝种群基因特征成为可能。值得注意的是，格林氏图克托草2.59 Gb的基因组大小远高于近缘物种Neostapfia colusana（2.21 Gb），这种基因组扩张背后的进化驱动力值得深入探索。

作为加州保护基因组计划的重要组成部分，该基因组与已发布的蝌蚪虾(Lepidurus packardi)、仙女虾(Branchinecta spp.)等季节性池塘生物基因组形成生态系统级数据网络，有望通过多物种比较基因组学揭示湿地特异化适应的共性规律。随着气候变化加剧水文波动，这份"遗传蓝图"将指导种子库建设、栖息地修复等保护实践，为维系加州生物多样性热点提供科学锚点。