高质量基因组组装揭示了双壳孢菌（Diplocarpon coronariae）中由LTR逆转录转座子驱动的真菌进化结构动态

《Molecular Ecology Resources》：High-Quality Genome Assembly of Diplocarpon coronariae Unveils LTR Retrotransposon-Driven Structural Dynamics in Fungi Evolution

长末端重复逆转录元件（LTR-RTs）是真菌基因组演化的关键驱动因素，本研究通过PacBio测序和Hi-C技术组装了苹果黑腐病菌（Diplocarpon coronariae XN1）的全基因组，并构建了高精度转录本注释。结果表明，LTR-RTs的快速插入导致新染色体Chr15的演化，其基因家族扩张和结构变异显著，且XN1基因组质量优于其他已测序菌株。讨论了LTR-RTs在染色体形成、基因家族演化及结构变异中的作用机制。

　　在真菌基因组的进化过程中，长末端重复逆转录转座子（LTR-RTs）作为一类重要的可移动遗传元件，其对基因组结构和功能的塑造作用引起了广泛的关注。尽管已有大量研究探讨了LTR-RTs在植物和动物中的功能，但其在真菌中的作用机制仍存在许多未解之谜。本文通过高质量的基因组组装和精确的转录组注释，对一种重要的植物病原真菌——苹果叶斑病菌 *Diplocarpon coronariae*（菌株XN1）进行了深入研究，揭示了LTR-RTs在基因组层面的演化贡献，并首次识别出一个年轻且独特的染色体Chr15，为理解真菌染色体和基因组结构的形成机制提供了新的视角。

### 基因组的结构与功能

真菌的染色体在进化过程中通常保持稳定，但在某些情况下，大规模的染色体重排和新染色体的形成也可能发生。目前，已知的新染色体形成机制主要包括染色体融合和不对称减数分裂。然而，研究者们仍然在探索是否存在其他形成机制。LTR-RTs因其能够通过RNA中间体介导的“复制-粘贴”机制进行转座，从而实现基因组的快速扩增和结构变化，成为基因组进化的关键驱动因素之一。在某些真菌中，LTR-RTs已被证实能够导致基因结构的变化，促进病原性进化，例如在 *Verticillium dahlia* 和 *Magnaporthe oryzae* 中，LTR-RTs通过其广泛的分布和频繁的插入，影响基因表达模式和染色体结构。

为了深入了解LTR-RTs在真菌中的作用，本研究对 *D. coronariae* XN1菌株进行了全基因组的高精度组装，并通过转录组证据和人工校正，构建了完整的转录组注释。这种高精度的基因组和转录组信息不仅为后续研究提供了基础，也使得我们能够更清晰地识别LTR-RTs在基因组演化中的具体作用。通过对基因组和转录组数据的整合，研究团队发现LTR-RTs不仅在基因组的结构变化中发挥了重要作用，还参与了物种特异性基因家族的形成和基因家族的扩张。此外，通过跨物种比较，我们还发现了一种新的染色体Chr15，该染色体在XN1菌株中存在，可能源于保守的拓扑关联域（TADs）并随着LTR-RTs的爆发式插入逐渐扩展，形成全新的染色体。

### 基因组组装与注释

为了获得高精度的基因组和转录组信息，研究团队采用了第三代测序技术，如PacBio和Oxford Nanopore，实现了 *D. coronariae* XN1菌株的全基因组组装。这种技术能够提供长读长数据，有助于克服传统短读长测序技术在重复序列和复杂区域组装中的局限性。通过Hi-C数据的辅助，研究团队进一步将基因组组装提升至“端对端”（T2T）水平，确保了染色体的完整性，并明确了染色体之间的相互作用模式。

此外，研究团队还对 *D. coronariae* 的多个菌株进行了基因组组装比较，发现XN1菌株的组装质量显著优于其他菌株。XN1不仅拥有完整的染色体和端粒，还具有较高的基因注释完整度（98.6%），而其他菌株的组装质量则参差不齐，部分染色体未被完全组装，端粒和着丝粒信息缺失。这些结果表明，XN1菌株的基因组组装不仅在结构上更加完整，也在功能注释上具有更高的准确性，为后续研究提供了高质量的参考。

### LTR-RTs与基因组结构演化

研究发现，LTR-RTs在 *D. coronariae* 的不同菌株中对基因组的结构和序列演化起到了显著的促进作用。通过SNP和结构变异（SV）分析，我们发现LTR-RTs在快速演化的基因组区域中高度富集，而这些区域的基因密度较低，突变压力也较弱，使得SNP在这些区域中得以长期保留。这表明LTR-RTs在基因组演化过程中可能起到了“基因调控区”的作用，通过其插入和复制，改变了基因的表达模式和结构特征。

在基因家族分析中，研究团队发现LTR-RTs不仅促进了物种特异性基因家族的形成，还推动了保守基因家族的扩张。通过比较基因组学分析，研究团队进一步验证了LTR-RTs在基因组结构变化中的关键作用，并提出了一个新颖的假说：新的染色体并非由旧染色体的融合或断裂形成，而是由LTR-RTs对保守TAD片段的大规模插入和扩增所产生。这一发现挑战了传统上认为染色体形成主要依赖于染色体融合或减数分裂的观点，为真菌染色体的形成机制提供了新的解释。

### 染色体Chr15的形成机制

在所有研究的菌株中，Chr15仅在XN1菌株中被完整组装。该染色体具有双端的端粒序列，并且在基因组中占据了显著的比例（约89.27%）。这表明Chr15可能是一个相对年轻的染色体，其形成与LTR-RTs的爆发式插入密切相关。通过Hi-C数据的分析，研究团队进一步发现Chr15的结构特征与TAD区域密切相关，其基因分布和TAD边界特征均显示了染色体的动态演化过程。

此外，研究还发现Chr15上的14个基因中，仅有两个基因被注释为具有已知功能（如蛋白酶和逆转录酶），其余基因的功能尚不清楚。这些基因在菌丝体和感染阶段均表现出高表达水平，暗示其可能在病原体的感染过程中发挥了重要作用。通过比较Chr15与其他染色体的基因分布和功能特征，研究团队进一步提出，Chr15的形成机制与其他染色体不同，可能涉及TAD区域的保守片段被LTR-RTs插入并扩增，最终形成完整的染色体结构。

### 基因功能与进化意义

除了结构演化，LTR-RTs在基因功能的演化中也扮演了重要角色。通过基因家族分析和功能注释，研究团队发现LTR-RTs不仅影响了基因的结构变化，还可能通过其插入和复制，改变了基因的表达模式和调控机制。例如，在 *D. coronariae* 中，某些基因家族的扩张与LTR-RTs的插入密切相关，而这些基因家族可能在病原性、宿主适应性和基因表达调控方面具有重要功能。

此外，研究还发现LTR-RTs的插入可能促进了基因家族的分化，使得某些基因在不同菌株中表现出不同的表达模式。这种分化可能有助于真菌适应不同的宿主环境，并增强其在特定感染阶段的病原性。例如，DcHET基因家族的扩张可能与LTR-RTs的插入有关，这些基因可能在真菌的生长发育和感染过程中发挥关键作用。

### 染色体形成的新机制

本研究提出了一个新颖的假说：新的染色体并非由旧染色体的融合或断裂形成，而是通过LTR-RTs对保守TAD片段的大规模插入和扩增所产生。这一机制与传统观点不同，为真菌染色体的形成提供了新的理论依据。此外，研究还发现Chr15上的非保守基因主要分布在TAD边界区域，而这些区域可能在染色体形成过程中扮演了重要角色。

在其他真菌中，LTR-RTs也被发现参与了染色体的形成和结构变化。例如，在 *Colletotrichum* 属真菌中，LTR-RTs的插入和复制导致了染色体的快速分化，而在 *D. coronariae* 中，这种分化可能通过不同的机制实现。Chr15的形成过程表明，LTR-RTs的插入和扩增可能成为染色体形成的重要驱动力，而不仅仅是基因组的扩展。

### 研究意义与未来方向

本研究不仅揭示了LTR-RTs在真菌基因组演化中的关键作用，还提出了一个新的染色体形成机制。这一发现为理解真菌染色体的形成和演化提供了新的视角，并可能对其他真菌物种的染色体演化研究产生启发。此外，研究团队还开发了一种新的基因组注释方法，结合Iso-Seq和ssRNA-Seq数据，实现了高精度的基因结构注释，为后续的基因组功能研究奠定了基础。

未来的研究可以进一步探讨LTR-RTs在不同真菌物种中的演化机制，并验证其在染色体形成和基因组结构变化中的普遍性。此外，随着更多真菌基因组的发布，可以利用比较基因组学方法，进一步分析LTR-RTs在不同物种间的分布模式和演化轨迹，从而揭示其在真菌进化中的广泛作用。同时，对于Chr15的形成机制，仍需更多的实验验证，以确定其是否具有普遍性或仅限于特定的真菌种类。

综上所述，本研究通过高精度的基因组组装和转录组注释，揭示了LTR-RTs在真菌基因组演化中的重要作用，并提出了一个新颖的染色体形成机制。这些发现不仅加深了我们对真菌基因组结构和功能的理解，也为未来的真菌基因组研究提供了新的方向和工具。