豆科模式植物根际共生细菌资源库：152个高质量莲藕日本莲花（Lotus japonicus）根际细菌基因组组装与功能解析

《Scientific Data》：High-quality genome assemblies of 152 root commensal bacteria from the model legume Lotus japonicus

本研究针对植物根际微生物组研究中高质量基因组资源匮乏的瓶颈，通过牛津纳米孔长读长测序与Illumina短读长数据的混合组装策略，成功构建了152个莲藕日本莲花根际共生细菌的高质量基因组。该研究显著提升了基因组连续性与注释完整性，解决了传统短读长组装高度碎片化的问题，为合成微生物群落构建、宿主-微生物互作机制解析及植物抗逆性研究提供了关键资源。相关数据已公开于欧洲核苷酸档案库，推动植物微生物组领域向精准化、机制化研究迈进。

　　

在植物科学领域，根际微生物组被誉为“植物的第二基因组”，其复杂性与动态性深刻影响着植物的健康、生长与抗逆能力。尤其是豆科植物，其与根瘤菌的共生固氮体系已成为研究植物-微生物互作的经典模型。然而，土壤环境中微生物的多样性极高，每克植物根部可能包含高达10¹¹个微生物，这种高度复杂的群落结构使得解析特定微生物的功能及其与宿主的互作机制变得极具挑战性。为了突破这一瓶颈，合成微生物群落（SynCom）技术应运而生，通过将分离培养的细菌按特定比例组合，在可控条件下模拟自然微生物群落，从而简化研究系统。然而，SynCom研究的有效性高度依赖于对成员细菌基因组的精准解析，而传统的短读长测序技术所产生的基因组草案往往高度碎片化，难以支撑全基因组水平的进化分析或基因功能挖掘。

以豆科模式植物莲藕日本莲花（Lotus japonicus）为研究对象，其根际细菌资源库Lj-SPHERE此前已通过Illumina短读长测序初步构建。尽管这些数据可用于细菌群落的组成分析，但其基因组质量较低，连续性差，限制了深入的功能基因组学研究。为了解决这一问题，研究团队在《Scientific Data》上发表了题为“High-quality genome assemblies of 152 root commensal bacteria from the model legume Lotus japonicus”的研究论文，旨在利用长读长测序技术提升Lj-SPHERE基因组的质量。

研究团队从Lj-SPHERE资源库中筛选出177个代表性细菌分离株，这些菌株是通过全基因组核苷酸相似性比较（使用FastANI工具）从更广泛的集合中遴选出的独特基因组。对这些菌株进行重新培养后，提取高分子量DNA，并采用牛津纳米孔技术（ONT）MinION平台进行长读长测序。同时，整合已有的Illumina短读长数据，对其中四个测序质量不足的样本进行了重新测序。随后，研究人员开发了一套自动化的混合组装流程（HA.py），该流程首先对Illumina和ONT读长进行质控，接着使用SPAdes和LoRDEC分别校正短读长和长读长数据，再利用Flye进行ONT数据的长读长组装，最后通过Unicycler进行混合组装。组装后的基因组经过严格的质量评估，包括使用Quast评估连续性指标（如N50、L50），使用CheckM评估基因组完整性与污染程度，并使用BUSCO评估基因集的完整性。只有达到NCBI原核基因组注释标准（完整性≥90%，污染<5%，且包含完整的5S、16S、23S核糖体RNA基因）的基因组才被用于后续注释。

基因组组装与质量评估结果显示，152个细菌基因组成功通过混合组装达到高质量标准。与原始的Illumina组装相比，混合组装在保持相近基因组完整性的同时（Wilcoxon检验p=0.9906），显著提升了基因组的连续性（N50值大幅提高）并降低了污染率。GC含量在两种策略间的一致性（p=0.6322）表明组装结果源于同一分离株，验证了数据的可靠性。

分类学分析显示，这152个基因组主要属于变形菌门（Proteobacteria，n=132），其次是放线菌门（Actinobacteria，n=14）、厚壁菌门（Firmicutes，n=4）和拟杆菌门（Bacteroidetes，n=2）。在科水平，伯克霍尔德氏菌科（Burkholderiaceae，n=58）、根瘤菌科（Rhizobiaceae，n=17）、假单胞菌科（Pseudomonadaceae，n=17）和柄杆菌科（Caulobacteraceae，n=11）占主导。与基于16S rRNA基因的初步分类相比，新分类结果在属水平有较高一致性，但27个基因组发生了属级变动，其中15个被重新归类为姐妹属。此外，58个基因组实现了种水平鉴定，极大提升了Lj-SPHERE资源库的分类学分辨率。

质粒预测分析在108个含多条contig的基因组中展开，使用geNomad、PLASMe、Plasmer和PlasmidHunter四种工具进行联合预测。结果共在31个基因组中鉴定出80个质粒contig，为后续研究细菌的可移动遗传元件及其在适应性进化中的作用提供了线索。

本研究成功构建了152个高质量、完整注释的莲藕日本莲花根际细菌基因组，显著提升了Lj-SPHERE资源库的科研价值。这些基因组数据已公开于欧洲核苷酸档案库（ENA），为植物微生物组研究提供了关键资源。其意义在于：首先，高质量基因组支持更精准的宏基因组分析、基因簇鉴定、比较基因组学和基因组挖掘；其次，为合成微生物群落（SynCom）的理性设计提供了可靠参考，助力于揭示微生物-微生物及微生物-宿主互作的具体分子机制；最后，为研究细菌基因组进化、全基因组突变等前沿课题奠定了坚实基础，推动了植物微生物组研究从描述性向机制性范式的转变。