中国松树枯梢病病原菌Diplodia sapinea高质量基因组测序及其系统发育与致病机制研究

推荐 为解析松树枯梢病病原菌Diplodia sapinea的致病机制与全球扩散规律，浙江农林大学研究人员通过Nanopore长读长测序结合BGI短读长测序，完成该病原菌首个染色体级基因组组装（36.81 Mb，N50=2.97 Mb）。研究发现其与D. corticola和D. seriata亲缘关系密切，并鉴定出1,611个潜在毒力基因。研究为松树病害防控提供了关键遗传资源。

　　

论文解读
研究背景与问题提出
松树作为全球重要的森林资源，其健康状况直接影响生态平衡和木材产业。然而，由Diplodia sapinea（又称Diplodia pinea或Sphaeropsis sapinea）引起的松梢枯病已成为威胁针叶树种的关键病害¹。该病原菌通常以潜伏内生真菌形式存在于健康松树中，但在干旱、高温或物理损伤等环境压力下转变为活跃的病原状态，导致枝条枯萎、生长速率下降甚至整株死亡^2-3。值得注意的是，D. sapinea具有广泛的宿主谱系，涵盖冷杉属（Abies）、落叶松属（Larix）等6个属，对全球森林生态系统构成重大威胁^4-5。尽管已有五个分离株的基因组数据公开，但由于组装质量低（碎片化严重），难以支撑深入的功能研究与分子育种工作。因此，亟需构建高质量的参考基因组以解析其致病机制并开发精准防控策略。

研究机构与方法
针对上述问题，浙江农林大学（Zhejiang A&F University）的研究团队联合上海欧易生物医学科技有限公司，采用Nanopore PromethION长读长测序与BGI DNBSEQ-T7短读长测序相结合的策略，对采自中国山东黑松（Pinus thunbergii）病枝的D. sapinea菌株ZXD319进行全基因组测序与组装。研究通过K-mer分析预估基因组大小为38.29 Mb，并利用NextDenovo完成初步组装，再经NextPolish校正及purge_haplotigs去冗余，最终获得高质量基因组（Contig N50=2,972,533 bp）。功能注释整合了NR、Swiss-Prot、KEGG等8个公共数据库，并通过Pathogen Host Interactions（PHI）数据库识别潜在毒力基因。

研究结果
基因组特征与组装质量
ZXD319基因组总长36.81 Mb，包含14个Contigs，GC含量56.80%，BUSCO完整性评分为99.5%。通过Hi-C辅助分析确认其倍性为单倍体（Haplotype proportion=96%）。短读长数据（294×覆盖度）与长读长数据（336×覆盖度）共同验证了组装的高准确性。

基因预测与功能注释
Maker2预测出11,200个蛋白编码基因（平均长度1,953 bp），占基因组总长度的58.9%。此外，还鉴定出252个非编码RNA（包括135个tRNA、56个rRNA和61个snRNA）。重复序列分析显示，串联重复序列占0.77%，散在重复序列占2.87%。

比较基因组学与系统发育
通过与Botryosphaeria dothidea等7个近缘物种的比较分析，共识别出11,568个基因簇，其中3,436个为单拷贝直系同源基因簇。基于RAxML构建的系统发育树表明，D. sapinea与D. corticola和D. seriata亲缘关系最近。

毒力基因挖掘
PHI数据库注释揭示1,611个潜在毒力基因，这些基因可能参与侵染宿主的关键过程。此外，CAZy数据库注释出2,335个碳水化合物活性酶（CAZymes），包括1,189个糖苷水解酶（GHs）和572个糖基转移酶（GTs），提示其在降解植物细胞壁中的作用。

研究结论与意义
本研究首次构建了D. sapinea的高质量参考基因组，显著提升了对该病原菌遗传多样性与致病机制的理解。鉴定出的毒力基因与CAZymes为开发分子标记辅助育种和新型杀菌剂提供了靶标。此外，系统发育分析支持D. sapinea可能通过宿主跳跃实现跨区域扩散，这为全球检疫策略的优化提供了理论依据。研究结果不仅推动了森林病理学领域的发展，也为保护全球针叶林资源提供了科学支撑。

技术方法概述
本研究采用Nanopore PromethION长读长测序与BGI DNBSEQ-T7短读长测序相结合的混合测序策略，结合NextDenovo组装、NextPolish校正及Hi-C辅助染色体挂载技术，完成高质量基因组构建。功能注释整合多数据库资源，并通过PHI数据库识别毒力基因。

研究意义再强调
D. sapinea的高质量基因组为解析其适应性进化与致病机制提供了关键资源。潜在毒力基因的挖掘有助于设计靶向防控策略，而系统发育分析揭示的传播规律则为跨境病害管理指明方向。该研究为全球森林健康维护提供了重要科学依据，彰显了跨学科合作在解决农林生物安全问题中的价值。