珊瑚近端粒到端粒单倍型基因组组装揭示基因扩张的进化过程与单倍型多样性

本研究针对基因家族扩张的进化机制这一关键科学问题，通过构建两种鹿角珊瑚（Acropora tenuis和A. digitifera）近乎完整的端粒到端粒（T2T）单倍型基因组，首次系统揭示了非共线性区域（nSRs）作为基因家族扩张"蓄水池"的重要功能。研究人员采用PacBio HiFi和Omni-C测序技术，结合hifiasm算法完成高质量单倍型分型组装，发现nSRs中富含通过非等位同源重组（NAHR）介导的串联复制事件形成的谱系特异性基因扩张（如TPR-CHAT、NACHT等免疫相关基因），其表达模式和序列多样性显著高于共线性区域。该成果发表于《DNA Research》，为理解基因组可塑性如何驱动环境适应性进化提供了新范式。

　　

珊瑚作为海洋生态系统的基石生物，其独特的固着生活方式和与虫黄藻的共生关系，使其面临病原体侵袭和环境波动的双重压力。尽管前期研究发现珊瑚基因组中存在大量免疫相关基因（如NLR、TLR）的扩张现象，但基因拷贝数增加的进化机制及其维持方式仍是未解之谜。更关键的是，传统基因组组装技术难以区分单倍型间的结构变异，导致对基因组动态进化过程的认识存在盲区。

为破解这些难题，日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）的Takeshi Takeuchi、Yoshihiko Suzuki等联合团队在《DNA Research》发表了近乎完整的T2T单倍型基因组研究成果。通过比较两种鹿角珊瑚（Acropora tenuis和A. digitifera）的单倍型内和种间基因组，首次系统鉴定出跨度达数兆碱基的非共线性区域（non-syntenic regions, nSRs），发现这些区域通过串联复制驱动了谱系特异性基因家族扩张，其基因库的多样化为珊瑚适应环境压力提供了进化优势。

研究采用PacBio HiFi长读长测序（覆盖度42-83×）和Omni-C染色质构象捕获技术，利用hifiasm算法构建单倍型分型组装，经SALSA和Juicebox校正后获得N50达33 Mbp的染色体级 scaffolds。通过MCScanX分析共线性，定义含<15%同源基因的500 kb窗口为nSRs。结合RepeatMasker和DeepTE注释转座元件，采用InterProScan和BUSCO评估基因功能及完整性，并通过RNA-seq和Ka/Ks分析揭示基因表达与进化分歧。

基因组组装揭示单倍型差异
研究获得A. tenuis和A. digitifera的28条染色体级scaffolds（对应二倍体14对染色体），其中99%序列位于scaffolds内，QV值达68.6。端粒序列（TTAGGG）_n在多数scaffolds末端被检出，最长延伸达20 kb。单倍型比较显示34-39%基因组区域呈现非共线性，这些nSRs显著富集转座元件（如Copia、Sola-3），但单拷贝直系同源基因（SCOs）仅5.8%位于nSRs，表明核心功能基因受强烈纯化选择。

nSRs作为基因扩张的温床
TPR-CHAT结构域基因在珊瑚中呈现爆发式扩张（A. tenuis含276个拷贝），其TPR重复长度（31-3,832 AA）远超海葵Nematostella vectensis（111-1,036 AA）。分子系统学显示，位于chr10 nSRs的TPR-CHAT基因在两珊瑚种间形成独立分支，证实种特异性扩张。类似地，糖基转移酶（glycos_transf_1）与NACHT或LRR结构域组合的基因在chr5/8/11的nSRs中独立扩张，暗示模块化进化策略。

染色体6的协同扩张现象
A. tenuis chr6的nSRs同时存在细胞色素P450（PF00067）、磺基转移酶（PF00685）和磷脂酶（PF02230）基因家族的扩张，而对应区域在A. digitifera中仅存1-4个拷贝。该区域还富集Copia和Sola-3转座子，系统发育分析表明这些元件通过串联复制而非转座活动扩增。Ka/Ks分析显示nSRs内基因的Ks值（~0.35）显著高于共线性区域（Ks<0.05），且表达相关性（r=0.056-0.246）远低于共线性基因对（r=0.666-0.995），提示功能分化。

研究提出非等位同源重组（NAHR）介导的串联复制是nSRs形成的关键机制：转座子插入提供同源重组位点，通过不等交换或断裂诱导复制（BIR）途径实现局部扩增。nSRs的长期存在（至少5,000万年）表明其并非临时状态，而是维持种群遗传多样性的"战略储备"。这种基因组架构使珊瑚能快速扩展免疫防御（如NLR）、环境应答（如HSP20）和共生调控（如FPs）相关基因库，通过单倍型组合进一步放大适应性潜能。

该研究建立的T2T单倍型基因组范式，为理解基因家族扩张的进化动力学提供了普适性框架。nSRs作为"进化实验室"的发现，不仅解释了珊瑚环境适应性的遗传基础，也为其他生物（如珍珠贝、斑马鱼）中观察到的类似现象提供了统一解释。未来通过比较不同生态型珊瑚的nSRs动态，或将揭示环境选择压力与基因组可塑性的定量关系。