杨树无间隙参考基因组揭示杨柳科核型进化奥秘

本研究针对具有重要经济与生态价值的杨树物种Populus deltoides（P. deltoides），通过整合PacBio HiFi和Hi-C测序技术，首次完成其端粒到端粒（T2T）的无间隙基因组组装（395.9 Mb，27个contigs）。研究不仅纠正了既往基因组版本中的组装错误，还通过比较基因组学揭示了杨柳科共有的两次全基因组复制（WGD）事件（最近一次约44.2-57.8 Mya），并重建了杨柳科祖先核型（11条原型染色体）。该成果为解析杨柳科基因组进化动力学及杨树遗传改良提供了关键资源，发表于《BMC Biology》。

　　

研究背景与科学问题
杨树（Populus）作为北半球广泛分布的速生树种，其基因组复杂性长期困扰研究者——高杂合度、多轮全基因组复制（WGD）事件及丰富的重复序列导致传统组装技术难以获得完整参考基因组。尽管2006年首个毛果杨（P. trichocarpa）基因组发布，但现存约20个杨树基因组仍存在大量间隙，尤其在着丝粒和端粒区域。作为杨柳科（Salicaceae）关键物种，美洲黑杨（P. deltoides）的基因组不完整性严重限制了对其抗逆机制、次生代谢途径及染色体进化历史的解析。

研究设计与技术方法
南京林业大学联合多家机构，采用PacBio HiFi（84×覆盖度）、Hi-C（98×）和BGI短读长测序数据，通过Hifiasm组装结合Hi-C染色体锚定，构建了P. deltoides的T2T基因组。利用Merqury评估组装质量（QV>69），通过OrthoFinder比较17个物种的基因家族，采用WGDI分析全基因组复制事件，并基于共线性重建杨柳科祖先核型。样本来源于中国江苏南京的P. deltoides NL2-2无性系。

研究结果

1. T2T基因组特征
   组装获得395.9 Mb基因组（contig N50 22.73 Mb），包含36/38个端粒和19个着丝粒，BUSCO完整度达98.8%。线粒体基因组（802 kb）首次发现重复序列介导的构象变异。

1. 基因组进化分析
   共鉴定34,894个蛋白编码基因，其中112个为P. deltoides特有基因，富集于脱落酸（ABA）和类胡萝卜素代谢通路。扩张基因家族（186个）显著关联胁迫响应（如乳酸合成酶活性），揭示其快速生长与抗病性的分子基础。

2. WGD事件与共线性
   Ks分布显示杨柳科经历两次WGD事件，最近一次与木薯（M. esculenta）共享（Ks峰值0.255）。共线性分析发现柳属（Salix）与杨属（Populus）间存在染色体1与16的大规模重排。

1. 祖先核型重建
   推断杨柳科祖先核型（AKS）含11条原型染色体，通过末端融合（EEJ）和嵌套融合（NCF）等事件演化出现代杨树19条染色体。例如，PdChr1由AKS1/AKS10易位后与AKS8融合形成。

结论与意义
该研究不仅提供了首个杨柳科T2T无间隙基因组，更通过多组学分析揭示了WGD事件与染色体重塑如何驱动杨柳科物种分化。祖先核型重建为解析木本植物基因组进化提供了新范式，而胁迫响应基因家族的扩张为分子育种提供了靶点。研究成果将显著促进杨树抗逆品种选育及生态修复应用。