著絲粒分析助力玉米Mo17基因組完整組裝

      2023年6月15日，中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院、國家玉米改良中心、玉米生物育種全國重點實驗室賴錦盛教授團隊以題為“A complete telomere-to-telomere assembly of the maize genome”在國際知名期刊Nature Genetics《自然·遺傳學》上在線發(fā)表了玉米全基因組所有染色體端粒到端粒完整無間隙組裝結果，在復雜動植物基因組中第一個實現(xiàn)真正意義上的全基因組完整無間隙組裝。該研究是復雜基因組組裝領域工程技術研究的重大突破，攻克了復雜動植物基因組組裝的最后一道難題，是基因組組裝和基因組學研究的一個重要里程碑。

本世紀初，多國科學家共同參與的被譽為生命科學“登月計劃”的人類基因組草圖公布。盡管并不完整，卻在生物醫(yī)學領域產(chǎn)生了深遠的影響，同時也極大推動了基因組學的發(fā)展。隨后，擬南芥、小鼠、水稻、玉米等幾百個物種的參考基因組序列草圖相繼公布。然而由于基因組的復雜性，特別是大量重復序列的存在，組裝過程中大量高度相似的DNA序列碎片難以被正確的還原到準確的基因組位置上，使得參考基因組存在大量未知的“空白”區(qū)域。很長時間來，實現(xiàn)一個物種所有染色體從端粒到端粒（T2T）都完整無缺的基因組組裝是基因組學研究人員遙遠的夢想。

近年來，經(jīng)過數(shù)十個研究機構的近百名科學家組成的國際科研團隊（T2T聯(lián)盟）的共同努力，基于只含單個親本基因組的細胞系（不含Y染色體），完成了完整的無間隙的人類單親本細胞系基因組序列組裝（不含Y染色體），朝著完成真正的完整人類基因組組裝邁進了一大步。同時，在植物基因組學領域，多個相對比較小的模式物種基因組（擬南芥、水稻等）的大部分染色體實現(xiàn)了T2T的完整無間隙組裝陸續(xù)發(fā)表，但絕大部分基因組依然存在不同程度的未組裝區(qū)域。迄今為止，包括人類、擬南芥和水稻等在內(nèi)，還沒有一個復雜動植物基因組（基因組比較大，包含幾百或幾千個以上核糖體DNA拷貝）實現(xiàn)全基因組所有染色體的完整無間隙組裝。

玉米是世界范圍內(nèi)的重要作物，其基因組組裝對玉米基礎研究和分子育種均有重要意義。同時，玉米也是經(jīng)典的復雜基因組研究的模式植物。自2009年玉米基因組草圖公布以來，已有近50個不同玉米自交系基因組被組裝。然而，由于玉米基因組大（與人類基因組相近），且擁有超過80%的重復序列，目前已報道的玉米基因組都存在數(shù)百或數(shù)千個“空白”區(qū)域未被解析。

Mo17自交系是經(jīng)典的玉米雜種優(yōu)勢群Lancaster群的代表。Mo17自交系及其衍生材料在我國玉米生產(chǎn)中被廣泛應用。賴錦盛教授團隊以Mo17自交系為材料，綜合利用了約237×的ONT Ultralong和約69.4×的Pacbio HiFi測序數(shù)據(jù)，完成了最新的玉米基因組組裝，其大小為2,178.6 Mb，每條染色體的端粒到端粒均由一條完整連續(xù)的序列組成，堿基精確度超過99.99%。最新的組裝不僅在過去高質(zhì)量組裝的基礎上增加了1029個基因，還解鎖了玉米基因組中結構最為復雜、從未被組裝的基因組空白區(qū)。這是首個完整的、無間隙的玉米基因組序列，也是首個所有染色體都完整組裝的復雜動植物基因組。

                     圖1. Mo17基因組完整組裝

完整Mo17基因組的組裝，使人們第一次有機會對玉米基因組組裝中最具挑戰(zhàn)性區(qū)域的序列和結構特征一探究竟。大部分植物擁有上千個45S rDNA。通過完整組裝，研究人員發(fā)現(xiàn)玉米的核仁組織區(qū)長達26.8 Mb，包含有2,974個45S rDNA拷貝，其區(qū)域內(nèi)rDNA復制和轉座子插入模式高度復雜。在此之前，植物中核仁組織區(qū)完整組裝的物種僅含有數(shù)十個45S rDNA拷貝。另外，研究人員還發(fā)現(xiàn)玉米基因組內(nèi)存在主要由TAG三核苷酸重復組成的超長簡單序列富集區(qū)，長度可達1.56 Mb，包含近30萬個TAG拷貝，其中連續(xù)的TAG重復序列最長達235 kb。此外，對完整基因組組裝的分析也揭示了大量存在于不同著絲粒間和不同亞端粒區(qū)的基因組序列和結構變異。這些研究結果對進一步理解高等植物基因組復雜性和功能具有重要意義。

圖2. 玉米核仁組織區(qū)基因組結構和45S rDNA拷貝數(shù)