《The Plant Genome》：A chromosome-level genome assembly of Solanum brevicaule (PI 473011) Y1-5, a wild potato relative with robust resistance to potato cyst nematodes
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马铃薯胞囊线虫（PCNs），包括Globodera rostochiensis和Globodera pallida，是全球公认的检疫性害虫，如果不加以控制，可对马铃薯（Solanum tuberosum L.）造成严重的产量损失。部署宿主抗性仍然是控制PCN最
马铃薯胞囊线虫（PCNs），包括Globodera rostochiensis和Globodera pallida，是全球公认的检疫性害虫，如果不加以控制，可对马铃薯（Solanum tuberosum L.）造成严重的产量损失。部署宿主抗性仍然是控制PCN最有效、经济且环境可持续的策略。美国马铃薯基因库（USPG）保存了丰富的野生马铃薯种质资源，为发现针对PCN的新型抗性提供了宝贵资源。在本研究中，研究人员从USPG中鉴定出一个Solanum brevicaule克隆（PI 473011；命名为Y1-5），该克隆对两种PCN物种均表现出强抗性。研究人员利用PacBio高保真（HiFi）测序技术对Y1-5进行了全基因组测序，并生成了一个单倍型解析的基因组组装，单倍型1和单倍型2的基因组大小分别为763.49 Mb和764.93 Mb。重复元件约占基因组的65%，而基因预测鉴定出80,021个蛋白质编码基因。在注释的基因组中，研究人员鉴定出一套完整的编码核苷酸结合和富亮氨酸重复（NLR）蛋白（介导抗病性的细胞内受体）的基因。NLR基因在4、6和11号染色体上特别富集。重要的是，研究人员发现Y1-5编码的卷曲螺旋型NLR（CNL）多于先前测序的几个野生Solanum克隆。这些发现表明，Y1-5可能作为马铃薯抗病性的有前景的新来源。开发这一基因组资源对于理解PCN抗性机制以及支持马铃薯育种工作以开发具有持久线虫抗性的品种具有重要意义。
**论文解读：抗马铃薯胞囊线虫野生近缘种Solanum brevicaule Y1-5的染色体级别基因组组装与抗病基因资源**
**研究背景与意义**
马铃薯胞囊线虫（Potato cyst nematodes, PCNs），包括Globodera rostochiensis和Globodera pallida，是全球范围内严重危害马铃薯（Solanum tuberosum L.）生产的检疫性害虫，能造成巨大产量损失。利用宿主天然抗性是最经济、有效且环境友好的防治策略。然而，已克隆的PCN抗性基因数量有限，且部分抗性已被新出现的致病型（如G. rostochiensis Ro2）所克服。美国马铃薯基因库（US Potato Genebank, USPG）保存了丰富的野生马铃薯种质资源，为挖掘新型抗病基因提供了重要来源。本研究旨在从野生种中鉴定并解析强PCN抗性的遗传基础，为马铃薯抗性育种提供新的基因资源和基因组工具。该论文发表在《The Plant Genome》。
**研究内容与结论**
研究人员从Solanum brevicaule（PI 473011）中筛选出克隆Y1-5，该克隆对G. rostochiensis的Ro1和Ro2致病型以及G. pallida均表现出强抗性（欧洲和地中海植物保护组织（EPPO）抗性评分分别为9、9、8）。随后，研究人员利用PacBio高保真（HiFi）测序和Hi-C染色质构象捕获技术，构建了Y1-5的单倍型解析染色体级别参考基因组（单倍型1：763.5 Mb；单倍型2：764.9 Mb），并通过Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs（BUSCO）和长末端重复序列（LTR）组装指数（LAI）评估确认了其高质量。基因预测共鉴定出80,021个蛋白质编码基因。基因组比较分析表明，Y1-5与其他Solanum物种（如S. tuberosum DM6.1、S. verrucosum、S. chacoense）具有广泛的染色体共线性，但S. bulbocastanum（墨西哥B基因组物种）与Y1-5的共线性较低。系统发育分析显示Y1-5与S. verrucosum亲缘关系最近。重复序列分析表明，Y1-5基因组中重复元件约占65.7%–67.0%，其中Gypsy型长末端重复（LTR）反转录转座子最为丰富。特别地，研究人员在Y1-5基因组中鉴定出1306个编码核苷酸结合（NB）结构域的基因，其中540个为卷曲螺旋型NLR（CNL），109个为Toll/白细胞介素-1受体型NLR（TNL），这些基因在4、5、6、8、10和11号染色体上富集。与先前测序的S. brevicaule PG5032、S. boliviense PG5076以及S. tuberosum DM6.1相比，Y1-5编码了更多的NLR蛋白，尤其是CNL蛋白。由于已克隆的PCN抗性基因（如Gpa2、Hero、Gro1-4）均属于NLR家族，其中CNL型基因在抗根结线虫中也起关键作用，因此Y1-5中CNL基因的富集暗示其可能成为抗PCN及其他土传病害的新基因来源。结论指出，Y1-5克隆与栽培马铃薯（S. tuberosum）具有性亲和性，可直接用于抗性性状的渐渗，其基因组资源为解析PCN抗性机制和培育持久抗性马铃薯品种提供了重要基础。
**主要关键技术方法**
研究人员从USPG获取S. brevicaule PI 473011的种子，培养成克隆Y1-5。采用PacBio HiFi测序技术（约36.9×覆盖度）和Hi-C测序（Illumina NextSeq2000 150 bp双端）进行基因组测序，使用HiFiasm进行de novo组装，YAHS管道进行Hi-C辅助染色体水平脚手架构建。通过BRAKER3和MAKER2结合Y1-5叶片和根部的转录组（Illumina NovaSeq6000）以及公共马铃薯RNA-seq数据（NCBI PRJNA657265）进行基因预测。利用RepeatModeler和RepeatMasker注释重复元件，使用NLR-Annotator和NLRtracker预测并分类NLR基因。比较基因组分析涉及S. tuberosum DM6.1、S. chacoense M6、S. verrucosum和S. bulbocastanum的基因组序列。
**研究结果（按原文小标题）**
**3.1 抗PCN筛选：** 通过罐装生物测定和盆栽生物测定，研究人员发现Y1-5对G. rostochiensis Ro1和Ro2以及G. pallida均表现强抗性，抗性评分分别为9、9、8，高于抗性对照品种Brodie（Ro2抗性）和Innovator（G. pallida抗性）。
**3.2 基因组组装与基因预测：** 基于HiFi读段和Hi-C数据，研究人员获得了单倍型解析的染色体级别组装，N50脚手架长度为57.9–59.5 Mb，BUSCO完整性为96.6%–98.1%，LAI为8.19–13.47，达到参考基因组质量。预测到80,021个蛋白编码基因，其中55.1%获得功能注释。
**3.3 共线性与系统发育分析：** Y1-5与S. tuberosum DM6.1具有广泛的染色体端到端共线性。Syri分析在两个单倍型间发现3条染色体上的倒位。系统发育树显示S. bulbocastanum最早分化，Y1-5与S. verrucosum亲缘最近。基因家族扩张/收缩分析表明Y1-5和S. verrucosum共同分支有显著基因获得（+169）。
**3.4 重复序列建模：** 重复元件占基因组的65.7%–67.0%，其中反转录元件（主要是Gypsy型LTR）占主导（约31%），其次为未分类重复（约27%）和DNA转座子（约2.2%）。
**3.5 NLR基因预测：** 利用NLR-Annotator在Y1-5中鉴定出1306个含NB结构域的基因，其中CNL（540个）和NL（285个）为主要类型。NLR基因在4、5、6、8、10、11号染色体上富集，且形成簇。与S. brevicaule PG5032、S. boliviense PG5076和S. tuberosum DM6.1相比，Y1-5编码更多的CNL蛋白，这可能为其广谱PCN抗性提供分子基础。
**总结讨论与结论**
本研究鉴定的Y1-5克隆首次被报道对G. rostochiensis和G. pallida双种具有强抗性，且其抗性水平优于部分现有抗性品种。高质量的基因组组装和系统的NLR基因注释表明，Y1-5富含CNL型抗病基因，这些基因可能位于抗性簇中，是克隆新PCN抗性基因的候选区域。基因组共线性分析揭示了马铃薯属内染色体的保守性与结构变异（如倒位），这些可能推动了适应性分化。结论部分：本研究鉴定了S. brevicaule（PI 473011）Y1-5克隆对G. rostochiensis和G. pallida均具有高抗性。研究人员生成了Y1-5的单倍型解析参考质量基因组，其完整性和连续性通过BUSCO和LAI评分得到证实，可与现有马铃薯参考基因组媲美。该组装丰富了当前马铃薯基因组资源。分析表明，Y1-5含有茄科物种典型的重复序列含量，并与其他Solanum物种保持高度染色体和基因共线性。基因注释鉴定出80,021个假定蛋白编码基因，包括1306个NB结构域编码基因。这些资源为阐明PCN抗性的分子机制奠定了基础，并代表了培育马铃薯持久抗性的宝贵基因组工具。重要的是，Y1-5克隆与栽培马铃薯（S. tuberosum）具有性亲和性，可直接将抗性性状渐渗到育种品系中。
