近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所王桂荣课题组联合崔鹏课题组，在国际顶级期刊Nature Communications上发表了题为“Telomere-to-telomere genome assembly of the Dipteran Bactrocera dorsalis from a single individual”的研究论文。

该研究结合PacBio HiFi测序与Oxford Nanopore超长测序技术，成功完成了世界性农业害虫——橘小实蝇（Bactrocera dorsalis）的端粒到端粒（Telomere-to-Telomere, T2T）基因组组装。首次系统解析了双翅目昆虫着丝粒与端粒的序列结构与染色体特异性分布模式，更揭示了性染色体的多系起源、Y染色体特异性功能基因，以及嗅觉受体基因的大规模串联复制在行为适应中的关键作用，研究团队鉴定并验证了多个关键分子靶标。研究为理解双翅目昆虫的染色体进化、性别决定机制以及开发基于基因组学的靶向害虫防控策略提供坚实基础。

英文标题：Telomere-to-telomere genome assembly of the Dipteran Bactrocera dorsalis from a single individual
发表期刊：Nature Communications
影响因子：15.7

研究背景

橘小实蝇，属于双翅目、离腹寡毛实蝇属果蔬害虫，寄主范围超过150种植物，已扩散至全球75个国家。尽管已有多个橘小实蝇基因组草图发布，但由于性染色体和重复序列区域的组装困难，目前参考基因组均未能达到T2T级别。完整的T2T基因组对于阐明害虫入侵适应性、性染色体演化机制以及开发不育昆虫技术等精准防控手段具有不可替代的价值。

主要研究结果

研究团队成功建立了一套适用于小体型昆虫的单个体T2T基因组组装方案。该研究从单只雄性橘小实蝇个体中提取微量DNA，构建了PacBio HiFi low input文库，获得了19.55 Gb HiFi数据。同时，利用近交系混样制备Oxford Nanopore超长文库（94.79 Gb，N50 100K）和Hi-C文库，结合这些数据，最终获得了大小为596.16 Mb、包含5条常染色体和完整的X、Y性染色体、gap-free的T2T水平参考基因组。组装质量评估显示，其染色体QV在37.47-49.17；BUSCO为99.57%。与此前基于混合样本组装的版本相比，T2T基因组额外发现了199个新基因。

橘小实蝇T2T基因组图谱构建

研究团队首次系统解析了橘小实蝇基因组中着丝粒与端粒的组成，鉴定了三类核心的着丝粒卫星单体（cenSats），分别为BdoSat1、BdoSat2和BdoSat3，这三类卫星序列长度在全基因组中总计占42.98 Mb。其中，BdoSat3表现出强烈的性染色体偏向性，主要富集于X和Y染色体的着丝粒区域，而BdoSat1和BdoSat2则主要分布于常染色体，研究团队通过荧光原位杂交（FISH）实验实验验证了这一分布模式。

进一步分析发现，这些卫星序列细分为七种具有染色体分布特异性的亚型，说明不同染色体着丝粒可能经历独立进化的轨迹。研究发现，在端粒结构方面，常染色体末端由一段528 bp的简单重复单元构成，而性染色体的端粒则呈现出更为复杂的结构，富集了大量rDNA串联重复序列，并与R1等非LTR逆转录转座子交织。既往研究结果证明，在果蝇中，位于性染色体异染色质区的rDNA簇被认为可通过抑制染色体间重组来维持X和Y染色体的结构完整性和介导非随机姐妹染色单体分离。通过对性染色体上的比对分析显示，48%的ONT reads比对到rDNA，因此研究团队推测，在橘小实蝇基因组中这种重复序列结构，同样可能对维持性染色体稳定性和介导非随机姐妹染色单体分离具有重要作用。

着丝粒区域结构特征与着丝粒微卫星序列亚型分布

研究团队组装了大小为67.73 Mb的X染色体和7.17 Mb的Y染色体，并分别注释得到了578个和52个基因。转录组分析显示，X染色体长臂上的基因在雄性外周组织中活跃表达，而短臂及着丝粒附近基因表达较低，说明这些基因的表达可能存在独特的剂量补偿机制。尤为重要的是，该研究在Y染色体上鉴定到一个特异性高表达基因BdoYG000019，该基因编码ATP合酶β亚基（ATPsynβ），该基因在雄性所有检测的外周组织中均持续高表达。系统进化分析表明，该Y染色体特异性基因可能起源于X染色体上的一个同源拷贝，这一发现表明，ATPsynβ在Y染色体上可能具有出了支持求偶、长距离飞行等雄性特异性生理活动的新功能。

橘小实蝇性染色体结构与基因分布特征

昆虫化感受体超家族是真核生物中数量最多且功能最为多样的基因家族之一，在害虫防护相关研究中起到重要的作用，因此研究团队对橘小实蝇嗅觉受体基因家族进行了鉴定，共鉴定出110个气味受体（OR）基因，其数量远超黑腹果蝇，这可能与橘小实蝇广泛的食性相适应。

进一步分析发现，超过50%的OR基因以串联重复簇的形式存在，拷贝数从2个到10个不等。随后，研究聚焦于已知的甲基丁香酚（ME）受体基因BdorOR88a，发现其在基因组上形成一个包含三个高度同源成员的串联重复簇，序列一致性超过92%，并检测到基因家族成员间能形成嵌合转录本。为探究其功能机制，研究采用CRISPR/Cas9技术敲除了高表达的BdorOR88a1和a2拷贝。行为学实验结果表明，与野生型相比，敲除突变体雄蝇对ME的趋化行为显著减弱，但其触角电位（EAG）反应并未完全消失，结合转录组分析结果，排除了低表达拷贝BdorOR88a3的功能补偿的可能性。综合上述结果证明，BdorOR88a在介导ME导向的吸引行为中起作用，但ME的完整感知可能涉及更复杂的嗅觉受体网络。

橘小实蝇嗅觉受体基因家族鉴定及BdorOR88a对ME响应的功能分析

总结

本研究为橘小实蝇研究提供了T2T级别的基因组图谱，揭示了其着丝粒与端粒的染色体特异性结构，阐明了性染色体复杂多样的进化起源，系统解析了嗅觉受体基因家族通过串联复制扩张以适应广泛寄主的分子机制。为未来开发基于性别决定通路和嗅觉干扰的新型、精准害虫防控策略奠定了坚实的理论基础。

参考文献：
Liu W, et al. Telomere-to-telomere genome assembly of the Dipteran Bactrocera dorsalis from a single individual. Nat Commun. 2025.