锈菌是一类重要的植物病原真菌，造成多种农林病害，比如侵染主要粮食作物的小麦条锈病，玉米南方锈病、玉米普通锈病等。锈菌营专性活体寄生，生活史复杂，通常包含五种类型的孢子（夏孢子、冬孢子，担孢子、性孢子和锈孢子），除担孢子外，其他孢子均以双核体形式存在。锈菌平均单核基因组达380 Mb，远大于真菌界的平均基因组大小（37 Mb）。此外，锈病基因组的重复序列含量高达30% ~ 90%，这些特征对锈菌高质量基因组组装形成了巨大挑战，阻碍了基于组学的锈菌系统演化和植物-病原菌互作研究。
近日，蔡磊团队以造成玉米南方锈病的多堆柄锈菌（Puccinia polysora f.sp. zeae）为对象，基于HiFi和Hi-C数据构建了适用于双核、二倍体或多倍体的单倍型基因组拼装策略，成功将多堆柄锈菌双核基因组拆分并组装到具有双端端粒的染色体水平。多堆柄锈菌双核基因组达1.71 Gb, 两个单核分别为850 Mb，各包含18条染色体，是迄今组装到染色体水平的最大真菌基因组（图1）。与近缘物种相比，多堆柄锈菌基因组扩张了7-10倍，重复序列占比高达85%，但重复序列的扩张并未影响其与近缘物种的全局基因共线性。此外，多堆柄锈菌在1.7 Mya时发生了TE大爆发，可能是其应对更新世气候变冷，祖先寄主（热带植物大刍草）群体衰落，增加变异从而维持自身群体生存的策略。
图1. 多堆柄锈菌双核拆分组装流程（A）及基因组特征（B）
同时，这一研究基于萌发孢子以及6个侵染时间点的精细转录组，将多堆柄锈菌双核分别注释23,270和24,242个基因，预测获得1,183和1,251个分泌蛋白，划分为7个表达谱，其中2-5号表达谱可作为无毒基因筛选库，为抗病育种和植物-病原菌互作研究提供了高价值的数据。此外，该研究利用全基因组SNPs揭示了我国多堆柄锈菌群体已分化出高毒谱系, 携带AvrRppCA和AvrRppCJ高致病基因型，可以克服80%以上抗病品种抗性，因此发掘新的抗南锈基因迫在眉睫（图2）。
图2. (A) 多堆柄锈菌分泌蛋白表达谱. (B) 中国多堆柄锈菌群体分化. (C)无毒基因AvrRppC基因型分化
相关研究结果已在线发表于Molecular Ecology Resources,题为“Haplotype-phased and chromosome-level assembly ofPuccinia polysora, a giga-scale fungal pathogen causing southern corn rust”。梁俊敏副研究员为第一作者，蔡磊研究员为通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、科技部基础资源调查专项项目和中科院战略生物资源计划的支持。
相关论文链接：
/doi/10.1111/1755-0998.13739
编辑排版 | 陈玉文
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