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为解决胞囊线虫（Cyst nematodes）研究中基因组数据稀缺、难以深入了解其寄生机制及生物安全风险等问题，研究人员开展了对 6 种 Heterodera 属胞囊线虫的基因组测序、组装和评估研究。结果得到了 6 种线虫的草图基因组，明确了部分物种分类及基因特征等。该研究为胞囊线虫研究提供重要基础，助力农业生物安全管理。
在广袤的土壤世界里，线虫家族可是一支不容小觑的 “大军”。其中，植物寄生胞囊线虫更是农业领域的 “大麻烦”，它们能把卵藏在坚固的胞囊里，在恶劣环境中顽强存活，悄无声息地啃噬植物根部，给农作物带来严重的经济损失。就拿澳大利亚来说，多种 Heterodera 属胞囊线虫肆意侵害小麦、大麦等重要作物，让当地农业苦不堪言。
一直以来，科学家们都在努力攻克胞囊线虫带来的难题。然而，研究过程困难重重。一方面，与其他植物寄生线虫（PPNs）相比，Heterodera 属胞囊线虫的全基因组数据少得可怜。另一方面，它们的基因组结构复杂，富含重复 DNA 序列，而且获取高质量的高分子量 DNA 也极为不易，这些都严重阻碍了深入研究。为了打破这些困境，来自澳大利亚等多个研究机构的研究人员挺身而出，开展了一项意义非凡的研究。
研究人员从澳大利亚本土以及国外采集了 6 种 Heterodera 属胞囊线虫（H. australis、H. avenae、H. filipjevi、H. humuli、H. mani 和 H. trifolii）的胞囊样本。他们运用 Illumina NovaSeq 短读测序平台，对每个物种 50 个胞囊的基因组 DNA 进行测序和组装，最终获得了 6 种线虫的草图基因组。
这项研究成果发表在《BMC Genomics》上，具有极其重要的意义。它为胞囊线虫的基础生物学研究提供了宝贵的数据基础，也为整个线虫学领域的研究人员提供了丰富的资源。借助这些基因组数据，科学家们可以开发出诊断标记，实现对胞囊线虫物种的快速精准鉴定，还能深入比较不同物种基因组的相似性，进一步探索它们的进化和生活方式机制，为制定更有效的农业生物安全策略提供有力支持。
研究人员开展研究时用到的主要关键技术方法有：从野外土壤样本中采集胞囊作为样本，提取基因组 DNA 并进行分子鉴定；构建 Illumina 文库并测序；利用多种生物信息学工具，如 fastp、GenomeScope、SPAdes 等对测序数据进行质量检测、基因组大小估算、组装和质量评估；通过 Augustus 软件进行基因组注释，利用 BLAST + 等工具进行系统发育分析和同源基因簇分析等。
研究结果
- Illumina 短读测序分析：对 6 种 Heterodera 属胞囊线虫进行 Illumina 短读测序后发现，不同物种的测序产量存在差异，尽管输入的 DNA 浓度相近，但测序得到的总读取数和质量在物种间有所不同。经过筛选，读取长度和质量发生变化，同时利用 kmer 方法估算出各物种的基因组大小。此外，对组装的草图基因组进行分析发现，其长度、N50 值、GC 含量以及基因组完整性等指标在不同物种间也存在差异。
- 注释和系统发育分析：研究人员对 6 种线虫的草图基因组进行注释，发现预测的蛋白质编码基因数量超过了参考基因组 H. carotae，这可能与草图基因组的碎片化有关。通过分析 hsp90、mt COI 和 28 S rRNA 基因区域的核苷酸序列进行系统发育分析，揭示了不同 Heterodera 属物种间的亲缘关系。例如，发现 Avenae 和 Sacchari 组之间、Humuli 组和 H. salixophila 物种之间关系密切等。此外，研究还对 Avenae 物种组内的同源基因簇进行分析，发现了物种间共享和独特的基因特征，进一步明确了它们的亲缘关系。
- 宏基因组分析：对 50 个胞囊的宏基因组分析显示，胞囊携带多种细菌群落，其中 Proteobacteria 在多个物种中占主导地位。研究还首次在澳大利亚 H. humuli 的基因组数据中发现了 Wolbachia 序列，并对其进行了基因组组装和分析。通过平均核苷酸同一性（ANI）分析，确定了澳大利亚 wHhum 分离株与其他 Wolbachia 物种的亲缘关系，发现其与美国 H. humuli 中的 Wolbachia 分离株关系密切，但可能是不同菌株。
研究结论和讨论
本研究表明，50 个胞囊是测序 Heterodera 属线虫草图基因组的合适样本量，这些基因组数据可用于诊断和澳大利亚生物安全相关研究，同时也能揭示其相关微生物群落信息。虽然目前的草图基因组存在一定局限性，但为后续研究提供了重要基础。未来利用长读技术测序将提升基因组质量，增强其应用价值。此外，本研究首次在胞囊线虫中发现 Wolbachia，为探索其在胞囊线虫生物学中的功能打开了新的大门，有望为线虫管理策略提供新的思路，通过利用这些内共生菌实现生物防治，从而更好地保护农业生产，保障全球粮食安全。
