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为解决多年生作物受锈菌侵害问题，研究人员对侵染北美草原植物 Silphium integrifolium 的锈菌 Puccinia silphii 开展基因组研究。结果发现其基因组最小且基因有独特变化。该研究为控制病原菌及了解锈菌进化提供依据。
在全球人口持续增长和气候变化的大背景下，农业面临着诸多严峻挑战。粮食短缺和全球粮食不安全问题日益突出，这在一定程度上是由气候变化引发的严重作物病害流行、干旱等因素导致的。多年生作物在全球粮食生产中占据重要地位，然而，它们却面临着比一年生作物更严重的病害压力，因为无法进行年度轮作，病原菌容易在组织和植物残体中积累。
锈菌（Puccinia）是一类极具破坏力的作物病原菌，在全球范围内引发了多次作物疫情，造成了巨大的损失。Puccinia silphii 是一种专门感染 Silphium integrifolium 的锈菌，而 Silphium integrifolium 是北美洲草原的本土植物，目前正被驯化为耐旱的多年生油料作物。但 Puccinia silphii 的侵染严重影响了 Silphium integrifolium 的产量和质量，给其驯化工作带来了很大阻碍。为了深入了解这种锈菌的生物学特性，更好地应对其对作物的威胁，来自美国科罗拉多大学、明尼苏达大学等研究机构的研究人员对 Puccinia silphii 展开了研究，相关成果发表在《BMC Genomics》上。
研究人员运用 PacBio HiFi 测序技术对 Puccinia silphii 进行基因组测序，并通过 Hifiasm 软件进行从头组装，使用 Blobtools 对组装结果进行分类筛选，最终获得了高质量的染色体级基因组组装。同时，利用多种生物信息学工具进行基因预测、重复序列注释以及比较基因组学分析。
基因组组装和质量评估
研究人员从感染 Puccinia silphii 的 Silphium integrifolium 组织中提取 DNA，构建 PacBio HiFi 文库进行测序。最初的组装结果显示基因组大小为 2.37 Gb，包含 74,691 个 contigs。经过分类筛选，去除非担子菌（Basidiomycetes）的 contigs 后，最终得到的组装基因组大小为 41.7 Mb，由 164 个 contigs 组成。其中 16 条染色体级别的 contigs 两端均有端粒，表明这些可能代表完整的染色体。该基因组的 BUSCO 完整性评分达到 92.1%，是目前已组装的 Puccinia 属基因组中最高的，这充分证明了此次基因组组装的高质量。
重复序列和基因预测
在 Puccinia silphii 的基因组中，约 25.42% 的序列被注释为重复元件，其中长末端重复序列（LTR）中的 mdg-4/Ty3 占 4.58%，还有部分未知的 LTR 和其他类型的重复序列。研究人员通过 BRAKER3 和 Funannotate 两种方法进行基因预测，BRAKER3 预测出 10,399 个蛋白质编码基因，而 Funannotate 预测出 7,357 个，前者与其他已发表的 Puccinia 属基因组注释结果更为接近，因此后续分析以 BRAKER3 预测的基因为准。
比较基因组学和功能富集
研究人员将 Puccinia silphii 与其他 5 种 Puccinia 属锈菌进行比较基因组学分析。结果显示，Puccinia silphii 的基因组大小在比较中最小，但其 BUSCO 评分最高。在系统发育树中，Puccinia silphii 位于一个独立的分支，与其他几种锈菌的进化关系较远。通过分析共享的直系同源基因簇，发现所有分析的 Puccinia 属锈菌中有 3937 个核心直系同源基因簇，而 Puccinia silphii 缺失的基因数量较多，且缺失基因在功能上主要富集在减数分裂 DNA 复制起始、调控等相关通路。同时，Puccinia silphii 在一些功能上也有所增强，如氮循环、大分子代谢和细胞生物合成等。
综合来看，Puccinia silphii 的基因组具有独特性，其较小的基因组大小和不寻常的基因组内容，为研究锈菌的进化和致病机制提供了重要线索。此次研究首次完成了微小循环锈菌的染色体级基因组组装，有助于深入了解锈菌的生命史、生理和系统发育多样性。并且，该研究为控制 Puccinia silphii 对新兴多年生作物 Silphium integrifolium 的侵害提供了潜在的靶点，对保障作物产量和质量具有重要意义。此外，研究中发现的基因丢失和功能变化等现象，也为后续研究锈菌的进化和适应机制奠定了基础。
