水稻是全球範圍內重要的糧食作物之一，尤其在亞洲和非洲地區，它是數十億人口的主要食物來源，在農業發展中具有舉足輕重的地位。然而，水稻在生長過程中常面臨害蟲的威脅，害蟲通常通過取食葉片、吸食汁液或傳播病毒等方式影響水稻的健康和產量，持續危害水稻生產和可持續農業發展。
2024年8月28日，浙江大學昆蟲科學研究所科研團隊在國際期刊Scientific Data上在線發表了題為Chromosome-level genome assembly from a single planthopper Nilaparvata muiri (Hemiptera: Delphacidae)的文章，該文利用單頭昆蟲個體（3-5mm）完成了高質量的飛虱 Nilaparvata muiri 基因組組裝， 為我們理解飛虱N. muiri和N. lugens之間的基因組差異，揭示與寄主選擇、飲食偏好和適應策略相關的關鍵基因提供了重要的理論資源。
浙江省水稻生物學與育種重點實驗室，浙江大學昆蟲科學研究所劉卓琦博士和浙江師範大學生命科學學院朱平陽教授為共同第一作者。浙江省水稻生物學與育種重點實驗室，浙江大學昆蟲科學研究所徐海君教授和浙江省農業科學院植物保護與微生物學研究所徐紅星研究員為共同通訊作者。鸿运国际(中国)為共同作者，同時提供昆蟲微量三代建庫、測序和基因組組裝分析服務。
飛虱是水稻的主要害蟲之一，通過刺吸水稻汁液，導致作物衰弱，嚴重時可引發水稻條紋葉枯病等重大病害，甚至造成大面積減產。因此，研究水稻與飛虱之間的關係，以及開發有效的飛虱防治策略，對於保障水稻產量和糧食安全至關重要。然而，並非所有的飛虱種類都對水稻構成威脅。Nilaparvata muiri 是一種常見的飛虱種類，體型較小（3-5毫米），廣泛分佈於中國南部、日本、韓國和越南的稻田區域。Nilaparvata muiri表現出與褐飛虱不同的取食行為和特定的寄主植物偏好，因此，這一新穎的基因組資源有望對水稻飛虱的防治提供有力支持。
圖 N. muiri與N. lugens的表型區別[1]
研究亮點
利用單頭昆蟲完成了染色體級別的高質量基因組組裝
為研究飛虱的寄主偏好和適應性演化提供了新的視角
研究結果
基因組大小評估（流式+Survey）
研究人員基於20個雄性成蟲的頭部製備了核懸浮液，使用果蠅（Drosophila melanogaster）作為參考物種，流式細胞術結果顯示，N. muiri雄性基因組大小約為505.145Mb，比果蠅基因組大約2.864倍。其次，從40隻雄性中收集樣本，使用基於k-mer的Survey分析法對基因組大小進行估算，選擇K為19，結果顯示N. muiri的基因組大小約為440.793Mb。Survey結果略小於流式的估算值，這可能是由於N. muiri的高度雜合性（2.6%）所導致的，這在昆蟲中是常見現象。
圖 Nilaparvata muiri的基因組組裝結果[1]
基因組De novo（微量建庫）
研究人員基於單頭成年雄性Nilaparvata muiri 進行HiFi 文庫構建，首先利用PBS對樣本進行清洗並解剖去除腸道，其次基於提取獲得的20ng DNA進行微量建庫，文庫目標插入片段約為10 Kb，接着使用PacBio Revio 平台測序獲得78.89Gb的 HiFi數據，並通過hifasm 和HaploMerger2 進行基因組de novo 組裝，最終得到的基因組大小為531.60Mb。最後，利用30隻雄性個體進行Hi-C文庫構建和測序，通過Juicer 和YahS 軟件將基因組掛載到染色體水平，並用Juicebox進行可視化。最終基因組大小為531.62Mb，contig N50 為2.47Mb，96.61%的contigs被定位到15條偽染色體上，完整Busco基因評估為97.7%。
基因組注釋（轉錄組測序）
為輔助基因注釋，研究人員對Nilaparvata muiri的卵、各齡期若蟲（1至5齡）、成蟲雌雄個體的轉錄組進行了測序。此外，還從七種代表性組織（觸角、頭部、脂肪體、消化道、外骨骼、卵巢、睾丸）中提取了總RNA進行測序，獲取的數據用於輔助注釋。研究人員共鑑定出168,166,532bp（占基因組的31.63%）的重複序列，其中27.09%為TEs；預測出總計22,057個蛋白質編碼基因，其中95.69%的蛋白質編碼基因在功能注釋數據庫中有顯著匹配；基因組特徵方面，平均基因長度、編碼序列（CDS）和內含子長度分別為10.68 Mb、1.56 Mb和8342.15 bp。
圖 基因組組裝的工作流程[1]
同源與系統發育分析
研究人員從NCBI中獲取褐飛虱（Nilaparvata lugens）的基因組數據，與N. muiri進行共線性比較，結果顯示，在總共46,958個基因中，19,143個基因（約40.77%）被識別為共線性基因，這表明N. muiri與N. lugens之間存在顯著的染色體共線性。同時，研究人員從InsectBase 2.0數據庫下載了包括N. lugens在內的14種半翅目昆蟲的蛋白質序列，共鑑定出24,960個同源基因家族，涵蓋323,572個基因。系統發育分析顯示N. muiri和N. lugens聚為單一分支，屬於半翅目（Auchenorrhyncha）內的一個類群，大約在114.9萬年前分化。總之，這些結果對於理解N. muiri與其他半翅目昆蟲的演化關係，以及它與N. lugens的親緣關係和分化歷史具有重要意義。
圖 共線性和系統發育分析[1]
研究結論
本文利用PacBio HiFi 和Hi-C 技術完成了飛虱 Nilaparvata muiri單頭個體的染色體級別基因組組裝。結果顯示，該飛虱的基因組大小為531.62 Mb，contig N50為 2.47 Mb，scaffold N50為38.37 Mb，且96.61% 的序列已錨定在15個假染色體上，共預測了22,057個蛋白質編碼基因。與其他14種半翅目昆蟲的比較表明，N. muiri和N. lugens約在11.5百萬年前分化。這項研究不僅提供了寶貴的基因組資源，幫助理解飛虱的適應性演化和寄主偏好差異，還為未來水稻害蟲管理策略提供了科學依據。
參考文獻
[1]Liu ZQ, Zhu PY, Xu NT, Wan Y, Zhang JL, Zhou X, Ye YX, Xu HX, Xu HJ. Chromosome-level genome assembly from a single planthopper Nilaparvata muiri (Hemiptera: Delphacidae). Sci Data. 2024 Aug 28;11(1):937. doi: 10.1038/s41597-024-03812-0.
