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又一水稻T2T基因组发表，粳稻模式品种中花11，遗传研究的福音！

来源：花匠小妙招时间：2025-09-10 23:51

中花11号（ZH11）作为一种重要的粳稻（Oryza sativa ssp. japonica）模式品种，因其高效的遗传转化能力和广泛的适应性而被广泛应用于水稻研究。然而，此前发布的ZH11基因组组装仍存在25个缺口，未能达到完整水平。

本研究旨在利用最新的长读长测序技术——PacBio HiFi（提供高精度）和Oxford Nanopore（ONT，提供超长读长），结合Hi-C、Bionano光学图谱等辅助技术，实现对ZH11基因组的端粒到端粒（T2T）水平组装，以期获得一个完整、高质量且具有广泛实用价值的水稻参考基因组资源，服务于水稻功能基因组学、比较基因组学和育种研究。

文章内容:

1. 组装策略与初步评估

研究团队综合利用了多种测序数据：约60倍覆盖度的PacBio HiFi数据（23.02 Gb）、102倍覆盖度的ONT长读长数据（56.7 Gb）、60倍覆盖度的Illumina短读长数据（24.96 Gb）、以及Hi-C（42.59 Gb）、Iso-seq（1.89 Gb）、转录组（101 Gb）和Bionano光学图谱（246 Gb）数据（见文末附表S1）。初始组装使用ONT和Illumina数据（NextDenovo和NextPolish），产生了包含17个重叠群的草图（377.78 Mb）。移除叶绿体和线粒体来源的2个重叠群后，得到包含15个重叠群的基因组版本（ZH11 1.0，377.05 Mb），并通过Hi-C锚定到12条染色体上（见文末附表S2, S3）。初步评估（BUSCO 98.47%, CEGMA 93.15%, Bionano验证）显示该版本已具高完整性，但仍存留2个缺口（约264.6 kb未锚定序列）。

为追求真正的T2T水平，研究团队利用新生成的PacBio HiFi数据进一步优化组（约60x覆盖度），结合原有的ONT长读长，采用Hifiasm进行混合组装。随后使用Hi-C数据（Lachesis）将产生的重叠群锚定成染色体支架（13个重叠群对应12条染色体）。剩余的1个关键缺口最终通过ONT超长读长（Quartet算法）成功填补，并在所有染色体末端添加了端粒重复序列，从而实现了真正的T2T组装（T2T-ZH11），大小为379.33 Mb（图1A）。组装质量通过多种指标验证：Illumina和HiFi数据映射率均>99.9%，覆盖度>99.89%；BUSCO评估（Embryophyta库）完整性达99.01%（1560个单拷贝，38个重复）；CEGMA评估显示458个核心真核基因99.56%完整（图1C, D）。利用FindTelomeres和TIDK工具成功预测到所有24个端粒（每条染色体两端）和12个着丝粒的位置（图1E）。值得注意的是，与另一个T2T水稻品种日本晴（Nipponbare, T2T-Nip）相比，T2T-ZH11第9号染色体的着丝粒位置存在显著偏移，这一差异通过CENH3抗体的ChIP-seq实验得到了独立验证。Bionano光学图谱数据也进一步证实了组装的准确性和连续性。与之前版本（ZH11 1.0）的比较揭示了T2T组装带来的实质性提升。

T2T组装填补缺口与序列新增将T2T-ZH11与ZH11 1.0进行共线性分析（MSCanX软件）显示，两个先前存在的缺口被成功填补。一个位于第5号染色体末端（~30 Mb位置），另一个位于第11号染色体中部（~12 Mb位置）（图1F）。这两个缺口的填补为基因组增加了约2.29 Mb的新序列。尤为重要的是，在第5号染色体缺口区域新鉴定出一个基因Osa05G046820，其表达通过RNA-seq数据得到证实，凸显了T2T组装在发现新基因元件方面的优势。

2. 高质量基因组指标与重复序列注释

T2T-ZH11组装表现出高精确度，共识质量值（QV）达到49.49。长末端重复反转录转座子（LTR-RT）组装指数（LAI）评估结果为21.61（图1G），表明其达到了基因组组装的“黄金标准”（LAI > 20），质量与T2T-Nip相当。对基因组重复序列的注释揭示了大量转座元件（TEs），共鉴定出410,952个TEs，总长174.07 Mb，占基因组大小的45.89%。此外，还注释了18.09 Mb（4.77%）的串联重复序列。

3. 基因注释与功能验证

综合运用Iso-seq全长转录本、RNA-seq数据和同源蛋白信息，对T2T-ZH11基因组进行基因结构预测，共注释出56,948个基因。为了评估T2T-ZH11作为参考基因组的实用性和相对于其他参考（如T2T-Nip）的优势，研究团队利用已发表的147.56 Gb水稻根部单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据进行分析。结果显示，scRNA-seq数据比对到T2T-ZH11的映射率（94.70%）显著高于比对到T2T-Nip的映射率（81.3%）（图1H）。

此外，使用T2T-ZH11作为参考时，分析得到的每个细胞的唯一分子标识符（UMI）中位数（25,739 vs 25,935）和检测到的基因中位数（1,808 vs 1,818）与T2T-Nip相当，但检测到的总基因数更多（37,797 vs 36,891）（图1I, J）。基于T2T-ZH11的UMAP分析同样清晰地解析了水稻根部的14个细胞类群（图1K），效果与T2T-Nip参考相当（图1L）。

利用公共组学数据（如ATAC-seq, RNA-seq, DNA甲基化数据）进行的进一步比较也证实，使用T2T-ZH11作为参考时，数据的映射率、覆盖度和可检测到的峰（如开放染色质区域）数量均有提升。通过对比水稻基因组注释项目（Rice Genome Annotation Project）的数据，在T2T-ZH11中鉴定出13,389个与转座子相关的基因（>85%相似度）。值得注意的是，有9,365个基因在T2T-ZH11中的序列与MSU7.0（另一常用参考）中的相应基因相似度低于90%，其中一些基因（如Osa01G001700）包含在MSU7.0中缺失的特异插入序列）。

4. 群体遗传学应用验证

为了验证T2T-ZH11在遗传研究中的实用性，研究团队利用RiceVarMap2数据库中的533份水稻品种资源（包含超过4百万个SNP位点）进行了全基因组关联分析（GWAS），分别以抽穗期和粒重为目标性状。使用T2T-ZH11作为参考进行GWAS分析（图1M），成功检测到已知控制抽穗期的主效基因Hd1（位于第6号染色体）的显著关联信号，其结果与使用T2T-Nip参考获得的结果（图1N）一致。同时，在粒重分析中也成功检测到位于第8号染色体上的已知位点GW8的显著信号。此外，利用最大似然法（MCMCtree）估计了这533个品种及野生稻（Oryza rufipogon）的分化时间，结果符合预期，即野生稻的分化早于栽培稻。这些分析证明了T2T-ZH11在群体遗传研究中作为参考基因组的有效性和可靠性。

5. 数据资源整合与共享

研究人员整合了T2T-ZH11参考基因组及其相关注释信息（与T2T-Nip、MSU7.0等参考基因组并列），建立了一个在线资源平台（CROPTILLING网站：www.croptilling.com/ZH11）（图1O），为水稻研究界提供了一个便捷的访问入口。该网站集中展示了T2T-ZH11及其与其他重要参考基因组的比较信息。

总结：

本研究成功利用PacBio HiFi和Oxford Nanopore长读长测序技术，结合Hi-C、Bionano等辅助手段，首次完成了粳稻重要模式品种中花11号（ZH11）的端粒到端粒（T2T）水平的高质量基因组组装（T2T-ZH11），大小为379.33 Mb。该组装填补了之前版本中的25个缺口，新增约2.29 Mb序列（包括新基因），并通过了严格的BUSCO（99.01%）、CEGMA（99.56%）、高QV值（49.49）、LAI指数（21.61，达黄金标准）及多种组学数据（scRNA-seq, ChIP-seq, Bionano, GWAS等）的综合验证，证明了其高度的完整性、准确性和实用性。

文章亮点：

1. 首个ZH11的T2T组装：填补了该关键模式品种基因组的所有缺口，首次提供其完整染色体序列。

2. 双技术协同组装：创新性地结合PacBio HiFi（高精度）和ONT（超长读长）技术优势，有效攻克复杂重复区域，实现高质量组装（高QV、高LAI）。

3. 功能元件全面解析：精确鉴定了所有24个端粒和12个着丝粒的位置，并新发现基因（如Osa05G046820）。

4. 优越的实用性验证：通过scRNA-seq、GWAS等多组学分析，证明T2T-ZH11作为参考基因组在转录组分析、单细胞图谱构建、群体遗传研究中的性能优于或等同于其他顶级参考（如T2T-Nip），尤其对基于ZH11背景的研究具有不可替代的优势。

5. 重要资源开放共享：所有组装和注释数据已公开，并整合到CROPTILLING在线平台，为全球水稻研究界提供了宝贵的基因组资源，将极大促进水稻功能基因组学、分子育种和进化研究。

原文链接：

https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(25)00225-1

来源：组学大讲堂

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