菠菜(Spinacia oleracea)端粒到端粒(T2T)基因组组装揭示Y染色体进化与着丝粒景观

　　为解决菠菜基因组组装不完整问题，中国农业科学院蔬菜花卉研究所团队通过整合PacBio HiFi、ONT超长读长等技术，首次完成菠菜YY雄性个体端粒到端粒(T2T)基因组Sp_YY_v2，填补109个缺口并纠正14处倒位。研究揭示了Y染色体性别决定基因SpRAD的进化起源，解析了着丝粒区CRM反转座子的扩张机制，为菠菜性别调控和基因组进化研究提供"黄金标准"参考。

　　

菠菜作为重要的绿叶蔬菜和性别决定机制研究的模式植物，其基因组复杂性长期困扰着科研人员。尽管2017年首次发布了染色体级别的菠菜基因组，但仍有47%序列未锚定。2023年基于纳米孔测序的Sp_YY_v1版本虽有所改进，仍存在74条未定位重叠群和109个缺口，严重阻碍了对着丝粒、端粒等复杂区域和Y染色体进化机制的研究。

中国农业科学院蔬菜花卉研究所的She Hongbing和Liu Zhiyuan等研究人员，通过整合90Gb PacBio HiFi数据、65Gb N50达100kb的ONT超长读长、30个组织RNA-seq和17Gb Iso-Seq数据，采用hifiasm和NextDenovo双策略组装，成功构建了首个无缺口的菠菜T2T基因组Sp_YY_v2。该研究不仅填补了所有技术缺口，更揭示了Y染色体性别决定区的精细结构和着丝粒的独特景观。

关键技术包括：1) 采用PacBio HiFi+ONT混合组装策略；2) 基于71个组织样本的RNA-seq验证基因结构；3) 利用133份栽培菠菜和21份野生菠菜土耳其斯坦菠菜(S. turkestanica)重测序数据解析Y染色体单倍型；4) 通过荧光原位杂交(FISH)验证着丝粒特征。

Y染色体完整图谱
研究首次获得全长205.4Mb的Y染色体(Chr4)，比Sp_YY_v1增加9.92Mb。在24.89Mb性别连锁区(SLR)中，鉴定出10.74Mb雄性特异区(YDR)含57个基因，其中新发现的Sp4g026740.1(SpRAD)编码234bp小MYB蛋白，在雄蕊早期发育阶段特异性高表达(P<0.01)，可能通过不同于六倍体柿树的机制调控性别决定。分子钟分析显示SpRAD起源于菠菜四倍体(S. tetrandra)分化后(~4.6 Mya)，证实了近期祖先物种的性别决定系统更替事件。

Y染色体群体进化
基于14,248个Y特异SNP构建的系统发育树将70份栽培菠菜分为YG1(亚洲群体SOLG1)和YG3(欧洲群体SOLG2)，而9份土耳其斯坦菠菜与部分栽培菠菜聚为YG2，暗示种间基因渗透。FST分析显示假常染色体区(pPAR)和SLR的分化程度显著高于重组区(rPAR)，印证了重组抑制加速遗传变异积累的理论。

着丝粒动态景观
通过CRM反转座子探针定位发现6个着丝粒区(平均2.1Mb)，富含Gypsy型反转座子(占83.5%)，其中Retand(41%)和CRM(22%)为优势亚型。染色体1/3/4的着丝粒区基因密度异常高(55.5%为CRM相关基因)，且与CRM拷贝数显著正相关(R=0.9)，这些基因84.1%编码逆转录酶，可能通过"自助机制"促进CRM扩增。甲基化分析显示着丝粒区CHG/CHH甲基化水平显著低于侧翼区，与棉花研究一致但不同于辣椒。

该研究不仅提供了首个植物XY性别系统T2T参考基因组，更建立了着丝粒研究的新范式。发现SpRAD可能通过新型机制调控性别决定，为菠菜育种提供分子靶点；揭示CRM反转座子与宿主基因的协同进化机制，丰富了着丝粒动态理论。基因组数据已存储于国家基因组科学数据中心(CRA020566)，将为蔬菜作物基因组研究和分子设计育种提供重要资源。