项目文章丨籼稻IR64完整基因组组装为基因组学与育种研究提供宝贵资源

2025年11月19日，安徽农业大学农学院黎珉副教授、河北农业大学崔彦茹副教授团队和中国农业科学院作物科学研究所王文生研究员合作，在Journal of Genetics and Genomics上发表题为“Complete genome assembly of the Xian rice variety IR64 as a valuable source in genomics and breeding research”的研究论文，该研究完成了首个IR64的T2T完整基因组组装，为水稻功能基因组学和分子育种研究提供了高质量的基因组资源。万摩科技承担了本研究的测序和分析相关工作。

（1）高质量T2T-IR64基因组组装与注释

本研究基于PacBio HiFi数据（26.32Gb, ~67×）、ONT超长读长数据（62.71Gb, N50 60Kb, ~159×）、Hi-C数据（151.65Gb, ~384×）和短读长数据（48.00Gb, ~122×），成功组装得到了IR64的完整T2T基因组组装（AHAU-1.0），组装大小394.5 Mb，contigN50高达32.2 Mb，包含12条无缺口染色体，并完整解析了24个端粒和12个着丝粒（图1A）。测序数据回比基因组，覆盖率分别为短读长99.84%、HiFi 99.80%、ONT 100%；测序数据一致性QV值46；BUSCO评估完整性达99.57%；以上基因组组装评估指标，证实了组装的准确性与完整性。

T2T-IR64与 IR64 v1.0（367 Mb）（Tanaka et al., 2020）、gapless-IR64（387.6 Mb）（Qin et al., 2021）相比，基因组大小分别增加了6.97%和1.75%。比IR64 v1.0新增的约27 Mb序列中，5.5%位于着丝粒区域，84.9%是转座元件，2.7%位于端粒区域。与gapless-IR64相比，T2T-IR64将contigN50提高了12.1 Mb，并填补了27个gap。比gapless-IR64新增的约7 Mb序列中，29.8%的序列位于着丝粒区域，95.2%是TEs，20.4%的序列位于端粒区域（图1C-E），涉及28个潜在功能基因。

T2T-IR64基因组中重复序列占54.98%，其中以长末端重复反转录转座子（LTR/Gypsy）为主导（图1B）。研究首次精确解析了着丝粒区域的序列组成，发现其94.37%为串联重复和转座元件，并含有122个功能基因，主要富集在DNA整合、钙离子结合等通路。通过与水稻着丝粒数据库比较，发现4.84%的序列为IR64特有，揭示了品种特异性。通过整合多组织转录组数据，共注释出41,880个蛋白编码基因，较IR64 v1.0和gapless-IR64，蛋白编码基因数量分别增加13.1%和2.7%，T2T组装对基因注释完整性有显著提升作用。

图1 籼稻基因组T2T-IR64的组装特征及应用前景。A：T2T-IR64组装特征的示意图。包含contig、端粒和着丝粒分布；B：T2T-IR64的基因组特征圈图；C–E：T2T-IR64与gapless-IR64相比，染色体长度差异、填补的缺口区域和序列的类型分布；F：34个水稻参考基因组基因家族花瓣图；G：34个水稻参考基因组胁迫适应相关的六个基因家族比较；H：T2T-IR64和T2T-NIP之间的共线性和结构变异分布；I：T2T-IR64染色质环圈图，从内到外依次为：染色质环、基因密度和染色体；J：T2T-IR64三维结构预测图。

（2）水稻系统比较基因组分析

利用IR64-T2T和33个代表性的高质量水稻基因组进行了系统的比较基因组分析，共包含63,642个基因家族，其中核心基因家族有13,267个，而每个材料平均特有的独特基因家族为16.5个（图1F）。分析显示，T2T-IR64所包含的基因家族数量显著多于大多数水稻基因组。

研究选取了6个与水稻胁迫适应性功能相关的基因家族（LRR-Kinases、NLR、MYB、NAC、bZIP和HSF）进行深入分析。发现T2T-IR64在全部6个基因家族的基因数量上都多于20个参考基因组，尤其是bZIP和MYB基因家族（图1G）。此外，T2T-IR64自身还包含32个独特基因家族，这些基因家族的功能主要富集在肽酶活性和离子结合两个方面。这种遗传特征可能与IR64在热带亚洲地区具有广泛适应性高度相关。

研究通过对34个水稻基因组进行系统发育分析，重建了水稻的进化历程，揭示了一系列关键的分化事件。在T2T-IR64基因组中，223个基因家族显著扩张，富集于分生组织发育、内肽酶活性、脂肪酸延长和植物-病原互作；41个基因家族收缩，涉及ADP结合、防御反应、RNA聚合酶和核糖体功能。此外，262个正向选择基因富集于氧化还原酶活性、ATP水解和植物激素信号转导。这些结果揭示了T2T-IR64的进化历史和适应性分子机制，为籼稻的功能研究和育种提供了重要基因组学证据。

（3）遗传变异与共线性分析

为评估T2T-IR64基因组在遗传变异分析中的实用价值。以T2T-IR64为参考，与已发表IR64组装版本比对，发现大量的变异。与IR64 v1.0相比，鉴定出156,152个SNP、171,572个InDel及137个结构变异（SV）；与gapless-IR64相比，鉴定出51,770个SNP、89,199个InDel及27个SV。以T2T-IR64为参考，对33个水稻基因组中101个功能基因的分析显示，基因区域变异丰富，每个功能基因平均含91.7±74.8个SNP/InDel，其中52.6%位于基因CDS区，47.4%位于启动子区，两者对总等位基因多样性的贡献几乎相当。每基因位点平均形成约20个主要单倍型，单倍型多样性顺序为Or>Xian>Aus>Bas>Geng。

为解析基因组共线性的变异，研究者将T2T-IR64与粳稻（T2T-NIP）和其它籼稻（MH63、ZS97、R498）高质量基因组进行系统比较。结果显示，T2T-IR64与T2T-NIP间有582个共线性区块，包含32,285对基因，其中40.2%为染色体内，59.8%为染色体间。籼稻基因组间的共线区块数量更少但区间更大，表明其内部结构更保守。通过比较T2T-IR64与T2T-NIP基因组，鉴定出687个大片段结构变异，尤其是其中12个倒位和4个大片段重复（图1H）。重测序数据验证了其中10个结构变异，证实了组装结果的可靠性。

（4）三维基因组结构特征

该研究所有基因组数据与注释结果均已通过在线数据库(http://t2t-ir64.genomedb.org.cn/)开放共享。

本研究基于PacBio HiFi、ONT超长测序和Hi-C等技术，成功完成了籼稻核心品种IR64的端粒到端粒（T2T）无缺口基因组组装，填补了籼稻T2T参考基因组的空白。该研究不仅完整解析了着丝粒、端粒等复杂区域，还系统揭示了IR64广泛适应性的遗传基础，包括胁迫响应基因家族的扩张和32个特有基因家族的发现。此外，研究鉴定了大量新结构变异，并首次构建了其三维基因组结构，为理解基因调控提供了新视角。所有数据已开源共享，为水稻功能基因组学和精准育种提供了宝贵的高质量资源。