水稻是全球范围内重要的粮食作物之一，尤其在亚洲和非洲地区，它是数十亿人口的主要食物来源，在农业发展中具有举足轻重的地位。然而，水稻在生长过程中常面临害虫的威胁，害虫通常通过取食叶片、吸食汁液或传播病毒等方式影响水稻的健康和产量，持续危害水稻生产和可持续农业发展。
2024年8月28日，浙江大学昆虫科学研究所科研团队在国际期刊Scientific Data上在线发表了题为Chromosome-level genome assembly from a single planthopper Nilaparvata muiri (Hemiptera: Delphacidae)的文章，该文利用单头昆虫个体（3-5mm）完成了高质量的飞虱 Nilaparvata muiri 基因组组装， 为我们理解飞虱N. muiri和N. lugens之间的基因组差异，揭示与寄主选择、饮食偏好和适应策略相关的关键基因提供了重要的理论资源。
浙江省水稻生物学与育种重点实验室，浙江大学昆虫科学研究所刘卓琦博士和浙江师范大学生命科学学院朱平阳教授为共同第一作者。浙江省水稻生物学与育种重点实验室，浙江大学昆虫科学研究所徐海君教授和浙江省农业科学院植物保护与微生物学研究所徐红星研究员为共同通讯作者。BOB半岛·综合体育为共同作者，同时提供昆虫微量三代建库、测序和基因组组装分析服务。
飞虱是水稻的主要害虫之一，通过刺吸水稻汁液，导致作物衰弱，严重时可引发水稻条纹叶枯病等重大病害，甚至造成大面积减产。因此，研究水稻与飞虱之间的关系，以及开发有效的飞虱防治策略，对于保障水稻产量和粮食安全至关重要。然而，并非所有的飞虱种类都对水稻构成威胁。Nilaparvata muiri 是一种常见的飞虱种类，体型较小（3-5毫米），广泛分布于中国南部、日本、韩国和越南的稻田区域。Nilaparvata muiri表现出与褐飞虱不同的取食行为和特定的寄主植物偏好，因此，这一新颖的基因组资源有望对水稻飞虱的防治提供有力支持。
图 N. muiri与N. lugens的表型区别[1]
研究亮点
利用单头昆虫完成了染色体级别的高质量基因组组装
为研究飞虱的寄主偏好和适应性演化提供了新的视角
研究结果
基因组大小评估（流式+Survey）
研究人员基于20个雄性成虫的头部制备了核悬浮液，使用果蝇（Drosophila melanogaster）作为参考物种，流式细胞术结果显示，N. muiri雄性基因组大小约为505.145Mb，比果蝇基因组大约2.864倍。其次，从40只雄性中收集样本，使用基于k-mer的Survey分析法对基因组大小进行估算，选择K为19，结果显示N. muiri的基因组大小约为440.793Mb。Survey结果略小于流式的估算值，这可能是由于N. muiri的高度杂合性（2.6%）所导致的，这在昆虫中是常见现象。
图 Nilaparvata muiri的基因组组装结果[1]
基因组De novo（微量建库）
研究人员基于单头成年雄性Nilaparvata muiri 进行HiFi 文库构建，首先利用PBS对样本进行清洗并解剖去除肠道，其次基于提取获得的20ng DNA进行微量建库，文库目标插入片段约为10 Kb，接着使用PacBio Revio 平台测序获得78.89Gb的 HiFi数据，并通过hifasm 和HaploMerger2 进行基因组de novo 组装，最终得到的基因组大小为531.60Mb。最后，利用30只雄性个体进行Hi-C文库构建和测序，通过Juicer 和YahS 软件将基因组挂载到染色体水平，并用Juicebox进行可视化。最终基因组大小为531.62Mb，contig N50 为2.47Mb，96.61%的contigs被定位到15条伪染色体上，完整Busco基因评估为97.7%。
基因组注释（转录组测序）
为辅助基因注释，研究人员对Nilaparvata muiri的卵、各龄期若虫（1至5龄）、成虫雌雄个体的转录组进行了测序。此外，还从七种代表性组织（触角、头部、脂肪体、消化道、外骨骼、卵巢、睾丸）中提取了总RNA进行测序，获取的数据用于辅助注释。研究人员共鉴定出168,166,532bp（占基因组的31.63%）的重复序列，其中27.09%为TEs；预测出总计22,057个蛋白质编码基因，其中95.69%的蛋白质编码基因在功能注释数据库中有显著匹配；基因组特征方面，平均基因长度、编码序列（CDS）和内含子长度分别为10.68 Mb、1.56 Mb和8342.15 bp。
图 基因组组装的工作流程[1]
同源与系统发育分析
研究人员从NCBI中获取褐飞虱（Nilaparvata lugens）的基因组数据，与N. muiri进行共线性比较，结果显示，在总共46,958个基因中，19,143个基因（约40.77%）被识别为共线性基因，这表明N. muiri与N. lugens之间存在显著的染色体共线性。同时，研究人员从InsectBase 2.0数据库下载了包括N. lugens在内的14种半翅目昆虫的蛋白质序列，共鉴定出24,960个同源基因家族，涵盖323,572个基因。系统发育分析显示N. muiri和N. lugens聚为单一分支，属于半翅目（Auchenorrhyncha）内的一个类群，大约在114.9万年前分化。总之，这些结果对于理解N. muiri与其他半翅目昆虫的演化关系，以及它与N. lugens的亲缘关系和分化历史具有重要意义。
图 共线性和系统发育分析[1]
研究结论
本文利用PacBio HiFi 和Hi-C 技术完成了飞虱 Nilaparvata muiri单头个体的染色体级别基因组组装。结果显示，该飞虱的基因组大小为531.62 Mb，contig N50为 2.47 Mb，scaffold N50为38.37 Mb，且96.61% 的序列已锚定在15个假染色体上，共预测了22,057个蛋白质编码基因。与其他14种半翅目昆虫的比较表明，N. muiri和N. lugens约在11.5百万年前分化。这项研究不仅提供了宝贵的基因组资源，帮助理解飞虱的适应性演化和寄主偏好差异，还为未来水稻害虫管理策略提供了科学依据。
参考文献
[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.