小麦条锈病、叶锈病和秆锈病是由条形柄锈菌(Puccinia striiformis f.sp.tritici)、隐匿柄锈菌(Puccinia recondite f.sp.tritici)和禾柄锈菌(Puccinia graminis f.sp.tritici)分别引起的真菌病害。在锈病病害流行时期,会造成小麦大幅度减产,甚至绝收,严重威胁全球粮食生产安全。小麦锈菌的毒性变异是导致小麦品种抗锈性丧失,造成病害流行的主要原因。然而,小麦锈菌的致病性变异机制至今尚不明确,对锈菌致病性机理和品种抗锈性研究造成障碍。基因组信息的解析已经是当前研究锈菌生长发育与致病机制的有效途径。本实验室前期利用第三代(PacBio)结合第二代(Illumina)的策略,完成了我国小麦条锈菌CY32的基因组序列的组装更新。本研究根据最新组装结果结合已公布的叶锈菌和秆锈菌基因组信息,对小麦3种锈菌基因组的碳水化合物酶类和蛋白激酶两个家族进行系统注释和比较分析。通过对条锈菌CY32基因组测序数据进行生物信息过滤、组装,获得了条锈菌线粒体基因组的全序列框架图。主要研究内容如下:(1)碳水化合物酶类家族注释显示:3种锈菌共包含1,232个CAZymes编码基因(含有1,279个模块)。其中,条锈菌具有明显较大的CAZymes家族,3种锈菌的CAZymes具有136个同源基因;相对于叶锈菌和秆锈菌,条锈菌的GH、GT和AA家族发生显著扩增,而3种锈菌的PL家族并无差异;CBM家族则表现为由禾柄锈菌、隐匿柄锈菌到条形柄锈菌的递增式扩增。通过CAZymes、细胞壁降解酶、分泌蛋白、PHI、保守基序等不同形式注释的比较分析表明,对该基因家族而言,条锈菌相对于叶锈菌和秆锈菌呈扩增现象,叶锈菌和秆锈菌的家族缩减水平存在差异。小麦锈菌CAZymes家族整体呈现的不同形式扩增或缩减现象,可能反映了锈菌与寄主长期协同进化过程中的寄生适应性需求,进而反映了其致病性演化机理。(2)蛋白激酶家族注释显示:系统鉴定出条锈菌、叶锈菌和秆锈菌的蛋白激酶基因数量分别为221个、159个和159个,并且各个家族存在相似分布和差异分布。通过蛋白激酶家族泛基因集、单拷贝基因集分析,发现3种锈菌的进化关系及潜在的致病机制进化方向。KEGG和GO注释分析表明蛋白激酶家族可能在病原菌生长发育中有着重要的调控作用,在寄主病原菌互作中同样发挥重要作用,如信号分子、致病因子等。同时,MAPK蛋白激酶家族分析发现,MAPK家族催化结构的保守序列呈现高度相似性。另外,预测的蛋白质互作关系显示,MAPK家族蛋白质互作在3种锈菌中分布不均,可能与锈菌的自身特性多样性和致病机制复杂性有关。(3)条锈菌线粒体基因组组装分析显示:通过Blasr、Blast和SOAP软件,应用Kmer分析预估基因组大小,以筛选有效的测序数据,包括PacBio 20Kb文库的500Mb数据和Illumina 500bp文库的1.4Mb数据。通过Miniasm系列软件首先组装基因组,从而保证PacBio数据组装基因组完整性;通过GATK和SOAP系列软件使用Illumina数据对基因组进行错误碱基纠正。最后获得了基因组,包括1条contig,GC含量为31.40%,长度为101,520bp,共预测和注释41个基因。通过基因组覆盖度和深度评价表明实现了高质量组装效果,为后续利用和分析奠定重要基础。本研究利用条锈菌最新的基因组信息,首次对条锈菌、叶锈菌和秆锈菌的碳水化合物酶类和蛋白激酶进行系统注释和进化分析,为锈菌致病因子的挖掘提供数据基础。通过条锈菌线粒体基因组组装,建立了一个由三代和二代测序数据的高质量混合组装的方法,使线粒体基因组组装水平显著提高。