Penyusunan Genom Mitokondria dan Nukleus Hermetia iilucens Asal Indonesia Menggunakan PacBio Revio HiFi

Abstract

Indonesia memproduksi sampah sebesar 25,038 juta ton per tahun, yang mana sebanyak 40,75% adalah sisa makanan. Salah satu inovasi terkini menggunakan maggot Black Soldier Fly (Hermetia illucens, 1976) yang memiliki kemampuan dalam mengurai sampah organik dan memberikan nilai ekonomi tambahan berupa pupuk bekas maggot (kasgot) dan pakan ternak tinggi protein. Namun, budidaya H. illucens sebagian besar dilakukan secara massal tanpa strategi pembiakan khusus yang menyebabkan kepunahan pada generasi ke-5 akibat menurunnya keragaman genetik. Oleh karena itu, tujuan dari penelitian ini adalah merakit genom nuklear dan genom mitokondria H. illucens, anotasi fungsi gen dan mengevaluasi hubungan kekerabatannya dengan negara lain. Metode penelitian ini akan melakukan ekstraksi DNA genom menggunakan Magen HiPure DNA Soil Kit, kemudian dievaluasi dengan mengukur kadar, kemurnian dan integritasnya dengan Quantus Fluorometer, LVis Plate nanospektro, dan elektroforesis gel. Selanjutnya, sampel yang memenuhi kriteria disekuensing menggunakan PacBio Revio HiFi menghasilkan raw reads. Analisis bioinformatika dilakukan untuk perakitan dan anotasi genom nuklear dan mitokondria, analisis varian, dan rekonstruksi pohon filogenetik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sampel MG A2 berhasil disekuensing menggunakan PacBio Revio HiFi dengan kualitas pembacaan Q41 dari total 9 juta fragmen DNA. Perakitan genom mitokondria diperoleh sepanjang 15.668 bp yang dianotasi menjadi 13 protein-coding genes, 2 rRNA, 22 tRNA, dan sebuah control region (D-loop) sepanjang 724 bp yang memiliki struktur tandem repeats motif 10 bp pada koordinat 303–542. Coverage genom mitokondria 100% dengan mean of depth sebesar 3294x yang menunjukkan setiap basa dibaca hingga 3294 kali oleh mesin. Analisis varian mengidentifikasi 555 SNP yang terdistribusi di daerah ekson (84,71%), intergenik (9,17%), dan transkrip (6,12%). Mutasi SNP yang ditemukan dominan bersifat synonymous (91,94%). Sebagian kecil mutasi bersifat missense yang menyebabkan perubahan asam amino dan berkontribusi terhadap perubahan proses biologis pada fosforilasi oksidatif, respirasi aerobik dan respirasi selular. Perakitan genom nuklear berukuran 3,03 Gb dengan komposisi sekuens repetitif 64,98% dari total genom. Kelengkapan genom nuklear mencapai 95,1%. Namun, duplikasi yang dilaporkan BUSCO sebesar 77,4%. Tahapan pembuangan duplikasi tidak mengurangi nilai evaluasi BUSCO dan ukuran genom secara masif. Selanjutnya, prediksi gen dari genom nuklear diperoleh 58.992 CDS dengan klasifikasi COG dominan pada kategori fungsi yang tidak diketahui (S) sebesar 27,25%.

Indonesia generates 25.038 million metric tons of waste annually, with food waste accounting for 40.75% of the total volume. Bioconversion utilizing Black Soldier Fly (Hermetia illucens, 1976) larvae represents a prominent innovation to mitigate organic waste while generating economic byproducts, including frass fertilizer and high-protein animal feed. However, conventional H. illucens farming is predominantly conducted en masse without targeted breeding strategies, rendering colonies highly susceptible to population collapse by the fifth generation due to a severe decline in genetic diversity. Consequently, this study aimed to construct de novo assemblies of both the nuclear and mitochondrial genomes of H. illucens, perform functional gene annotations, and elucidate its phylogenetic relationships on a global scale. Genomic DNA extraction was performed using the Magen HiPure DNA Soil Kit. The concentration, purity, and structural integrity of the extracted DNA were systematically evaluated using a Quantus Fluorometer, an LVis Plate Nanospectrophotometer, and agarose gel electrophoresis, respectively. Qualified samples were sequenced via the PacBio Revio HiFi platform to generate high-fidelity long reads. Subsequent bioinformatic pipelines encompassed de novo genome assembly, functional annotation of the nuclear and mitochondrial components, variant calling, and phylogenetic tree reconstruction. Sequencing of the MG A2 sample yielded 9 million DNA fragments with a high-accuracy read quality score of Q41. The assembled mitochondrial genome spanned 15,668 bp, encoding 13 protein-coding genes, 2 rRNAs, and 22 tRNAs, alongside a 724 bp control region (D-loop) containing a 10 bp tandem repeat motif localized at coordinates 303–542. The mitogenome achieved 100% breadth of coverage with a mean depth of 3,294x. Variant analysis identified 555 SNP distributed across exonic (84.71%), intergenic (9.17%), and transcript (6.12%) regions. The identified SNPs were predominantly synonymous mutations (91.94%). A minor fraction constituted missense mutations that induce amino acid substitutions, potentially modulating biological processes involved in oxidative phosphorylation, aerobic respiration, and cellular respiration. The assembled nuclear genome was estimated at 3.03 Gb, with repetitive elements constituting 64.98% of the total sequence. BUSCO analysis indicated a genome completeness of 95.1%, accompanied by a high duplication rate of 77.4%. Implementing a deduplication pipeline did not marginally alter either the BUSCO completeness metrics or the macro-scale genome size. Furthermore, ab initio gene prediction of the nuclear genome resolved 58,992 CDS, with COG classification revealing a predominance of the "function unknown" (S) category at 27.25%.