其“复杂”首先体现在甘蔗基因组的倍性混乱上，它既有同一物种染色体加倍导致的同源多倍体，又有不同物种杂交导致的异源多倍体，染色体数目非常庞大，在100-130条之间，倍性高达8-10倍甚至更高。
白糖是生活中最普通不过的调味品，制成它的原料甘蔗却不一般——拥有复杂得犹如迷宫的基因组。国际顶级学术期刊《科学》1926年发表的一篇甘蔗病害文章奠定了研究基础，时隔100年，《科学》迎来甘蔗领域第二篇长论文——攻克甘蔗基因研究的难题：广西大学教授张积森团队联合福建农林大学科研团队首次构建了覆盖现代甘蔗主栽品种及其野生祖先物种的泛基因组图谱，成功锁定一批与重要农艺性状相关的关键基因。论文评审人认为，这是一项令人瞩目的创新性研究。今天，我们请中国科学院西南生物多样性中心生物学博士刘耀文来解读这一研究成果。
甘蔗育种面临遗传多样性困境
人们对甜的认知来自糖，而糖的主要来源是甘蔗。糖不只是日常食品，还是关系到国计民生的重要战略物资，我国在上世纪60年代就将白糖列为战备物资，后来还专门颁布了《国家储备糖管理试行办法》《中央储备糖管理办法》。
糖是战略物资与其能量属性直接相关。人体最主要的能量来源是糖氧化分解产生热量，因此，在食物紧缺的情况下，用糖作为食物来源可以快速简单地满足人的能量需求。糖还有诸多优点，比如非常便携、有极高的防腐特性、适合储存等，以及可用于制作炸药、生产酒精，目前全世界40%的燃料乙醇来源于糖，2000多种工业产品需要用糖作为原材料。
作为糖的主要来源，甘蔗的育种一直面临困境，其中最典型的就是遗传多样性问题。现代栽培品种源自极少数的原始亲本，经过多代繁殖，其遗传多样性已出现衰减，而甘蔗属本身有多个具有优良性状的野生近缘种，这些宝贵资源却长期未能得到有效利用。这种遗传瓶颈制约了甘蔗的产量和抗逆性，当病害、逆境来袭，就可能对甘蔗的生产造成严重打击。
要解决这个问题，现代遗传育种是个不错的选择，它根据遗传信息进行更加精准的定向育种，能够加速新品种培育并获得更好的性状，前提是能够破解甘蔗的遗传密码、挖掘关键基因，来推动甘蔗遗传育种的改进。
不过，想要破解甘蔗基因信息却并不容易。
破解甘蔗基因信息为何这么难
甘蔗的基因组被基因组学权威学者视为植物学领域最复杂的基因组之一。其“复杂”首先体现在甘蔗基因组的倍性混乱上，它既有同一物种染色体加倍导致的同源多倍体，又有不同物种杂交导致的异源多倍体，染色体数目非常庞大，在100-130条之间，倍性高达8-10倍甚至更高。
其次，在八倍体甚至更高倍体的遗传背景下，同一个基因会存在多个等位基因拷贝，这些高度相似的同源染色体会导致单倍型坍缩而难以解析。简单来说，这些因素会导致甘蔗出现单倍型模糊、等位剂量复杂等问题，让遗传研究和育种复杂化。因此，很多研究人员不愿涉及甘蔗基因组研究，这一点从甘蔗研究成果的“贫瘠”上就看得出来。
以国际顶级学术期刊《科学》为例，作为全球重要作物的甘蔗，百年来仅有两篇论文发表。第一篇论文要追溯到1926年，来自古巴的科研团队首次建立了甘蔗花叶病毒的接种体系并进行分级评价，为理解甘蔗病害奠定了基础。时隔百年，由中国科学家负责的甘蔗研究再次登上《科学》，系统开展了甘蔗基因组学研究。这次研究不只是简单对甘蔗基因组进行解码，还在方法学上取得了突破，从泛基因组角度多维度建立了基因组资源和分析框架。如两位美国科学院院士、佛罗里达大学教授DouglasE.Soltis和PamelaSoltis同期发表的评述所言，中国科学家的研究展示了植物泛基因组学的最新水平，为植物基因组学和作物科学提供了全面、多维度的基因组资源和分析框架。
首次构建出甘蔗泛基因组图谱
传统基因组是一种线性的基因组，往往是基于单一染色体组进行测定。对于甘蔗来说，这种基因组并不适用。于是，中国研究人员选择了构建多尺度图谱的泛基因组框架。他们首先选择了甘蔗属及其近缘种的9个种，既有现代主要栽培的甘蔗品种，也有高糖分低光合的热带种甘蔗，还包括高光合低糖分的野生近缘种蔗茅，以最大程度覆盖目前甘蔗种属的遗传信息。
通过建立跨物种、跨倍性的同一坐标系，研究人员最终构建出约14.7Gb的超级泛基因组图谱，其大小相当于人类基因组的5倍左右。该基因组可以捕获约82%的甘蔗基因组多样性，而现在的单一参考基因组覆盖率只有34%，可见这个全新的泛基因组信息更加完整。
研究人员还对一个非常重要的黍亚科分蘖基因TB1进行了研究。所谓分蘖是指禾本科等植物在生长过程中，从主茎基部的分蘖节上发出的侧枝。通过基因编辑技术对甘蔗的分蘖基因进行处理，研究人员发现，甘蔗分蘖显著提前，能够把单位面积甘蔗茎产量（衡量甘蔗生产水平的核心指标）提升3.8-4.5倍，通过这些发现，有望让甘蔗产量更上层楼。
为农作物育种改良提供新技术
中国科学家对于甘蔗基因组的解析，为复杂多倍体基因组研究提供了全新范式。研究团队将这一分析框架推广到异源多倍体小麦、棉花和同源多倍体马铃薯等多倍体物种中发现，多尺度图谱策略同样适用于这些物种，这为复杂作物基因组研究提供了通用工具。
该研究也为遗传分子育种提供了全新方法。研究人员提出了剂量感知关联分析方法（DosageGWAS），提高了关联分析的灵敏度和解析力。比如，对于糖分性状的解析成功鉴定出一个更有意义的糖分相关基因，该基因呈现出持续积累的趋势，反映出人们在驯化过程中对甜的选择。
有了这些发现，作物改良就可以走上快车道，不再是依靠传统经验农业选育杂交，而是直接依靠基因编辑技术来改变甘蔗的生物学性状，快速实现育种，改善产量和质量。这次研究成果不仅有望从多个层面加速甘蔗育种进程，为建立“甘蔗泛基因组联盟”奠定基础，还可以加速其他农业作物的遗传信息解码，为我国更加精准、高效的遗传分子育种提供全新的技术手段。
供图：视觉中国
（来源：北京日报APP）
