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《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2026-03-02 第1版 要聞)
白糖是日常生活中普通的調(diào)味品，它背后的甘蔗卻擁有復(fù)雜得猶如迷宮的基因組。時(shí)隔100年，甘蔗領(lǐng)域科研人員在《科學(xué)》發(fā)表第二篇長(zhǎng)論文。
近日，廣西大學(xué)教授張積森團(tuán)隊(duì)聯(lián)合福建農(nóng)林大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》發(fā)表最新研究成果。該研究首次構(gòu)建了覆蓋現(xiàn)代甘蔗主栽品種及其野生祖先物種的多尺度圖泛基因組，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)解析了甘蔗復(fù)雜混合倍體基因組結(jié)構(gòu)，提出了適用于高倍體作物的劑量感知關(guān)聯(lián)分析（DosageGWAS）新方法，成功鎖定一批與分蘗數(shù)、產(chǎn)量、含糖量和葉片角度等重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的關(guān)鍵基因，并驗(yàn)證了SaTB1基因顯著促進(jìn)分蘗、成倍提高甘蔗產(chǎn)量的功能。
論文評(píng)審人認(rèn)為，這是一項(xiàng)極具趣味性且令人矚目的創(chuàng)新性研究。
為了“種甘蔗”
甘蔗是全球最重要的糖料和能源作物之一，提供了世界約80%的食糖和40%的燃料乙醇。我國(guó)是世界上最早用甘蔗制糖的國(guó)家之一，已有2000多年的歷史。食糖是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資，除日常消費(fèi)外，2000多種工業(yè)產(chǎn)品需要用糖作為原材料。
“然而，甘蔗基因組是植物科學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的難題，國(guó)際上許多基因組學(xué)的權(quán)威科學(xué)家研究過(guò)，都認(rèn)為這是基因組最復(fù)雜的物種之一?！闭撐耐ㄓ嵶髡邚埛e森告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，現(xiàn)代栽培甘蔗品種源于高糖的熱帶種甘蔗與高抗逆的野生甘蔗在百余年前的雜交回交。甘蔗的遺傳結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，“像一團(tuán)亂麻”：其多為8倍體、10倍體甚至具有更高倍性，染色體數(shù)目在100~130條之間；同源多倍體與異源多倍體成分并存；染色體斷裂、融合和非整倍體現(xiàn)象普遍；重復(fù)序列和轉(zhuǎn)座子高度富集。
“這些特征使得傳統(tǒng)的單一線(xiàn)性參考基因組難以同時(shí)容納不同倍性、不同染色體數(shù)和不同遺傳背景，等位基因劑量難以準(zhǔn)確區(qū)分，測(cè)序數(shù)據(jù)在比對(duì)過(guò)程中出現(xiàn)大量多重比對(duì)和信息丟失等問(wèn)題?！睆埛e森說(shuō)，傳統(tǒng)方法根本理不清，單一線(xiàn)性基因組范式在甘蔗等復(fù)雜多倍體作物中已接近失效，急需新的基因組參考體系。
甘蔗基因組研究的挑戰(zhàn)不僅在于其科學(xué)復(fù)雜性，更在于其產(chǎn)業(yè)重要性。我國(guó)每年消費(fèi)食糖約1500萬(wàn)噸，其中自產(chǎn)糖約1000萬(wàn)噸。廣西作為我國(guó)最大的蔗糖生產(chǎn)基地，糖料蔗種植面積穩(wěn)定在1100萬(wàn)畝以上，蔗糖產(chǎn)量穩(wěn)定在600萬(wàn)噸以上，占全國(guó)60%以上。突破甘蔗基因組研究瓶頸，對(duì)保障國(guó)家食糖安全具有戰(zhàn)略意義。
然而，現(xiàn)代甘蔗育種高度依賴(lài)有限的親本材料，遺傳基礎(chǔ)狹窄、種質(zhì)資源利用不足，制約了產(chǎn)量和抗逆性進(jìn)一步提升?！把芯康某踔允瞧平舛啾扼w遺傳密碼，利用挖掘的關(guān)鍵基因來(lái)進(jìn)行生物技術(shù)育種。”張積森說(shuō)，這份初心支撐著團(tuán)隊(duì)在困難面前不退縮?！叭绻蛔龌蚪M研究，我們的工作就失去了應(yīng)用價(jià)值。”
2021年，張積森團(tuán)隊(duì)開(kāi)始為這項(xiàng)研究做準(zhǔn)備，最初想系統(tǒng)解析甘蔗屬基因組的演化和變異規(guī)律。2022年，他從福建農(nóng)林大學(xué)調(diào)任廣西大學(xué)，項(xiàng)目正式啟動(dòng)。“我就是為了種甘蔗，所以來(lái)了廣西大學(xué)。”他說(shuō)，因?yàn)閺V西是我國(guó)最大的甘蔗產(chǎn)區(qū)，要搞甘蔗育種，必須親自種植甘蔗；甘蔗產(chǎn)業(yè)是廣西發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，不到廣西，就搞不清楚產(chǎn)業(yè)真正的需求。
這一年，在初步研究的基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)，要想真正實(shí)現(xiàn)“在多倍體里找基因”，必須先為甘蔗的復(fù)雜基因組打造一個(gè)更精準(zhǔn)的“新地圖”，即圖泛基因組，而不是繼續(xù)在存在嚴(yán)重偏差的“舊地圖”——線(xiàn)性參考基因組中摸索。
張積森解釋道，線(xiàn)性參考基因組收集的基因變異信息太少，對(duì)甘蔗這種復(fù)雜基因組而言，可能會(huì)遺漏絕大部分有價(jià)值的遺傳變異信息。而圖泛基因組最大的創(chuàng)新和價(jià)值在于，可以建立一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，有利于準(zhǔn)確定位基因組變異。
由此，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了在甘蔗基因組這一“世紀(jì)難題”上的持續(xù)攻堅(jiān)。
從“二維”到“三維”
甘蔗基因組的復(fù)雜性超乎常人想象?！拔覀兊墓ぷ鳎?jiǎn)單而言，就是把原來(lái)的二維基因組變成了三維基因組?！睆埛e森說(shuō)。
可以把甘蔗基因組想象成一個(gè)擁有100多本不同“書(shū)籍”（染色體）且“書(shū)籍”內(nèi)容高度重復(fù)的圖書(shū)館。這些“書(shū)籍”來(lái)自不同的祖先（不同物種）、版本各異（倍性不同），但許多章節(jié)內(nèi)容相似。傳統(tǒng)的閱讀方式——線(xiàn)性參考基因組，就像試圖為每一本書(shū)單獨(dú)編制目錄，但由于內(nèi)容交織重復(fù)，很難厘清頭緒并進(jìn)行跨書(shū)比較。
論文共同第一作者、廣西大學(xué)教授張清介紹，甘蔗的古老祖先擁有10條核心染色體，以這10條原始染色體作為“祖宗”或“分類(lèi)標(biāo)簽”，將測(cè)序得到來(lái)自不同物種、不同品種的所有染色體片段，與這10條“祖宗染色體”進(jìn)行比對(duì)，序列相似度高、屬于同源關(guān)系的片段，不管它實(shí)際來(lái)自哪條染色體，都會(huì)被劃分到同一個(gè)“染色體群落”里，實(shí)現(xiàn)“認(rèn)祖歸宗”。
劃分群落后，所有復(fù)雜的遺傳信息就有了統(tǒng)一的坐標(biāo)系，所有比較都可以在“群落”內(nèi)部進(jìn)行，結(jié)果精準(zhǔn)。在這個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系上，他們創(chuàng)新性提出了多尺度圖泛基因組框架，將9套不同的基因組整合到統(tǒng)一的圖譜中，構(gòu)建出“三維”的圖泛基因組。
張積森說(shuō)，該圖譜將充滿(mǎn)冗余的甘蔗基因組壓縮了約34%，捕獲了約82%的甘蔗基因組多樣性，而現(xiàn)有最優(yōu)單一參考基因組僅能覆蓋約34%。
論文共同第一作者、福建農(nóng)林大學(xué)講師黃育敏介紹，依托精確的圖泛基因組，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)417份甘蔗及其近緣材料開(kāi)展了系統(tǒng)的圖譜比對(duì)和群體遺傳分析，材料涵蓋野生甘蔗、家種甘蔗、現(xiàn)代栽培品種及近緣種等多個(gè)類(lèi)群，證實(shí)現(xiàn)代栽培甘蔗中約70%~90%的遺傳成分來(lái)源于熱帶種甘蔗。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了碳水化合物和淀粉/蔗糖代謝、植株結(jié)構(gòu)發(fā)育及抗逆響應(yīng)等功能通路，鎖定了一批與糖運(yùn)輸和代謝、株型和分蘗、開(kāi)花期及逆境適應(yīng)相關(guān)的關(guān)鍵候選基因，其中超過(guò)一半是僅在圖泛基因組分析框架下才發(fā)現(xiàn)的。
他們還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典的馴化基因TB1是甘蔗分蘗的關(guān)鍵功能基因，敲除該基因后，甘蔗表現(xiàn)出顯著的更多分蘗、提前分蘗，并伴隨產(chǎn)量提升。
論文共同第一作者、廣西大學(xué)研究助理張以星介紹，針對(duì)多倍體作物中傳統(tǒng)基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）難以準(zhǔn)確刻畫(huà)等位劑量信息的難題，研究團(tuán)隊(duì)在圖泛基因組框架下提出了新的分析方法——DosageGWAS。新方法顯著提高了關(guān)聯(lián)分析的靈敏度和解釋力，不僅檢測(cè)到更多顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)，而且對(duì)糖分性狀和葉片角度性狀的遺傳力解釋度大幅提升，獨(dú)立驗(yàn)證的劑量差異位點(diǎn)數(shù)量也明顯增加。
動(dòng)態(tài)演進(jìn)型“甘蔗基因資源基礎(chǔ)設(shè)施”
1926年，《科學(xué)》發(fā)表了古巴科研團(tuán)隊(duì)的長(zhǎng)論文。該成果建立了甘蔗花葉病毒的接種體系并進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，為理解甘蔗病害奠定了基礎(chǔ)。
直到100年后，《科學(xué)》才發(fā)表了第二篇甘蔗研究的長(zhǎng)論文。兩位美國(guó)科學(xué)院院士——佛羅里達(dá)大學(xué)教授Douglas E. Soltis和Pamela Soltis同期在《科學(xué)》針對(duì)這項(xiàng)研究發(fā)表了評(píng)述，認(rèn)為研究展示了植物泛基因組學(xué)的最新水平，為植物基因組學(xué)和作物科學(xué)提供了全面、多維度的基因組資源和分析框架。
為驗(yàn)證方法的普適性，研究團(tuán)隊(duì)將這一多尺度圖泛基因組策略推廣至異源多倍體小麥、棉花和同源多倍體馬鈴薯等多倍體物種。結(jié)果表明，“多尺度圖譜+DosageGWAS”框架不僅適用于甘蔗，也可跨物種、跨多倍體作物廣泛推廣，為復(fù)雜作物基因組研究和分子育種提供了通用工具。
3位院士對(duì)這一成果給予高度評(píng)價(jià)。中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員韓斌說(shuō)，該研究徹底改寫(xiě)了人們對(duì)甘蔗基因組“不可解”的傳統(tǒng)認(rèn)知，為小麥、苜蓿、馬鈴薯等復(fù)雜多倍體作物精準(zhǔn)改良提供了重要范式。
中國(guó)科學(xué)院院士、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授劉耀光指出，該研究有效破解了植物多倍體“難分型、難比對(duì)、難關(guān)聯(lián)”的核心瓶頸，顯著提升了基因組選擇的準(zhǔn)確性。
中國(guó)工程院院士、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張獻(xiàn)龍強(qiáng)調(diào)，該研究為復(fù)雜多倍體作物建立了可操作的遺傳-育種路徑，破解了長(zhǎng)期懸而未決的關(guān)鍵難題。
張積森告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，該研究成果有望在多個(gè)層面加速甘蔗育種進(jìn)程：支撐高質(zhì)量分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)與基因組預(yù)測(cè)；高效挖掘野生與稀有優(yōu)良等位，為“回交導(dǎo)入+基因編輯”提供精準(zhǔn)靶點(diǎn)；為未來(lái)“甘蔗泛基因組聯(lián)盟”奠定基礎(chǔ)，隨著中國(guó)種、印度種等歷史品種和區(qū)域性地方品種基因組不斷發(fā)布，現(xiàn)有甘蔗屬超級(jí)泛基因組可持續(xù)擴(kuò)展，逐步形成覆蓋全球甘蔗種質(zhì)的動(dòng)態(tài)演進(jìn)型“甘蔗基因資源基礎(chǔ)設(shè)施”。
從實(shí)驗(yàn)室的基因組解析到田間的育種應(yīng)用，這項(xiàng)研究正在悄然改變著甘蔗產(chǎn)業(yè)的未來(lái)?！拔覀円嬲堰@個(gè)研究成果用起來(lái)?！睆埛e森說(shuō)。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adx1616
