刘耀文

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。

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，这个过程就是葡萄糖通过氧化产生身体所需的基本能量“货币”ATP（三磷酸腺苷）。而作为自然界最广泛存在的二糖（由两个单糖分子通过“糖苷键”连接形成的分子较大的糖），蔗糖进入人体分解为葡萄糖和果糖，变成可直接被身体利用的基本能量来源。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。除了能量属性，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。

糖的主要来源是甘蔗，因此关注糖这种战略物资，就必须关注甘蔗这种产糖作物。

我国是世界上最早用甘蔗制糖的国家之一，已有2000多年的历史，如今，作为关系国计民生的基础性农作物，甘蔗也是农业科技的核心阵地之一。然而作为重要农作物，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，依靠传统育种比较低效，因为这种方法往往周期较长，且面临较大的不确定性。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

自从人类基因组计划完成之后，破解基因组的技术手段日趋成熟，包括水稻、玉米、小麦等植物在内的诸多物种的基因组信息先后获得解析。甘蔗的基因组破解却一直面临困难，主要是因为它的基因组太过复杂，以至于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。

那么，甘蔗的基因组到底有多复杂呢？

首先体现在甘蔗基因组的倍性混乱上。我们通常把一个物种特有维持其生存的最低限度数目染色体称为一个染色体组，比如，人的一个染色体组包括23条染色体。生物细胞内染色体组的数目又被称为倍性，人类体细胞拥有2套染色体组46条染色体，这就是2倍体，类似的还有3倍体无籽西瓜等。而甘蔗在基因组倍性上非常混乱，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，使得甘蔗的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。更别提多倍体的基因表达早已不是简单的二倍体基因模型。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，我们熟悉的作物如玉米、小麦等频频亮相，然而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。该研究针对的是甘蔗病虫害，虽然在今天看来属于非常浅显的病毒学研究，但至少让甘蔗研究进入了学术领域，并从科学角度开启了对甘蔗抗病育种的研究。

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Douglas E. Soltis和Pamela Soltis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。

这一受到科学界高度评价的甘蔗基因组研究成果，是如何实现的呢？

首次构建出甘蔗泛基因组图谱

前面提到，甘蔗基因组的复杂体现在“多倍体”上，因此中国研究团队的初衷是破解多倍体的遗传密码，从中挖掘关键基因来进行生物技术育种。然而随着基因组解析工作的推进，研究人员意识到，传统基因组研究方法存在缺陷。

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。由于甘蔗存在染色体多倍性、断裂、融合、非整倍性以及同源多倍体和异源多倍体共存等现象，无法用单一线性基因组来容纳这些不同倍性、染色体数和遗传背景的信息。

面对这种情形，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。通过对这些物种基因组的测定，研究人员根据物种和倍性划分出10个染色体群落，这意味着甘蔗的“祖先”应该有10条原始染色体，如今的甘蔗则有100多条染色体，可见在人工驯化过程中甘蔗发生了巨大变化。

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。

基因组是最基本的参考信息，基因想发挥作用还需要多种调控和表达。比如，基因虽然是线性排列，但是浓缩在细胞内，基因彼此之间反而会从空间构象角度改变其表达情形，于是研究人员构建了开放染色质图谱。基因发挥作用需要通过转录-翻译流程，相应的，研究人员又构建了转录组图谱。此外，甲基化等表观遗传也会对基因的表达调控产生影响，甲基化图谱由此诞生。

通过这些多组学图谱的加持，研究人员对甘蔗这种庞大多倍体生物的基因调控有了更清晰的认知，也更容易寻找到那些对甘蔗具有重要意义的基因。比如，研究人员在多组学图谱中观察到了甘蔗的重要基因“蔗糖转运基因”，在家种甘蔗中，该基因上游开放染色质区域与它的基因表达水平及糖分运输密切相关，从而可以让家种甘蔗产生更多的糖分。

为了进一步探究对甘蔗性状影响巨大的关键遗传信息，研究人员对417份野生甘蔗、家种甘蔗、现代栽培品种及近缘种等多个类群进行了图谱比对和群体分析，寻找到774万多个高质量的遗传多样性位点。分析这些位点对甘蔗的影响可知，现代甘蔗主要的遗传成分来自热带甘蔗种，而对比高糖的热带种和高抗逆的割手密种这两种常见甘蔗品种，研究人员发现其中一些关键区域受到了非常明显的选择，这些区域涉及淀粉/蔗糖代谢、碳水化合物、植株结构发育以及抗逆响应等关键基因通路。值得一提的是，甘蔗和同属黍亚科的高粱在碳代谢和激素及胁迫响应通路上有许多基因共同富集，反映了人们在驯化和改良这些作物时对“高糖、高生物能量”品种的选择趋势。

为了验证，研究人员选择了一个非常重要的黍亚科分蘖基因TB1。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。分蘖对于植物来说是一把双刃剑，有效分蘖能够成穗，无效分蘖则会消耗植物养分降低产量。分析发现，在人类栽培的甘蔗种中，分蘖的多样性显著下降，这意味着强烈的人工选择让分蘖更加稳定。不过，这个选择是最好的吗？研究人员通过基因编辑技术对甘蔗的分蘖基因进行处理，发现这个潜力并没有被完全发掘。基因编辑后的甘蔗分蘖显著提前，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。多倍体感知的多尺度（基因组-基因-蛋白）图形泛基因组分析框架不仅成功解析了甘蔗基因组，还打开了多倍体复杂基因组植物基因组分析体系的大门。比如，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。生物学性状总体分为两大类，一类是质量性状，如水稻的粳与糯；另一类是数量性状，如作物的产量等。由于数量性状的连续性且往往是多基因发挥作用，因此研究难度较大。为此，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；同样，叶片角度性状基因的发现，说明它与人们在甘蔗栽培中的株型选择和改良有关。

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。中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员韩斌说，该研究彻底改写了人们对甘蔗基因组“不可解”的传统认知，为小麦、苜蓿、马铃薯等复杂多倍体作物精准改良提供了重要范式。中国工程院院士、华中农业大学教授张献龙称，该研究为复杂多倍体作物建立了可操作的遗传-育种路径，破解了长期悬而未决的关键难题。

保障粮食安全，育种改良是必然之路。这次的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。

（作者为中国科学院西南生物多样性中心生物学博士）

本版供图：视觉中国