甘蔗割手密種基因組的破譯是甘蔗基礎(chǔ)生物學(xué)研究的一個(gè)里程碑。這些研究將促進(jìn)甘蔗分子生物學(xué)的快速進(jìn)展，使甘蔗實(shí)施分子育種策略成為可能，從而加快甘蔗品種改良和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
 
　　五味之一的“甜”，離不開甘蔗的貢獻(xiàn)。甘蔗為什么這么甜，能不能更甜？全世界90多個(gè)國(guó)家生產(chǎn)甘蔗，種植面積達(dá)2600萬公頃?？茖W(xué)研究能否促使甘蔗產(chǎn)業(yè)更上一層樓？這些問題在最近一項(xiàng)研究成果中得到了解答。
 
　　學(xué)術(shù)期刊《自然—遺傳學(xué)》（Nature Genetics）日前在線發(fā)表福建農(nóng)林大學(xué)教授明瑞光團(tuán)隊(duì)的研究論文《甘蔗割手密種同源多倍體基因組》，在全球首次公布甘蔗割手密種的基因組，并解析了甘蔗割手密種的系列生物學(xué)問題。
 
甘蔗割手密基因組首次公布
 
　　根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)，甘蔗的產(chǎn)值在農(nóng)作物中排在玉米之前，水稻、小麥、大豆、西紅柿之后，名列第五。我國(guó)則是全球第三大甘蔗生產(chǎn)國(guó)，全國(guó)糖業(yè)信息中心數(shù)據(jù)顯示，2018/2019年度全國(guó)種植甘蔗128萬公頃，產(chǎn)量為7700萬噸，農(nóng)業(yè)直接年產(chǎn)值約385億元。
 
　　甘蔗不僅經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大，其本身也是世界上最重要的糖和生物燃料作物，生產(chǎn)80%的糖和40%的生物燃料，是單產(chǎn)生物量的作物，也是發(fā)現(xiàn)C4光合作用途徑的植物和研究同源多倍體遺傳的主要植物。
 
　　不過，盡管甘蔗如此重要，甘蔗基因組的破譯卻一直是世界性難題。近十多年來，國(guó)際上很多積極開展甘蔗基因組研究的國(guó)家，如巴西、法國(guó)、泰國(guó)等，均未獲得突破性進(jìn)展。
 
　　“這是由于受甘蔗復(fù)雜的大基因組、高多倍體以及同源異源雜交品種等因素限制。”明瑞光解釋道。
 
　　正是因?yàn)楹茈y取得突破性進(jìn)展，也就導(dǎo)致了長(zhǎng)久以來甘蔗品種單一化的問題十分嚴(yán)重，產(chǎn)業(yè)依靠擴(kuò)大種植面積等傳統(tǒng)生產(chǎn)方式已經(jīng)難以維系。
 
　　“我們這項(xiàng)研究的結(jié)果，產(chǎn)生的基因組學(xué)資源，將有助于縮短甘蔗育種周期、加快甘蔗品種改良，讓‘甜蜜事業(yè)’變得更甜。”明瑞光說。
 
　　他介紹，現(xiàn)代甘蔗品種是熱帶種和野生種割手密雜交后，再通過與熱帶種回交恢復(fù)高糖分含量和高生物量。雜交種的基因組組成是：75%~85%來自熱帶種、15%~25%來自割手密。
 
　　割手密是甘蔗栽培品種的重要原始親本之一，在甘蔗雜交育種方面具有重要利用價(jià)值，其提供的是病蟲害和逆境的抗性基因。
 
　　因此，福建農(nóng)林大學(xué)基因組中心教授張積森團(tuán)隊(duì)從甘蔗野生種割手密富含抗性基因和染色體基數(shù)降低等生物遺傳特征入手，在甘蔗割手密種基因組中首次發(fā)現(xiàn)了富集抗性基因的重組區(qū)域，系統(tǒng)地闡明了割手密作為甘蔗育種抗原的生物學(xué)基礎(chǔ)。
 
　　由此首次破譯甘蔗割手密種的基因組，并揭示了割手密種的基因組演化、抗逆性來源、高糖以及自然群體演化的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。如糖分積累是甘蔗最重要的生物學(xué)問題之一，該研究指出糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因家族的串聯(lián)復(fù)制和擴(kuò)張是甘蔗屬高糖的基因組學(xué)基礎(chǔ)。
 
　　割手密種基因組的破譯是甘蔗基礎(chǔ)生物學(xué)研究的一個(gè)里程碑。這些研究將促進(jìn)甘蔗分子生物學(xué)的快速進(jìn)展，使甘蔗實(shí)施分子育種策略成為可能，從而加快甘蔗品種改良和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
 
　　明瑞光表示，由于甘蔗廣泛種植于全球熱帶和亞熱帶地區(qū)，研究成果的推廣應(yīng)用將推動(dòng)熱帶和亞熱帶地區(qū)農(nóng)民脫貧致富。
 
攻克技術(shù)難題
 
　　該研究由福建農(nóng)林大學(xué)聯(lián)合美國(guó)、巴西等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)共同完成，標(biāo)志著全球農(nóng)作物基礎(chǔ)生物學(xué)研究取得重大突破，奠定了我國(guó)在甘蔗研究領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。
 
明瑞光團(tuán)隊(duì)是如何做的？
 
　　研究人員應(yīng)用目前進(jìn)的第三代測(cè)序技術(shù)加上物理圖譜，將甘蔗割手密種四倍體基因組組裝到了32條染色體上。這是次把同源多倍體基因組里面的基因注釋到了等位基因，達(dá)到了分辨率，可以準(zhǔn)確地研究同源多倍體的基因功能、基因表達(dá)、劑量效應(yīng)以及遺傳模式。
 
　　之后，通過比較割手密和高粱的同源染色體，發(fā)現(xiàn)割手密的兩條祖先染色體從中間斷裂，產(chǎn)生的四個(gè)染色體臂分別加到了四條染色體的末端，完成了染色體基數(shù)從10條減為8條的演化。
 
　　基因組內(nèi)部比較分析，證實(shí)了割手密是同源多倍體，并且發(fā)生了兩次間隔較短的全基因組復(fù)制事件。這推翻了原先的假說——認(rèn)為多倍體甘蔗的基因組與芒草發(fā)生分化之前（3.8~4.6百萬年）有一次異源多倍體化的事件，在它們分化后甘蔗屬內(nèi)部又發(fā)生了一次同源多倍化的事件。
 
　　除甘蔗基因組以外，目前尚沒有其他同源多倍體基因組可以組裝到染色體水平。其實(shí)，同源多倍體基因組的組裝是一個(gè)技術(shù)難題。
 
　　在這項(xiàng)研究中，基因組中心教授唐海寶、副教授張興坦發(fā)明的ALLHiC新算法則填補(bǔ)了同源多倍體基因組拼接算法上的技術(shù)空白。
 
　　明瑞光介紹，多倍體基因組內(nèi)多個(gè)等位基因之間存在序列相似性，如果僅僅依賴現(xiàn)有算法拼接會(huì)有很大的挑戰(zhàn)。因此，為了解決同源多倍體組裝難題，該研究開發(fā)了ALLHiC新算法。
 
　　“該算法有兩處重要?jiǎng)?chuàng)新：一是結(jié)合染色體互作數(shù)據(jù)（HiC）解決了同源染色體分型問題，二是利用隨機(jī)優(yōu)化算法解決了高倍體染色體內(nèi)短序列之間的排序和定向。ALLHiC算法有效區(qū)分了甘蔗基因組內(nèi)多個(gè)單倍型，另外對(duì)于其他復(fù)雜多倍體基因組也會(huì)有廣泛的應(yīng)用。”唐海寶表示。
 
　　研究人員還確定了割手密中C4光合途徑是經(jīng)典的NADP-ME類型。因此，這些研究不僅將促進(jìn)甘蔗分子生物學(xué)的快速進(jìn)展，更由于甘蔗是發(fā)現(xiàn)C4光合作用途徑的植物和研究同源多倍體遺傳的主要植物，其對(duì)人類深化同源多倍體植物研究，同樣具有十分重要的科學(xué)意義。