甘蔗割手密種基因組的破譯是甘蔗基礎(chǔ)生物學(xué)研究的一個里程碑。這些研究將促進甘蔗分子生物學(xué)的快速進展，使甘蔗實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。甘蔗為什么這么甜，能不能更甜？全世界90多個國家生產(chǎn)甘蔗，種植面積達2600萬公頃。科學(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)教授明瑞光團隊的研究論文《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。我國則是全球第三大甘蔗生產(chǎn)國，全國糖業(yè)信息中心數(shù)據(jù)顯示，2018/2019年度全國種植甘蔗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)濟價值巨大，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，國際上很多積極開展甘蔗基因組研究的國家，如巴西、法國、泰國等，均未獲得突破性進展。
 
　　“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。
 
　　正是因為很難取得突破性進展，也就導(dǎo)致了長久以來甘蔗品種單一化的問題十分嚴重，產(chǎn)業(yè)依靠擴大種植面積等傳統(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隊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)運蛋白基因家族的串聯(lián)復(fù)制和擴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)研究的一個里程碑。這些研究將促進甘蔗分子生物學(xué)的快速進展，使甘蔗實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、巴西等國家的研究機構(gòu)共同完成，標志著全球農(nóng)作物基礎(chǔ)生物學(xué)研究取得重大突破，奠定了我國在甘蔗研究領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
 
明瑞光團隊是如何做的？
 
　　研究人員應(yīng)用目前進的第三代測序技術(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，達到了分辨率，可以準確地研究同源多倍體的基因功能、基因表達、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，同源多倍體基因組的組裝是一個技術(shù)難題。
 
　　在這項研究中，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。
 
　　“該算法有兩處重要創(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)多個單倍型，另外對于其他復(fù)雜多倍體基因組也會有廣泛的應(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甘蔗分子生物學(xué)的快速進展，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。