米兰官网-百年“蔗”谜破解：基因三维地图护航“糖罐子”—新闻—科学网

白糖是一样平常糊口中平凡的调味品，它暗地里的甘蔗却拥有繁杂患上如同迷宫的基因组。时隔100年，甘蔗研究范畴于《科学》杂志发表第二篇长文研究论文。

2026年2月6日，广西年夜学传授张积森团队结合福建农林年夜学于《科学》发表最新研究结果。该研究初次构建了笼罩现代甘蔗主栽品种和其野生先人物种的多标准图谱泛基因组，于此基础上体系解析甘蔗繁杂混淆倍体基因组布局，提出合用在高倍体作物的剂量感知联系关系阐发（DosageGWAS）新要领，乐成锁定一批与分蘖数、产量、含糖量及叶片角度等主要农艺性状相干的要害基因，并验证了SaTB1基因显著促成分蘖、成倍提高甘蔗产量的功效。

论文评审人认为，该结果出现了一项极具意见意义性且使人瞩目的立异性研究，对于象是最为繁杂的植物基因组体系之一：禾本科的甘蔗属。

为了“种甘蔗”

甘蔗是全世界最主要的糖料及能源作物之一，提供了世界约80%的食糖及40%的燃料乙醇。我国事世界上最早用甘蔗制糖的国度之一，已经有2000多年的汗青。食糖是瓜葛国计平易近生的主要战略物质，除了一样平常消费外，2000多种工业产物需要用糖作为原质料。

然而，“甘蔗基因组是植物科学范畴公认的难题，国际上很多基因组学研究范畴的权势巨子科学家研究过，都认为这是基因组最繁杂的物种之一。”论文通信作者张积森告诉《中国科学报》，现代栽培甘蔗品种源在高糖的热带种甘蔗与高抗逆的野生甘蔗于百余年前的杂交回交。甘蔗的遗传布局尤其繁杂，“像一团乱麻”，其多为8倍体、10倍体甚至更高倍性，染色体数量于100~130条之间；同源多倍体与异源多倍体身分并存；染色体断裂、交融及非整倍表现象遍及；反复序列及转座子高度富集。

“这些特性使患上传统的单一线性参考基因组难以同时容纳差别倍性、差别染色体数及差别遗传配景，等位基因剂量难以正确区别，测序数据于比对于历程中呈现年夜量多重比对于及信息丢掉等问题。”张积森说，传统要领底子理不清，“单一线性基因组”范式于甘蔗等繁杂多倍体作物中已经靠近掉效，亟需新的基因组参考系统。

甘蔗基因组研究的坚苦不仅于在其科学繁杂性，更于在其财产主要性。我国每一年消费食糖约1500万吨，自产糖约1000万吨，需入口约500万吨。广西作为我国最年夜的蔗糖出产基地，糖料蔗莳植面积不变于1100万亩以上，蔗糖产量不变于600万吨以上，占天下60%以上。冲破甘蔗基因组研究瓶颈，对于保障国度食糖安全具备战略意义。

然而，现代甘蔗育种高度依靠有限的亲本质料，遗传基础狭小、种质资源使用不足，制约了产量及抗逆性进一步晋升。“研究的初志是破解多倍体遗传暗码，使用挖掘的要害基因来举行生物技能育种。”张积森说，这份初心支撑着团队于坚苦眼前不畏缩。“假如只做基因组研究，咱们的事情就掉去了运用价值。”

2021年，张积森团队最先为这项研究做预备，最初想体系性地解析甘蔗属基因组的演化及变异纪律。2022年他从福建农林年夜学调任广西年夜学，项目正式启动。“我就是为了种甘蔗，以是来了广西年夜学。”由于广西是我国最年夜的甘蔗产区，要弄甘蔗育种必需亲自莳植甘蔗；甘蔗财产是广西成长的重点财产，不到广西就弄不清晰财产真实的需求。

这一年，于开端研究的基础上，他们发明，要想真正实现“于多倍体里找基因”，必需先为甘蔗的繁杂基因组打造一个更精准的“新舆图”（图泛基因组），而不是继承于存于严峻误差的“旧舆图”（线性参考基因组）上探索。

张积森注释道，线性参考基因组网络的基因变异信息太少，对于甘蔗这类繁杂基因组而言可能会漏掉绝年夜部门有价值的遗传变异信息。而图泛基因组最年夜的立异及价值于在可以成立一个同一的坐标体系，有益在正确定位基因组变异。

由此，该团队最先了于甘蔗基因组这一“世纪难题”上的连续攻坚。

从“二维”到“三维”

甘蔗基因组的繁杂性超乎凡人想象。“咱们的事情，简朴而言，就是把本来的二维基因组酿成了三维基因组。”张积森说。

假如把甘蔗基因组想象成一个拥有100多本差别册本（染色体），且册本内容高度反复的藏书楼。这些“册本”来自差别的先人（差别物种），版本各别（倍性差别），但很多章节内容相似。传统的浏览方式（线性参考基因组）就像试图为每一一本书零丁体例目次，但因为内容交叉反复，很难理清头绪并举行跨书比力。

论文配合第一作者、广西年夜学传授张清先容，甘蔗的古老先人拥有10条焦点染色体，以这10条原始染色体作为“祖宗”或者“分类标签”，将测序获得的来自差别物种、差别品种的所有染色体片断，与这10条“祖宗染色体”举行比对于，序列相似度高、属在同源瓜葛的片断，无论它现实来自哪条染色体，城市被划分到统一个“染色体群落”里，实现“认祖归宗”。

划分群掉队，所有繁杂的遗传信息就有了同一的坐标系，所有比力均可以于“群落”内部举行，成果精准。于这个同一的坐标系上，他们立异性地提出了多标准图谱泛基因组框架，将9套差别的基因组整合到同一的图谱中，终究构建出“三维”的图泛基因组。

张积森说，该图谱将布满冗余的甘蔗基因组压缩了约34%，捕捉了约82%的甘蔗基因组多样性，而现有最优单一参考基因组仅能笼罩约34%。

论文配合第一作者、福建农林年夜学讲师黄育敏先容，依托切确的图泛基因组，研究团队对于417份甘蔗和其近缘质料开展了体系的图谱比对于及群体遗传阐发，质料涵盖野生甘蔗、家种甘蔗、现代栽培品种和近缘种等多个类群，证明现代栽培甘蔗中约70~90%的遗传身分来历在热带种甘蔗。

于此基础上，研究团队发明了碳水化合物及淀粉/蔗糖代谢、植株布局发育和抗逆相应等功效通路，锁定了一批与糖运输与代谢、株型与分蘖、着花期和窘境顺应相干的要害候选基因，此中跨越一半是仅于图泛基因组阐发框架下才发明的。

他们还有发明，黍黍族中经典的驯化基因TB1是甘蔗分蘖的要害功效基因，敲除了该基因后，甘蔗体现出显著更多分蘖、提早分蘖启动，并陪同产量晋升。

论文配合第一作者、广西年夜学研究助理张以星先容，针对于多倍体作物中传统基因组联系关系阐发（GWAS）难以正确描画等位剂量信息的难题，研究团队于图谱泛基因组框架下提出了新的阐发要领——剂量感知联系关系阐发（DosageGWAS）。新要领显著提高了联系关系阐发的敏捷度及注释力，不仅检测到更多显著联系关系位点，并且对于糖分性状及叶片角度性状的遗传力注释度年夜年夜晋升，自力验证的剂量差异位点数目也较着增长。

动态演进型“甘蔗基因资源基础举措措施”

1926年，《科学》杂志发表了古巴科研团队的长论文（article），该结果成立了甘蔗花叶病毒的接种系统并举行分级评价，为理解甘蔗病害奠基了基础。

直到100年后，《科学》才发表了第二篇甘蔗研究的长文。两位美国科学院院士、佛罗里达年夜学传授Douglas E. Soltis及Pamela Soltis同期于《科学》上针对于这项研究发表了评述。文中指出，该研究展示了植物泛基因组学的最新程度，为植物基因组学及作物科学提供了周全的、多维度的基因组资源及阐发框架。“很快，于物种内发明广泛的遗传变异——不管是序列多态性还有是布局变异——将再也不是新鲜事，核心将转向理解这类多样性的素质及功效。”该文称。

“咱们3月3号投稿，编纂收到之后就很感兴致，一个礼拜后就最先送审。”张积森说，一个多月后，他们就获得了第一轮修改定见，三个评审人对于他们的研究事情评价很高。

8月下旬，“我其时本身窝于家里写了10天，偶然去一下试验室，周全重写，终究熬出来了。国庆后我收到了稿件被原则性吸收的邮件。那一天，我是真的很是高兴，咱们提早庆祝了一下，约请所有介入作者一路会餐。”张积森回忆。

为验证要领的普适性，研究团队将这一多标准图谱泛基因组计谋推广至异源多倍体小麦、棉花以和同源多倍体土豆等多倍体物种。成果注解，“多标准图谱+ 剂量感知GWAS”框架不仅合用在甘蔗，也可跨物种、跨多倍体作物广泛推广，为繁杂作物基因组研究及份子育种提供通用东西。

三位院士对于这一结果赐与高度评价。中国科学院院士、中国科学院份子植物科学卓着立异中央研究员韩斌说，该研究完全改写了人们对于甘蔗基因组“不成解”的传统认知，为小麦、苜蓿、土豆等繁杂多倍体作物精准改进提供了主要范式。

中国科学院院士、华南农业年夜学传授刘耀光指出，研究有用破解了植物多倍体“难分型、难比对于、难联系关系”的焦点瓶颈，显著晋升了基因组选择的正确性。

中国工程院院士、华中农业年夜学传授张献龙夸大，研究为繁杂多倍体作物成立了可操作的遗传—育种路径，冲破了持久悬而未解的要害难题。

对于在将来研究标的目的，张积森告诉《中国科学报》，该项研究结果有望于多个层面加快甘蔗育种进程：支撑高质量份子标志开发与基因组猜测；高效挖掘野生与罕见良好等位，为“回交导入+基因编纂”提供精准靶点；为将来“甘蔗泛基因组同盟”奠基基础，跟着中国种、印度种等汗青品种及区域性处所品种基因组的不停发布，现有甘蔗属超等泛基因组可连续扩大，慢慢形成笼罩全世界甘蔗种质的动态演进型“甘蔗基因资源基础举措措施”。

从试验室的基因组解析到田间的育种运用，这项研究正于悄然转变着甘蔗财产的将来。“咱们要真正把这个研究结果用起来。”张积森说。

相干论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adx1616