甜美的成功：研究者破解甘蔗的複雜基因組

研究重要結論

• 截至目前為止，甘蔗複雜的基因組使其成為最後一個沒有完整和高精度基因組的主要作物。

• 研究人員結合多種技術成功繪製出甘蔗的DNA並識別出關鍵區域，包括幾個與糖的生產、運輸以及褐銹病的抗性相關的區域。

• 甘蔗的參考基因組可用於育種更具抗性的作物或提升糖的產量，並在農業及生物能源應用中有潛力。

現代雜交甘蔗是全球最常被收穫的作物之一，製成的產品包括糖、糖蜜、生物乙醇和生物基材料。它同時也擁有其中最為複雜的基因藍圖。

直到現在，甘蔗的複雜基因組使其成為最後一個沒有完整且高準確度基因組的主要作物。科學家們已經開發並結合多種技術，成功繪製出甘蔗的遺傳密碼。憑藉這張地圖，他們能夠驗證能有效抗擊影響大的褐銹病的特定位置；如果不受控製，這種疾病會對甘蔗作物造成毀滅性損害。研究者們還可以利用這個基因序列來更好地了解參與糖的生產的多個基因。

這項研究是美國能源部聯合基因研究所（Joint Genome Institute，JGI）的社區科學計劃的一部分，該機構是位於洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的能源部科學辦公室用戶設施。該研究今天發表在《自然》期刊上，基因組可通過JGI的植物入口Phytozome獲得。

「這是我們迄今為止完成的最複雜基因組序列，」JGI植物計劃負責人兼HudsonAlpha生物技術研究所的教職研究員Jeremy Schmutz表示。「它顯示了我們的進步程度。10年前，人們認為這是不可能的事情。我們現在能完成的目標是過去認為不可能達到的。」

甘蔗基因組的挑戰與技術

甘蔗基因組之所以如此複雜，主要是因為它不僅基因組龐大，也因為其染色體拷貝數比典型植物多的特點，這被稱為多倍體（polyploidy）。甘蔗擁有約10億個堿基對，這些是DNA的基本單位；相比之下，人類基因組大約擁有30億個。甘蔗的DNA許多部分在不同染色體之間、甚至在同一染色體內都是相同的。這使得在重組完整的基因藍圖時正確地重組所有小的DNA片段變得具有挑戰性。研究人員通過結合多種基因測序技術解決了這一難題，其中包括一種新開發的被稱為PacBio HiFi測序的方法，能夠準確確定較長的DNA片段序列。

擁有完整的「參考基因組」使得研究人員更容易進行甘蔗的研究，並能將其基因和途徑與其他已被良好研究的作物（如高粱）或其他生物燃料作物（如柳枝稷和蘆竹）進行比較。通過將此參考基因組與其他作物進行比較，研究人員更容易理解每個基因如何影響感興趣的性狀，例如哪些基因在糖生產過程中表達量較高，或哪些基因對抗病害重要。這項研究發現，負責對褐銹病（這是一種在過去造成數百萬美元損失的真菌病原）具有抗性的基因僅出現在基因組中的一個位置。

「當我們對基因組進行測序時，我們填補了有關褐銹病的遺傳序列中的空白，」論文第一作者、HudsonAlpha研究員Adam Healey表示。「在甘蔗基因組中有數十萬個基因，但只有兩個基因共同作用，能夠保護植物免受該病原的侵害。在植物中，目前所知的僅有少數幾個案例可以以類似的方式提供保護。更好地理解甘蔗中這種病害抵抗的機制，可能有助於保護其他面臨相似病原的作物。」

研究的未來方向與應用

研究人員研究了一種名為R570的甘蔗品種，該品種在全球範圍內已經使用了數十年，作為了解甘蔗遺傳學的模型。像所有現代的甘蔗品種一樣，R570是通過將高糖產量的馴化甘蔗物種與攜帶病害抗性基因的野生物種交叉繁殖而成的雜交品種。

「了解R570的完整遺傳圖像將使研究人員能夠追蹤哪些基因源自於哪個親本，這樣育種者就能更輕鬆地識別控制改良生產的感興趣性狀的基因，」論文最後作者、法國國際發展農業研究中心（CIRAD）的甘蔗研究員Angélique D’Hont表示。

改良未來的甘蔗品種對農業和生物能源具有潛在的應用。增強甘蔗的糖產量可能會提升農民的產量，使他們在相同的生長空間內獲得更多的糖。甘蔗是生產生物燃料（尤其是乙醇）和其他生物產品的重要原料或起始材料。在甘蔗壓榨後留下的殘渣稱為甘蔗渣，這是一種重要的農業殘留物，也可以被分解並轉化為生物燃料和生物產品。

「我們正在努力理解植物中某些基因如何與我們最終獲得的生物質質量相關，這樣我們便可以將其轉化為生物燃料和生物產品，」聯合生物能源研究所的首席科學及技術官Blake Simmons表示，該研究所是由伯克利實驗室主導的能源部生物能源研究中心。「通過更好地理解甘蔗的遺傳學，我們可以更好地理解和控制可持續甘蔗轉換技術所需的植物基因型，以滿足生物經濟的規模需求。」

這項研究與來自世界各地的機構合作進行，包括法國（CIRAD、UMR-AGAP、ERCANE）、澳大利亞（CSIRO農業與食品、昆士蘭農業與食品創新聯盟/昆士蘭大學植物成功卓越中心、糖業研究澳大利亞）、捷克共和國（捷克科學院實驗植物學研究所）以及美國（Corteva農科學、聯合生物能源研究所）。該基因組在JGI進行測序，並於JGI合作實驗室完成工作，包括亞利桑那基因組研究所和HudsonAlpha生物技術研究所。

聯合基因研究所是美國能源部科學辦公室的用戶設施。聯合生物能源研究所是能源部生物能源研究中心。

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Meta Title: 研究者破解甘蔗複雜基因組，開創農業新機遇

Meta Description: 研究團隊成功描繪甘蔗基因組，揭示與糖產生和病害抗性相關的基因，為未來農業和生物能源的應用鋪平道路。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。