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美国和法国的科学家们近日利用多种技术，成功绘制出甘蔗的遗传图谱。有了这张图谱，他们就能够验证对褐锈病有抗性的具体位置。研究人员还可以利用基因序列更好地了解与蔗糖生产有关的多个基因。
甘蔗是世界上产量最高的作物，影响着全球历史、贸易和地缘政治。从全球范围的糖料作物来看，甘蔗糖占比约为80%左右。
与此同时，甘蔗也有着极其复杂的基因组。因此，它也成为目前唯一一种没有完整基因组图谱的主要作物。
美国和法国的科学家们近日利用多种技术，成功绘制出甘蔗的遗传图谱。有了这张图谱，他们就能够验证对褐锈病有抗性的具体位置。研究人员还可以利用基因序列更好地了解与蔗糖生产有关的多个基因。
这项研究是美国能源部联合基因组研究所（JGI）的社区科学计划中的一部分。研究成果于3月27日发表在《Nature》杂志上。目前，甘蔗基因组已发布在JGI的植物网站Phytozome上。
共同通讯作者、JGI植物项目的负责人Jeremy Schmutz表示：“这是到目前为止我们完成的最复杂的基因组序列。这种工作在十年前是无法想象的。我们现在能够实现我们以往认为在植物基因组学领域不可能实现的目标。”
甘蔗的基因组之所以如此复杂，一方面是因为它很大，另一方面是因为它含有更多的染色体拷贝。甘蔗有大约100亿对碱基；相比之下，人类基因组大约有30亿对。
尽管种间杂交和回交是现代甘蔗育种的关键步骤，但这些过程产生了多样而复杂的甘蔗基因组。甘蔗的染色体可能是高度杂合的、易位的、非整倍体的、种间重组的或与另一条染色体完全相同的。这使得人们在重建完整的遗传图谱时，正确地组装所有DNA小片段成为一大挑战。
研究人员通过结合多种基因测序技术来解决这个难题。他们使用了PacBio HiFi长读长测序、Bionano光学图谱分析、遗传连锁作图、共线性和Hi-C等方法。
在完整的“参考基因组”出炉后，甘蔗研究就变得更容易。研究人员能够将其基因和通路与其他充分研究的作物（比如高粱）中的基因和通路进行比较，以便了解每个基因如何影响感兴趣的性状，例如哪些基因在糖类生产过程中高度表达，或哪些基因对抗病性很重要。
这项研究发现，负责抗褐锈病（brown rust）的基因只存在于基因组的一个位置。褐锈病菌是一种真菌病原体，曾给甘蔗产业造成数百万美元的损失。
第一作者、HudsonAlpha生物技术研究所的Adam Healey表示：“当我们对基因组进行测序时，我们填补了与褐锈病有关的基因序列的空白。”
“甘蔗基因组中有数十万个基因，但只有两个基因共同作用，保护植物免受这种病原体的侵害。据我们所知，在整个植物界，以类似方式进行保护的例子屈指可数。更好地了解甘蔗的这种抗病性是如何起作用的，有助于保护其他面临类似病原体的作物。”
研究人员研究了一个名为R570的甘蔗栽培品种，几十年来，世界各地一直以这个品种为模型来了解甘蔗遗传学。像所有现代甘蔗栽培品种一样，R570是由甘蔗驯化种（在制糖方面表现优异）和野生种（携带抗病基因）杂交而成的。
共同通讯作者、法国农业研究国际发展中心的甘蔗研究员Angélique D’Hont称：“有了R570的完整基因组图谱，研究人员能够追踪哪些基因来自哪个亲本，从而使育种人员更容易确定控制相关性状的基因，并提高甘蔗产量。”
改良未来的甘蔗品种在农业和生物能源方面都有潜在的应用前景。改进甘蔗的产糖方式可提高农民的产糖量，在相同面积的种植空间内产生更多的糖。
同时，甘蔗也是生产生物燃料（特别是乙醇）以及其他生物产品的重要原料或起始原料。甘蔗压榨后的残留物（甘蔗渣）是一种重要的农业残留物，也可以被分解并转化为生物燃料和生物产品。
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