現代雜交甘蔗簡介

現代雜交甘蔗是地球上收穫最多的作物之一，用於製造糖、糖蜜、生物乙醇和生物基材料等產品。它也擁有最複雜的基因藍圖。迄今為止，甘蔗複雜的遺傳學使其成為最後一個沒有完整和高度精確基因組的主要作物。科學家開發並結合多種技術，成功繪製出甘蔗的遺傳密碼圖。有了這張地圖，他們就能驗證抗褐銹病的具體位置，這種褐銹病如果不加以控制，就會對糖料作物造成毀滅性打擊。研究人員還可以利用基因序列來更好地了解醣類生產中涉及的許多基因。甘蔗遺傳研究進展這項研究是美國能源部聯合基因組研究所（JGI）社區科學計畫的一部分，JGI是能源部科學辦公室在勞倫斯伯克利國家實驗室（柏克萊實驗室）的使用者設施。該研究於3月27日發表在《自然》雜誌上，基因組可透過JGI的植物入口網站Phytozome取得。”這是我們迄今為止完成的最複雜的基因組序列，”JGI 植物計畫負責人、哈德遜阿爾法生物技術研究所（HudsonAlpha Institute for Biotechnology）研究員傑里米-施穆茨（Jeremy Schmutz）說。 “這表明我們已經取得了很大進展。這種事情在10 年前人們認為是不可能的。我們現在能夠實現我們認為在植物基因組學領域不可能實現的目標”。甘蔗的基因組之所以如此複雜，一方面是因為它體積龐大，另一方面是因為它比一般植物含有更多的染色體拷貝，這一特徵被稱為多倍體。甘蔗有大約100 億個鹼基對（DNA 的組成單位）；相較之下，人類基因組約有30 億個鹼基對。甘蔗DNA 的許多片段在不同染色體內部和之間都是相同的。因此，在重建完整基因藍圖的同時，正確重組所有小段DNA 是一項挑戰。研究人員將多種基因定序技術結合起來，包括一種新開發的名為PacBio HiFi 的定序方法，這種方法可以準確地確定較長DNA 片段的序列，從而解決了這個難題。了解並利用甘蔗基因組有了完整的”參考基因組”，研究甘蔗就更容易了，研究人員可以將甘蔗的基因和通路與其他研究得比較透徹的作物（如高粱或其他感興趣的生物燃料作物，如開關草和馬齒莧）的基因和路徑進行比較。透過與其他作物進行比較，可以更容易地了解每個基因是如何影響相關性狀的，例如哪些基因在製糖過程中高度表達，或哪些基因對抗病性很重要。這項研究發現，負責抵抗棕色銹病的基因只存在於基因組的一個位置，而棕色銹病是一種真菌病原體，曾經造成甘蔗作物數百萬美元的損失。這張圖片顯示的是基因排序圖（使用GENESPACE 創建），它比較了相關植物物種的基因組組裝情況。水平白線代表染色體，連接染色體的彩色編織線表示保守的基因塊。這樣，研究人員就能將研究得比較透徹的作物（如雙色高粱，一種特殊的高粱）中的保守基因追蹤到更複雜的基因組中，如野生甘蔗和栽培品種R570，從而更好地了解它們的功能。為了形成對比，上一行提供了R570 先前的單倍體組合，其中基因組中的多個染色體拷貝被表示為單一的馬賽克組合。圖片來源：Adam Healey 與John Lovell/HudsonAlpha論文第一作者、HudsonAlpha 公司研究員亞當-希利（Adam Healey）說：”當我們對基因組進行測序時，我們填補了圍繞褐銹病的基因序列空白。甘蔗基因組中有數十萬個基因，但只有兩個基因共同發揮作用，保護植物免受病原體的侵害。據我們所知，在所有植物中，以類似方式進行保護的情況屈指可數。更好地了解甘蔗的這種抗病性是如何起作用的，有助於保護其他面臨類似病原體的作物。”研究人員對一種名為R570 的甘蔗栽培品種進行了研究，幾十年來，該品種一直被世界各地用作了解甘蔗遺傳學的模型。與所有現代甘蔗栽培品種一樣，R570 也是由甘蔗馴化品種（產糖能力強）和野生品種（攜帶抗病基因）雜交而成的。對農業和生物能源的潛在影響論文的最後一位作者、法國國際發展農業研究中心（CIRAD）甘蔗研究員安熱莉克-德洪（Angélique D’Hont）說：”了解R570 的完整遺傳圖譜將使研究人員能夠追蹤哪些基因來自哪個親本，從而使育種人員更容易確定控制相關性狀的基因，以提高產量。”改良未來的甘蔗品種在農業和生質能源領域都有潛在的應用前景。改良甘蔗的產糖方式可以提高農民的作物產量，在相同的種植面積上提供更多的糖分。甘蔗是生產生質燃料（尤其是乙醇）和其他生物產品的重要原料或起始材料。甘蔗壓榨後剩下的殘渣稱為甘蔗渣，是重要的農業殘渣，也可分解轉化為生物燃料和生物產品。聯合生物能源研究所是伯克利實驗室領導的能源部生物能源研究中心，該研究所的首席科技官布雷克-西蒙斯（Blake Simmons）說：”我們正在努力了解植物中的特定基因與下游生物質品質的關係，然後我們可以將生物質轉化為生質燃料和生物產品。”「有了對甘蔗遺傳學的深入了解，我們就能更好地理解和控制植物基因型，從而生產出我們所需的醣類和甘蔗渣衍生中間體，實現與生物經濟相關的規模化可持續甘蔗轉化技術”。

到目前為止，甘蔗複雜的遺傳學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圖譜，並確定了關鍵區域–包括與糖的生產和運輸以及對褐銹病的抗病性有關的幾個區域。甘蔗的參考基因組可用於幫助培育抗逆性較強的作物或提高糖產量，並可應用於農業和生物能源領域。

編譯自: ScitechDaily