甜蜜的成功：研究人员破解甘蔗复杂的遗传密码

现代杂交甘蔗是地球上收获最多的作物之一，用于生产糖、糖蜜、生物乙醇和生物基材料等产品。它还有一个最复杂的基因蓝图

到目前为止，甘蔗复杂的基因使其成为最后一种没有完整且高度准确基因组的主要作物。科学家们开发并结合了多种技术，成功地绘制出甘蔗的遗传密码。有了这张地图，他们能够验证对这种影响巨大的褐锈病提供抵抗力的具体位置，如果不加以控制，这种病可能会摧毁食糖作物。研究人员还可以利用基因序列更好地了解与糖生产有关的许多基因

这项研究是作为美国能源部联合基因组研究所（JGI）社区科学计划的一部分进行的，JGI是劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的能源部科学办公室用户设施。这项研究今天发表在《自然》杂志上，基因组可通过JGI的植物门户网站Phytozome获得

“这是我们迄今为止完成的最复杂的基因组序列，”JGI植物项目负责人、HudsonAlpha生物技术研究所教员研究员Jeremy Schmutz说。“这表明我们已经走了多远。这是10年前人们认为不可能的事情。我们现在能够实现我们认为在植物基因组学中不可能实现的目标。”

甘蔗的基因组如此复杂，既因为它很大，也因为它比典型的植物含有更多的染色体拷贝，这一特征被称为多倍体。甘蔗有大约100亿个碱基对，它们是DNA的组成部分；相比之下，人类基因组大约有30亿个

甘蔗DNA的许多片段在不同的染色体内和染色体间都是相同的。这使得在重建完整的基因蓝图的同时正确地重新组装DNA的所有小片段成为一个挑战。研究人员通过结合多种基因测序技术，包括一种新开发的PacBio-HiFi测序方法，解决了这个难题，该方法可以准确地确定较长DNA片段的序列

拥有一个完整的“参考基因组”可以更容易地研究甘蔗，使研究人员能够将其基因和途径与其他研究良好的作物进行比较，如高粱或其他感兴趣的生物燃料作物，如柳枝和芒草。通过将这一参考与其他作物进行比较，可以更容易地理解每个基因如何影响感兴趣的性状，例如哪些基因在糖生产过程中高度表达，或者哪些基因对抗病性很重要

这项研究发现，负责抵抗褐锈的基因只在基因组中的一个位置发现，褐锈是一种真菌病原体，以前曾对甘蔗作物造成数百万美元的损失

该论文的第一作者、HudsonAlpha的研究员Adam Healey说：“当我们对基因组进行测序时，我们能够填补褐锈病基因序列中的空白。”

“甘蔗基因组中有数十万个基因，但只有两个基因共同作用，才能保护植物免受这种病原体的侵害。在整个植物中，我们只知道少数几种保护作用类似的例子。更好地了解甘蔗的这种抗病性是如何起作用的，有助于保护未来面临类似病原体的其他作物。”

研究人员研究了一种名为R570的甘蔗品种，该品种已在世界各地被用作了解甘蔗遗传学的模型数十年。像所有现代甘蔗品种一样，R570是一种杂交品种，由驯化的甘蔗品种（在制糖方面表现出色）和野生品种（携带抗病基因）杂交而成

Angé；lique D’Hont，该论文的最后一位作者，法国国际发展农业研究中心（CIRAD）的甘蔗研究员

改进未来的甘蔗品种在农业和生物能源方面都有潜在的应用。加强甘蔗的制糖方式可以提高农民从作物中获得的产量，从相同的种植空间中提供更多的糖。甘蔗是生产生物燃料，特别是乙醇和其他生物产品的重要原料或起始材料

甘蔗压榨后残留的残留物，称为甘蔗渣，是一种重要的农业残留物，也可以分解并转化为生物燃料和生物产品

伯克利实验室领导的美国能源部生物能源研究中心联合生物能源研究所首席科学技术官Blake Simmons表示：“我们正在努力了解植物中的特定基因与我们下游获得的生物质质量之间的关系，然后我们可以将其转化为生物燃料和生物产品。”