主要作物的基因组多样性如何告诉它们的进化故事

2024年3月27日，发表在《自然》杂志上的一项研究宣布，甘蔗基因组终于被破解。由于甘蔗基因组的复杂性，这是一项了不起的成就。20多年前，水稻是第一个被测序的作物基因组，它是“简单的”：12条染色体，每条染色体有两个相同的拷贝，总共有4亿个碱基对（Mb）（位于两条互补DNA链上的氮碱基对）

甘蔗要复杂得多：它是一种多倍体，比传统植物含有更多的染色体拷贝。对于一个20倍大的基因组来说，它要测序的染色体是水稻的10倍，每个染色体都更长。为了破解这个密码，CIRAD研究团队想出了用高粱作为模型的想法，因为它是同一家族（禾本科或禾本科）的近亲，基因组冗余度要低得多

但为什么要研究作物及其不同品种的基因组呢？事实上，它们所包含的多样性揭示了它们的进化方式，因为农民在不同的环境中出于各种目的选择了它们。例如，水稻是通过喜马拉雅山周围出现的不同形态之间的突变和自然杂交进化而来的，这些形态是在一万年前开始的驯化过程中每年选择的。这就产生了足够数量的品种来保证在广泛的环境中生产

就甘蔗而言，它来自东南亚的岛屿：它是更广泛的基因混合的结果，融合了几个相关物种。这使它能够结合对各种疾病的抵抗力和无与伦比的营养活力，使其成为生产生物量最有效的植物。它对基因混合非常宽容，可以产生各种各样的杂交种，甚至是属间杂交种，将不同的植物物种结合在一起

了解植物过去是如何适应的，有助于规划和加快未来作物的适应

这促使CIRAD早在1986年就建立了一个热带物种基因组分析实验室。该实验室后来成为Grand plateau technique réregional de génotypage（区域基因分型平台）。其团队制作了第一张基因图谱，然后，由于国家基因分型结构，特别是Génoscope，以及各种国际合作，他们在2010年代将几种热带植物列入领先的生物模型，如可可、香蕉和柑橘，从而成为新闻

近年来，名单越来越长，有阿拉比卡咖啡、香草，当然还有甘蔗。目前正在椰子、橡胶、油棕、山药、花生和高粱以及fonio方面取得进展，将基因组范围扩大到本土植物

对于品种易于杂交的植物，这使得能够精确定位与重要农艺性状相关的序列——在田间或加工和消费方面。下一步是在繁殖者——新品种的创造者——在生长条件下对后代进行分类之前进行混合

对于其他物种，混合需要更长的时间，而且更随机。它有时会被不太可能的、几乎是奇迹般的组合所打断。科学家们已经能够强调细心的人类成功识别出的令人惊讶的杂交：甜点香蕉、芭蕉香蕉、橙子、柠檬、葡萄柚、炉甘丁和阿拉比卡咖啡

以可可为例，根据前哥伦布时代陶器碎片中发现的现代基因组和古代DNA，研究其基因组多样性是可能的

可可起源于亚马逊，很早就被人类传播，可能在5000多年前，远至太平洋海岸和中美洲。许多混合发生在基因起源非常遥远的种群之间，这使可可能够适应这些新环境

对于巧克力爱好者来说，这种混合也使新的香气特性得以发展，比如目前在Criollo和Nacional品种生产的豆子中发现的香气特性

就香蕉而言，基因组学结果表明，它们的驯化始于新几内亚地区，基于木犀属、裂果属和可能的斑马群之间的杂交

这些第一批品种随后被运输到东南亚的不同地区，并与当地穆萨属的其他亚种杂交，从而使它们多样化，形成了我们现在所知的不同类型的品种，其中涉及多达七个祖先贡献者

至于柑橘类物种，它们的基因组多样性表明，现代生长的大多数物种都是由四个创始物种产生的。例如，酸橙（Citrus latifolia）是地中海柠檬和主要酸橙自然杂交的结果，涉及四个祖先物种

基因组学揭示了生殖细胞（配子）在这些复杂的基因组环境中产生的方式，并有助于为培育抗病砧木铺平道路

最后，阿拉比卡咖啡也是这些不太可能的杂交案例之一的结果。它融合了两个不同物种（咖啡和优生学）的基因组，但这种情况只发生过一次

这个新的十字架发生在大约50万年前的埃塞俄比亚，阿拉伯人在14世纪左右选择了它来生产咖啡。由于每种植物的多样性，它带来了许多特性，但从中衍生出来的所有植物几乎都是相同的

从那时起，继续适应，寻找其他罕见的事件，通过其他来源的渗入来扩大这种多样性，成为优先事项。现在人们的注意力集中在埃塞俄比亚和也门的本地化形式上

所有这些针对每种作物的不太可能的事件都非常有益，但很难繁殖。在我们了解所有细节之前，不可能为了创造和保持适应所需的多样性而探索变体。某些形式，其中一些极为罕见，是未来至关重要的字符的唯一来源

CIRAD与INRAE和IRD合作，并与国际研究网络和私人机构联合，在蒙彼利埃、科西嘉、瓜德罗普、法属圭亚那和留尼汪以种子、冻干细胞或整株植物的形式保护和维护遗传资源收藏

这些活动成本高昂，但代表着对未来至关重要的投资。通过调动现有的多样性，与其他参与者——从农民到研究中心——密切合作，我们正在为明天的品种做准备

基因组多样性是未来行动的一个关键因素，已成为一个全球性问题。如果我们知道如何揭示某些序列在生物学潜力方面所能提供的东西，我们就可以引导它们向后代传播。甚至有可能通过基因组编辑的方式改写它们，将所需的生物特性传递给现有品种，而不必进行杂交

如果存在生物技术知识，这种遗传改良方法似乎是无限的，尤其是通过促进混合。因此，围绕社会选择和知识产权的问题现在正在一个知识领域出现，而这个领域目前是一个大辩论的主题

首先，这种对基因组多样性的探索是为了应对气候变化这一环境挑战，这就需要加快操作，使植物适应特定的环境——不同的生长区——既有对比，也有快速变化，并与生产者密切互动

然而，它也解决了一个社会问题：必须保证获得信息，使每个人都能接受信息，调整作物，并继续以可持续的方式养活自己。因此，我们正在通过为每种植物提供专用基因组数据库的生物信息学平台，努力扩大数据和分析工具的获取范围。我们正在为法国的初级科学家和我们在全球南方的合作伙伴提供功能和比较基因组学工具以及如何使用这些工具的培训，以帮助建立更公平的技能

Journal information: Nature