在国家863计划“甘蔗、人参功能基因组学研究与应用”(2013AA102604)的资助下,福建农林大学经过五年多的努力,破译了甘蔗基因组并解析甘蔗野生种“割手密”的一系列生物学问题。研究成果以“Allele-defined
genome of the autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum
L.”为题于2018年10月8号在国际权威学术期刊《自然·遗传学》(Nature
Genetics)上在线发表。

福建农林大学联合美国、巴西等国家团队研究出可以让甘蔗更甜方法!甘蔗割手密种基因组的破译是甘蔗基础生物学研究的一个里程碑。这些研究将促进甘蔗分子生物学的快速进展,使甘蔗实施分子育种策略成为可能,从而加快甘蔗品种改良和产业发展。

甘蔗是基因组最为复杂的作物之一,是单产生物量最大的作物,也是发现C4光合作用途径和研究同源多倍体遗传的模式植物。甘蔗是世界上最重要的糖和生物燃料作物,生产80%的糖和40%的生物燃料。甘蔗是世界性的大宗农产品,根据联合国粮农组织的数据,甘蔗产值超过玉米,在农作物中排在水稻、小麦、大豆、西红柿之后。由于甘蔗经济价值重大,近十多年来,国际上很多国家都在积极开展甘蔗基因组的研究,但由于受其复杂的大基因组、多倍体以及同源异源杂交品种等因素限制,均未获得突破性进展。

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项目组应用第三代测序技术,结合物理图谱,并针对同源多倍体基因组拼接组装这一世界性难题开发了新算法,成功地将甘蔗野生种“割手密”四倍体基因组组装到了32条染色体上。甘蔗野生种“割手密”是现在甘蔗栽培品种的重要亲本,为现代栽培杂交种提供了逆境抗性基因资源,其基因组约占甘蔗杂交种基因组的15%。通过分析,科研人员解析了野生种“割手密”作为甘蔗杂交育种抗性基因来源的生物学基础,鉴定了其碳四光合作用的具体类型,阐明了甘蔗高糖含量的基因组学基础,
奠定了我国甘蔗基础生物学研究的国际领先地位。

五味之一的“甜”,离不开甘蔗的贡献。甘蔗为什么这么甜,能不能更甜?全世界90多个国家生产甘蔗,种植面积达2600万公顷。科学研究能否促使甘蔗产业更上一层楼?这些问题在最近一项研究成果中得到了解答。

甘蔗野生种“割手密”种基因组破译是甘蔗基础生物学研究的一个里程碑。该项成果揭示了野生种“割手密”种的基因组演化、抗逆性来源、高糖以及自然群体演化的遗传学基础,这些研究将促进甘蔗分子生物学的快速进展,使甘蔗实施分子育种策略成为可能,从而为加快我国甘蔗品种改良和甘蔗产业发展提供重要的科技支撑。

学术期刊《自然—遗传学》日前在线发表福建农林大学教授明瑞光团队的研究论文《甘蔗割手密种同源多倍体基因组》,在全球首次公布甘蔗割手密种的基因组,并解析了甘蔗割手密种的系列生物学问题。

甘蔗割手密基因组首次公布

根据联合国粮农组织数据,甘蔗的产值在农作物中排在玉米之前,水稻、小麦、大豆、西红柿之后,名列第五。我国则是全球第三大甘蔗生产国,全国糖业信息中心最新数据显示,2018/2019年度全国种植甘蔗128万公顷,产量为7700万吨,农业直接年产值约385亿元。

甘蔗不仅经济价值巨大,其本身也是世界上最重要的糖和生物燃料作物,生产80%的糖和40%的生物燃料,是单产生物量最大的作物,也是发现C4光合作用途径的植物和研究同源多倍体遗传的主要植物。

不过,尽管甘蔗如此重要,甘蔗基因组的破译却一直是世界性难题。近十多年来,国际上很多积极开展甘蔗基因组研究的国家,如巴西、法国、泰国等,均未获得突破性进展。

“这是由于受甘蔗复杂的大基因组、高多倍体以及同源异源杂交品种等因素限制。”明瑞光解释道。

正是因为很难取得突破性进展,也就导致了长久以来甘蔗品种单一化的问题十分严重,产业依靠扩大种植面积等传统生产方式已经难以维系。

“我们这项研究的结果,产生的基因组学资源,将有助于缩短甘蔗育种周期、加快甘蔗品种改良,让‘甜蜜事业’变得更甜。”明瑞光说。

他介绍,现代甘蔗品种是热带种和野生种割手密杂交后,再通过与热带种回交恢复高糖分含量和高生物量。杂交种的基因组组成是:75%~85%来自热带种、15%~25%来自割手密。

割手密是甘蔗栽培品种的重要原始亲本之一,在甘蔗杂交育种方面具有重要利用价值,其提供的是病虫害和逆境的抗性基因。

因此,福建农林大学基因组中心教授张积森团队从甘蔗野生种割手密富含抗性基因和染色体基数降低等生物遗传特征入手,在甘蔗割手密种基因组中首次发现了富集抗性基因的重组区域,系统地阐明了割手密作为甘蔗育种抗原的生物学基础。