你知道吗？甘蔗不仅是全球糖分的主要来源，而且它还隐藏着许多未被发掘的秘密。今天，我们就来聊聊科学家们是如何通过全基因组测序技术解开甘蔗品种改良之谜的！

广东省科学院南繁种业研究所在《The Plant Journal》杂志上发表题为“Whole-genome sequencing of a worldwide collection of sugarcane cultivars (Saccharum spp.) reveals the genetic basis of cultivar improvement”的文章。研究通过对219个全球范围内的甘蔗栽培品种（Saccharum spp.）进行全基因组测序，揭示了这些栽培品种遗传多样性和遗传基础。

一、 研究背景 

甘蔗是一种重要的经济作物，在全球范围内广泛种植。然而，甘蔗作为一种高度复杂的多倍体作物，其遗传差异和农艺性状的基础一直未被完全揭示。本研究对219个世界范围内的优质甘蔗栽培品种进行了全基因组重测序，并通过全基因组关联分析（GWAS）关联了甘蔗的农艺性状与基因型之间的关系。这些研究结果对于深入了解甘蔗的遗传改良和加速甘蔗育种进程具有重要意义。

二、 研究方法 

全基因组重测序+GWAS（全基因组关联分析）+转基因实验验证（qRT-PCR）

图1 甘蔗品种的地理分布

三、 主要结果 

研究人员对全球219个甘蔗栽培品种进行了全基因组重测序，产生了约13.6 Tb的reads，平均测序深度21×，鉴定了6, 064,835个高质量的单核苷酸多态性（SNP）。

图2 全基因组SNP密度

通过全基因组关联分析，鉴定了2198个与蔗糖含量、植株数量、植株高度、茎直径、甘蔗产量和蔗糖产量显著相关的SNPs。结合选择标记检测，识别出了104个在GWAS和选择标记检测中均显著的位点。实验观察到与上述农艺性状相关的SNPs或单倍型有利等位基因呈现纯合的趋势，超过80%的甘蔗品种携带了这些有利等位基因（图3）。

图3 6个农艺性状全基因组关联研究结果

基因渗入分析显示，在品种改良进程中，来源于野生甘蔗（Saccharum spontaneum）的染色体片段数量随育种时间减少，而来源于Saccharum officinarum的片段数量则增加，这揭示了品种改良中亲本贡献的动态变化（图4）。

图4 Saccharum spp.与S. spontanum和S. officinarum单核苷酸多态性相似性比率

研究中还发现了一个重要的基因——含有L型凝集素结构域的受体激酶基因（ShL-LecRLK 4.4），该基因在调控蔗糖和淀粉代谢过程中扮演重要角色，直接与UDP-葡萄糖焦磷酸酶相互作用，从而影响蔗糖的积累。通过对不同育种年份的甘蔗品种进行比较，研究者们确定了一个特定的等位基因组合（Hap10），它与更高的蔗糖含量密切相关。此外，通过转基因实验证实过表达另一个基因ShN/AINV3.1可以显著增加甘蔗的茎芽数量和其他农艺性状，表明该基因为理解农艺性状的遗传基础提供了全面的资源，有利于种质创新、分子标记筛选和未来甘蔗品种改良（图5-6）。

图5 ShL-LecRLK 4.4与甘蔗蔗糖积累关系

图6 ShN/AINV3.1增加甘蔗茎秆数

四、 研究结论 

本研究通过对219个品种的基因组进行重新测序，提供了一个全面的甘蔗基因组变异图，并深入了解了不同品种的基因组变异以及甘蔗改良过程中的人工选择或适应，揭示了ShN/AINV3.1对甘蔗生长有积极影响。这些结果为了解甘蔗农艺性状的遗传基础提供了宝贵的资源，并将有助于开发未来甘蔗育种的分子标记。

  凌恩生物  

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