近日，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所/熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究并發(fā)布了甘蔗全基因組設(shè)計(jì)育種全球倡議。我院聯(lián)合國內(nèi)外知名科研單位的不同學(xué)科背景科學(xué)家，提出充分利用前沿生物技術(shù)和信息技術(shù)，加速遺傳資源和數(shù)據(jù)共享，推動甘蔗基因組設(shè)計(jì)育種的發(fā)展的戰(zhàn)略構(gòu)想。

 

　　甘蔗是世界和我國最重要的糖料作物，現(xiàn)有甘蔗育種體系面臨著跟不上全球消費(fèi)需求和氣候變化的重大挑戰(zhàn)。甘蔗育種周期長、復(fù)雜的多倍體基因組，嚴(yán)重阻礙了甘蔗生物育種進(jìn)程。近年來，甘蔗基因組學(xué)領(lǐng)域的突破為甘蔗育種提供了前所未有的機(jī)遇。一旦整合基因組測序、標(biāo)記輔助選擇和基因編輯技術(shù)，將有望加速開發(fā)具有更宜機(jī)、高產(chǎn)、高糖、高抗和適應(yīng)各種環(huán)境壓力的甘蔗品種。鑒于甘蔗基因組的復(fù)雜、遺傳轉(zhuǎn)化基因型有限以及針對多倍體物種的生物信息學(xué)工具的迫切需求，為了解決這些需求并推動甘蔗育種進(jìn)入創(chuàng)新和可持續(xù)的新紀(jì)元，國際合作至關(guān)重要。

 

　　甘蔗長達(dá)10-12年的育種周期，顯著抑制了遺傳改良的進(jìn)程。POJ2878在甘蔗育種中取得了歷史性的成功，但譜系分析顯示，1950年至2009年間，中國大多數(shù)商業(yè)品種僅來自少量親本，這引發(fā)了對遺傳多樣性狹窄的擔(dān)憂。源于種間雜交的甘蔗基因組高度多倍體和雜合特性，給基因組測序、組裝和分析帶來了重大挑戰(zhàn)。

 

　　盡管面臨以上挑戰(zhàn)，甘蔗育種通過將基因組測序與新開發(fā)的技術(shù)相結(jié)合，為加大遺傳增益和提高蔗糖產(chǎn)量提供了有極大潛力的解決方案?，F(xiàn)代育種方法（如：標(biāo)記輔助選擇（MAS）和快速育種等）以及基于轉(zhuǎn)基因的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，可以有效利用與農(nóng)藝性狀相關(guān)的遺傳控制知識。單分子測序的突破使得高效破解多倍體和非整倍體甘蔗基因組成為可能，這對于識別和表征與關(guān)鍵性狀相關(guān)的基因也至關(guān)重要。CRISPR/Cas9技術(shù)革命性地改變了基因編輯，提供了一種精確高效的目標(biāo)基因修改方法，從而引入有利特性，供了將期望基因引入甘蔗的有效替代方法，很好地克服傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化方法的局限性。開發(fā)專門的生物信息學(xué)流程并整合人工智能（AI），對于分析和解釋復(fù)雜的甘蔗基因組數(shù)據(jù)至關(guān)重要?；贏I的工具則有望預(yù)測出最佳親本組合，進(jìn)而整合優(yōu)良遺傳性狀，并加速育種過程。

 

　　國際甘蔗界在育種、基因組學(xué)和生物信息學(xué)方面擁有豐富的專業(yè)知識。20世紀(jì)90年代末以來，研究人員在解碼復(fù)雜的甘蔗基因組方面做出了重大努力，最終為幾個(gè)關(guān)鍵品種和相關(guān)物種組裝了高質(zhì)量的染色體級基因組。這些成就建立在數(shù)十年的開創(chuàng)性工作基礎(chǔ)上，包括早期BAC文庫測序工作和專門為多倍體基因組組裝設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性生物信息學(xué)工具，如ALLHiC算法。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合國內(nèi)外知名單位發(fā)起的甘蔗全基因組設(shè)計(jì)育種全球倡議，旨在通過一系列變革性活動，利用基因組技術(shù)和促進(jìn)國際合作，革命化甘蔗育種。我們提議與熱帶植物、植物與動物會議或國際甘蔗生物技術(shù)聯(lián)盟等實(shí)體合作，組織全球峰會，促進(jìn)科研人員、育種者和行業(yè)利益相關(guān)者能夠分享進(jìn)展和遇到挑戰(zhàn)，促進(jìn)甘蔗生物育種的統(tǒng)一方法。每年將發(fā)布一份報(bào)告，突出甘蔗育種技術(shù)的進(jìn)展、趨勢和未來方向。這些活動旨在通過增強(qiáng)數(shù)據(jù)共享、促進(jìn)國際合作和持續(xù)評估領(lǐng)域動態(tài)，保障全球食糖和能源的安全供給。

 

　　該倡議圍繞一個(gè)為期10年的路線圖結(jié)構(gòu)，分為三個(gè)階段。第一階段（第1-3年）著重于建立基于基因組的育種基礎(chǔ)項(xiàng)目，包括成立全球協(xié)調(diào)委員會、開發(fā)基因組資源以及啟動針對多倍體基因組和性狀預(yù)測軟件的生物信息學(xué)工具開發(fā)。第二階段（第4-6年）旨在推進(jìn)育種技術(shù)和能力建設(shè)，專注于開發(fā)智能雜交育種系統(tǒng)（MAS、快速育種），實(shí)施基因組選擇模型，應(yīng)用包括病毒載體、脂質(zhì)體、納米顆粒傳遞DNA/RNA/蛋白質(zhì)、無組織培養(yǎng)、切段嫁接（CDB）、基因槍和農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化在內(nèi)的轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)，為品種開發(fā)的平行進(jìn)展提供支持。第三階段（第7-10年）涉及遺傳改良甘蔗品種的田間試驗(yàn)、性狀優(yōu)化和推廣應(yīng)用，重點(diǎn)評估項(xiàng)目成果、優(yōu)化育種工具和策略，并培育突破性新品種和建立育種新技術(shù)。

 

　　研究以“International Research Initiative on Genomics-guided Sugarcane Breeding”為題發(fā)表于《Molecular Plant》。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所/熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任張興坦研究員、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所王俊剛副研究員、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所Noor-ul-?in博士、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所闕友雄研究員、廣西大學(xué)張積森教授為共同第一作者，張興坦研究員和福建農(nóng)林大學(xué)明瑞光教授為共同通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研專項(xiàng)的資助。

 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.01.003