中国热科院生物所在甘蔗全基因组设计育种取得新进展联合发起全球倡议

近日，中国热带农业科学院热带生物技术研究所在热带作物生物育种全国重点实验项目的支持下，研究并发布了甘蔗全基因组设计育种全球倡议。论文以“International Research Initiative on Genomics-guided Sugarcane Breeding”为题在植物科学领域的国际权威期刊Molecular Plant发表。

本文源自：中国热带农业科学院热带生物技术研究所作者：阙友雄

中国热科院生物所在甘蔗全基因组设计育种方面取得新进展

近日，中国热带农业科学院热带生物技术研究所在甘蔗全基因组设计育种方面取得新进展，在热带作物生物育种全国重点实验项目的支持下，研究并发布了甘蔗全基因组设计育种全球倡议，联合国内外知名单位不同学术背景的科学家和育种者，充分利用前沿科学技术，共享宝贵的遗传资源和数据，将有利推动基因组指导的甘蔗育种创新。

甘蔗是世界和我国最重要的糖料作物，传统的甘蔗育种面临着跟不上全球需求和气候变化的重大挑战。热带作物的育种周期长、复杂的多倍体基因组，严重阻碍了甘蔗生物育种进程。近年来，甘蔗基因组学领域的突破为革命性甘蔗育种提供了前所未有的机遇。一旦整合基因组测序、标记辅助选择和基因编辑技术，将有望加速开发具有更宜机、高产、高糖、高抗和适应各种环境压力的甘蔗品种。鉴于甘蔗基因组的复杂、遗传转化的难度大以及针对多倍体物种的巨大生物信息学工具的需求，为了解决这些挑战并推动甘蔗育种进入创新和可持续的新纪元，国际合作至关重要（图1）。

图1.甘蔗全基因组设计育种发起的国家和地区

在全球努力改善甘蔗育种的过程中，传统方法难以满足日益增长的需求以及适应气候变化。甘蔗长达10-12年的育种周期，显著抑制了遗传改良的进程（图2）。POJ2878在甘蔗育种中取得了历史性的成功，但谱系分析显示，1950年至2009年间，中国大多数商业品种仅来自少量亲本，这引发了对遗传多样性狭窄的担忧。源于种间杂交的甘蔗基因组高度多倍体和杂合特性，给基因组测序、组装和分析带来了重大挑战。

图2.甘蔗育种过程中的难点和卡点

尽管面临以上挑战，甘蔗育种通过将基因组测序与新开发的技术相结合，为加大遗传增益和提高蔗糖产量提供了有极大潜力的解决方案。现代育种方法（如：标记辅助选择（MAS）和快速育种等）以及基于转基因的转化系统，可以有效利用与农艺性状相关的遗传控制知识（图3）。单分子测序的突破使得高效破解多倍体和非整倍体甘蔗基因组成为可能，这对于识别和表征与关键性状相关的基因也至关重要。CRISPR/Cas9技术革命性地改变了基因编辑，提供了一种精确高效的目标基因修改方法，从而引入有利特性，如抗病和高糖。病毒载体、纳米颗粒和核糖核蛋白复合物等在内的基因传递系统的进步，提供了将期望基因引入甘蔗的有效替代方法，很好地克服传统转化方法的局限性。开发专门的生物信息学流程并整合人工智能（AI），对于分析和解释复杂的甘蔗基因组数据至关重要。基于AI的工具则有望预测出最佳亲本组合，进而整合优良遗传性状，并加速育种过程。

图3.甘蔗生物育种的主要技术和改良位点

国际甘蔗界在育种、基因组学和生物信息学方面拥有丰富的专业知识。20世纪90年代末以来，研究人员在解码复杂的甘蔗基因组方面做出了重大努力，最终为几个关键品种和相关物种组装了高质量的染色体级基因组。这些成就建立在数十年的开创性工作基础上，包括早期BAC文库测序工作和专门为多倍体基因组组装设计的创新性生物信息学工具，如ALLHiC算法（图4）。中国热带农业科学院联合国内外知名单位发起的甘蔗全基因组设计育种全球倡议，旨在通过一系列变革性活动，利用基因组技术和促进国际合作，革命化甘蔗育种。我们提议与热带植物、植物与动物会议或国际甘蔗生物技术联盟等实体合作，组织全球峰会，促进科研人员、育种者和行业利益相关者能够分享进展和遇到挑战，促进甘蔗生物育种的统一方法。每年将发布一份报告，突出甘蔗育种技术的进展、趋势和未来方向。这些活动旨在通过增强数据共享、促进国际合作和持续评估领域动态，保障全球食糖和能源的安全供给。

该倡议围绕一个为期10年的路线图结构，分为三个阶段。第一阶段（第1-3年）着重于建立基于基因组的育种基础项目，包括成立全球协调委员会、开发基因组资源以及启动针对多倍体基因组和性状预测软件的生物信息学工具开发。第二阶段（第4-6年）旨在推进育种技术和能力建设，专注于开发智能杂交育种系统（MAS、快速育种），实施基因组选择模型，应用包括病毒载体、脂质体、纳米颗粒传递DNA/RNA/蛋白质、无组织培养、切段嫁接（CDB）、基因枪和农杆菌介导的转化在内的转基因系统，为品种开发的平行进展提供支持。第三阶段（第7-10年）涉及遗传改良甘蔗品种的田间试验、性状优化和推广应用，重点评估项目成果、优化育种工具和策略，并培育突破性新品种和建立育种新技术（图5）。

图5.未来10年甘蔗生物育种路线图

研究以“International Research Initiative on Genomics-guided Sugarcane Breeding”为题，在植物科学领域的国际权威期刊Molecular Plant（中科院一区TOP，IF=17.1）发表。中国热带农业科学院热带生物技术研究所/热带作物生物育种全国重点实验室为论文第一完成单位，中国农业科学院深圳农业基因组所张兴坦研究员、中国热带农业科学院热带生物技术研究所王俊刚副研究员、中国农业科学院深圳农业基因组所Noor-ul-Áin博士、中国热带农业科学院热带生物技术研究所阙友雄研究员、广西大学张积森教授为共同第一作者，张兴坦研究员和福建农林大学明瑞光教授为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金优秀青年科学基金（32222019）中央公益性科研院所基本科研业务费组学专项（1630052023015）和热带作物生物育种全国重点实验室科研专项（NKLTCB202313）的资助。