CGM第606期：甘蔗复杂多倍体重要性状的遗传解析
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PI、课题组长
热带作物生物育种全国重点实验室PI，课题组长，海南省甘蔗学会副理事长，海南省遗传学会理事、海南省“拔尖人才”。2008年于海南大学获农学硕士学位，而后在华中农业大学作物遗传育种获博士学位，长期从事甘蔗生物育种相关研究，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、海南省重点研发等项目10多项；带领研究团队建立了甘蔗“种质资源评价-功能基因挖掘-优异种质创制”研究体系，与合作团队发起全球甘蔗全基因组设计育种倡议，构建多倍体基因组学分析框架，发现薄壁细胞大小和密度是决定茎秆蔗糖高效积累关键性状并挖掘到相关基因。以第一作者或通讯作者在Nature、Molecular Plant、Theoretical and Applied Genetics等期刊发表论文25余篇，获批国家发明专利11项，获海南省科技技术二等奖3项。
甘蔗贡献我国食糖总量的90%左右，支撑着国家糖业安全和蔗区农民增收。但现代栽培甘蔗基因组庞大、倍性复杂，好比一本由多套相似“遗传说明书”交织而成的巨著，长期存在“看不清基因组、找不准好基因、定不准育种靶点”的难题。围绕这一国际公认难题，科研团队从基因组解析、群体遗传分析到关键基因挖掘，建立了一套适用于甘蔗等多倍体作物的研究新框架，为高糖高产新品种培育提供了重要支撑。
1、绘制甘蔗复杂基因组的“高清地图”
现代甘蔗是典型复杂多倍体作物，染色体多、结构复杂，过去很难准确区分不同来源的遗传片段。科研团队开发C-Phasing算法，整合PacBio HiFi、ONT超长读长和Pore-C三维构象捕获等技术，并引入超图聚类方法，成功组装出“蔗王”POJ2878高质量单倍型分型基因组。这相当于为甘蔗绘制了一张更清楚、更精准的“基因组地图”，为后续寻找优异基因、解析复杂性状提供了可靠参照。
2、揭示“蔗王”对现代甘蔗育种的深远影响
团队对全球19个主要产区的981份甘蔗材料开展系统重测序，构建了目前规模领先的甘蔗群体遗传资源库。研究发现，超过95%的现代甘蔗品种都与POJ2878共享大规模基因组片段，说明其在现代甘蔗育种史上具有基础性地位。研究还进一步揭示，多倍体作物的性状改良并不是简单“好基因越多越好”，而更依赖基因剂量之间的精细平衡。这一认识为甘蔗精准育种提供了新的理论依据。
3、锁定高糖形成机制，拓展多倍体作物研究方法
团队系统解析了甘蔗从野生种抗逆性形成、热带种糖分积累，到现代栽培种高贵化育种的演化轨迹，揭示了抗逆、糖代谢和株型结构等性状逐步优化的遗传基础。围绕甘蔗茎秆“储糖仓库”薄壁细胞，团队利用KMERIA算法找到调控其发育的关键基因，为培育“超级高糖”甘蔗提供了明确分子靶点。同时，团队开发C-Phasing、Allele-Express、KMERIA等工具，建立多倍体作物基因组学分析新范式，可为小麦、棉花、马铃薯等作物改良提供重要技术支撑。
参考文献
- Jungang Wang, Xiaofeng Li, Yibin Wang, Jishan Lin, Shuai Chen, Hongbo Liu, Xiao Chen, Kun Chai, Aoqian Dong, Tingting Zhao, Cuilian Feng, Ruijie Wu, Ping Zhao, Yaodong Zheng, Zhongqiang Xia, Shengcheng Zhang, Yi Liu, Shenyang Qu, Ziqi Ye, Yuhan Song, Qingyuan Deng, Xiaofei Zeng, Guangrun Yu, Ran Kong, Baoqing Zhang, Wei Zhang, Peifang Zhao, Jun Mao, Xin Lu, Haifeng Jia, Xueting Zhao, Qianqian Zhang, Shuzhen Zhang, Wenwei Cai, Dongao Huo, Ling Li, Yuqing Gong, Shiqiang Huang, Yongji Huang, Zehuai Yu, Zuhu Deng, Baoshan Chen, Yuebin Zhang, Muqing Zhang, Ray Ming, Xingtan Zhang. Genetic architecture of sugarcane traits in a polyploid genomics framework. Nature. 2026;654(8120):994-1003. DOI: 10.1038/s41586-026-10576-7
- Xingtan Zhang, Jungang Wang, Noor-ul-Áin, Youxiong Que, Jisen Zhang, Javeria Abid, Peifang Zhao, Yuebin Zhang, Jishan Lin, Li-yu Chen, Yixue Bao, Robert Henry, Sithichoke Tangphatsornruang, Qinnan Wang, Dongliang Huang, Jian Ye, Muqing Zhang, Ming Luo, Mike Butterfield, Ren Wang, Ray Ming. International research initiative on genomics-guided sugarcane breeding. Molecular Plant. 2025;18(2):171-174. DOI: 10.1016/j.molp.2025.01.003
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