近日，中國熱帶農業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所在熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗項目的支持下，研究并發(fā)布了甘蔗全基因組設計育種全球倡議。論文以“International Research Initiative on Genomics-guided Sugarcane Breeding”為題在植物科學(xué)領(lǐng)域的國際權威期刊Molecular Plant發(fā)表。 

中國熱科院生物所在甘蔗全基因組設計育種方面取得新進(jìn)展

近日，中國熱帶農業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所在甘蔗全基因組設計育種方面取得新進(jìn)展，在熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗項目的支持下，研究并發(fā)布了甘蔗全基因組設計育種全球倡議，聯(lián)合國內外知名單位不同學(xué)術(shù)背景的科學(xué)家和育種者，充分利用前沿科學(xué)技術(shù)，共享寶貴的遺傳資源和數據，將有利推動(dòng)基因組指導的甘蔗育種創(chuàng )新。

甘蔗是世界和我國最重要的糖料作物，傳統的甘蔗育種面臨著(zhù)跟不上全球需求和氣候變化的重大挑戰。熱帶作物的育種周期長(cháng)、復雜的多倍體基因組，嚴重阻礙了甘蔗生物育種進(jìn)程。近年來(lái)，甘蔗基因組學(xué)領(lǐng)域的突破為革命性甘蔗育種提供了前所未有的機遇。一旦整合基因組測序、標記輔助選擇和基因編輯技術(shù)，將有望加速開(kāi)發(fā)具有更宜機、高產(chǎn)、高糖、高抗和適應各種環(huán)境壓力的甘蔗品種。鑒于甘蔗基因組的復雜、遺傳轉化的難度大以及針對多倍體物種的巨大生物信息學(xué)工具的需求，為了解決這些挑戰并推動(dòng)甘蔗育種進(jìn)入創(chuàng )新和可持續的新紀元，國際合作至關(guān)重要。

在全球努力改善甘蔗育種的過(guò)程中，傳統方法難以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的需求以及適應氣候變化。甘蔗長(cháng)達10-12年的育種周期，顯著(zhù)抑制了遺傳改良的進(jìn)程（圖2）。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，中國大多數商業(yè)品種僅來(lái)自少量親本，這引發(fā)了對遺傳多樣性狹窄的擔憂(yōu)。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(lái)了重大挑戰。

盡管面臨以上挑戰，甘蔗育種通過(guò)將基因組測序與新開(kāi)發(fā)的技術(shù)相結合，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。現代育種方法（如：標記輔助選擇（MAS）和快速育種等）以及基于轉基因的轉化系統，可以有效利用與農藝性狀相關(guān)的遺傳控制知識（圖3）。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基因修改方法，從而引入有利特性，如抗病和高糖。病毒載體、納米顆粒和核糖核蛋白復合物等在內的基因傳遞系統的進(jìn)步，提供了將期望基因引入甘蔗的有效替代方法，很好地克服傳統轉化方法的局限性。開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的生物信息學(xué)流程并整合人工智能（AI），對于分析和解釋復雜的甘蔗基因組數據至關(guān)重要。基于A(yíng)I的工具則有望預測出最佳親本組合，進(jìn)而整合優(yōu)良遺傳性狀，并加速育種過(guò)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(zhuān)業(yè)知識。20世紀90年代末以來(lái)，研究人員在解碼復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。這些成就建立在數十年的開(kāi)創(chuàng )性工作基礎上，包括早期BAC文庫測序工作和專(zhuān)門(mén)為多倍體基因組組裝設計的創(chuàng )新性生物信息學(xué)工具，如ALLHiC算法。中國熱帶農業(yè)科學(xué)院聯(lián)合國內外知名單位發(fā)起的甘蔗全基因組設計育種全球倡議，旨在通過(guò)一系列變革性活動(dòng)，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(dòng)物會(huì )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(huì )，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，促進(jìn)甘蔗生物育種的統一方法。每年將發(fā)布一份報告，突出甘蔗育種技術(shù)的進(jìn)展、趨勢和未來(lái)方向。這些活動(dòng)旨在通過(guò)增強數據共享、促進(jìn)國際合作和持續評估領(lǐng)域動(dòng)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(xiàn)圖結構，分為三個(gè)階段。第一階段（第1-3年）著(zhù)重于建立基于基因組的育種基礎項目，包括成立全球協(xié)調委員會(huì )、開(kāi)發(fā)基因組資源以及啟動(dòng)針對多倍體基因組和性狀預測軟件的生物信息學(xué)工具開(kāi)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，專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)智能雜交育種系統（MAS、快速育種），實(shí)施基因組選擇模型，應用包括病毒載體、脂質(zhì)體、納米顆粒傳遞DNA/RNA/蛋白質(zhì)、無(wú)組織培養、切段嫁接（CDB）、基因槍和農桿菌介導的轉化在內的轉基因系統，為品種開(kāi)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、性狀優(yōu)化和推廣應用，重點(diǎn)評估項目成果、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“InternationalResearchInitiativeonGenomics-guidedSugarcaneBreeding”為題，在植物科學(xué)領(lǐng)域的國際權威期刊MolecularPlant（中科院一區TOP，IF=17.1）發(fā)表。中國熱帶農業(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)驗室為論文第一完成單位，中國農業(yè)科學(xué)院深圳農業(yè)基因組所張興坦研究員、中國熱帶農業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所王俊剛副研究員、中國農業(yè)科學(xué)院深圳農業(yè)基因組所Noor-ul-áin博士、中國熱帶農業(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（32222019）中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費組學(xué)專(zhuān)項（1630052023015）和熱帶作物生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗室科研專(zhuān)項（NKLTCB202313）的資助。