近日，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶生物技術研究所在熱帶作物生物育種全國重點實驗項目的支持下，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”為題在植物科學領域的國際權威期刊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展

近日，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶生物技術研究所在甘蔗全基因組設計育種方面取得新進展，在熱帶作物生物育種全國重點實驗項目的支持下，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(nèi)外知名單位不同學術背景的科學家和育種者，充分利用前沿科學技術，共享寶貴的遺傳資源和數(shù)據(jù)，將有利推動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(tǒng)的甘蔗育種面臨著跟不上全球需求和氣候變化的重大挑戰(zhàn)。熱帶作物的育種周期長、復雜的多倍體基因組，嚴重阻礙了甘蔗生物育種進程。近年來，甘蔗基因組學領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，將有望加速開發(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(zhuǎn)化的難度大以及針對多倍體物種的巨大生物信息學工具的需求，為了解決這些挑戰(zhàn)并推動甘蔗育種進入創(chuàng)新和可持續(xù)的新紀元，國際合作至關重要。

在全球努力改善甘蔗育種的過程中，傳統(tǒng)方法難以滿足日益增長的需求以及適應氣候變化。甘蔗長達10-12年的育種周期，顯著抑制了遺傳改良的進程（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(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(xiàn)代育種方法（如：標記輔助選擇（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鍵性狀相關的基因也至關重要。CRISPR/Cas9技術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(nèi)的基因傳遞系統(tǒng)的進步，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(tǒng)轉(zhuǎn)化方法的局限性。開發(fā)專門的生物信息學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(shù)據(jù)至關重要?；贏I的工具則有望預測出最佳親本組合，進而整合優(yōu)良遺傳性狀，并加速育種過程。

國際甘蔗界在育種、基因組學和生物信息學方面擁有豐富的專業(yè)知識。20世紀90年代末以來，研究人員在解碼復雜的甘蔗基因組方面做出了重大努力，最終為幾個關鍵品種和相關物種組裝了高質(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計的創(chuàng)新性生物信息學工具，如ALLHiC算法。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院聯(lián)合國內(nèi)外知名單位發(fā)起的甘蔗全基因組設計育種全球倡議，旨在通過一系列變革性活動，利用基因組技術和促進國際合作，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聯(lián)盟等實體合作，組織全球峰會，促進科研人員、育種者和行業(yè)利益相關者能夠分享進展和遇到挑戰(zhàn)，促進甘蔗生物育種的統(tǒng)一方法。每年將發(fā)布一份報告，突出甘蔗育種技術的進展、趨勢和未來方向。這些活動旨在通過增強數(shù)據(jù)共享、促進國際合作和持續(xù)評估領域動態(tài)，保障全球食糖和能源的安全供給。

該倡議圍繞一個為期10年的路線圖結構，分為三個階段。第一階段（第1-3年）著重于建立基于基因組的育種基礎項目，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測軟件的生物信息學工具開發(fā)。第二階段（第4-6年）旨在推進育種技術和能力建設，專注于開發(fā)智能雜交育種系統(tǒng)（MAS、快速育種），實施基因組選擇模型，應用包括病毒載體、脂質(zhì)體、納米顆粒傳遞DNA/RNA/蛋白質(zhì)、無組織培養(yǎng)、切段嫁接（CDB）、基因槍和農(nóng)桿菌介導的轉(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。

研究以“InternationalResearchInitiativeonGenomics-guidedSugarcaneBreeding”為題，在植物科學領域的國際權威期刊MolecularPlant（中科院一區(qū)TOP，IF=17.1）發(fā)表。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶生物技術研究所/熱帶作物生物育種全國重點實驗室為論文第一完成單位，中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組所張興坦研究員、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶生物技術研究所王俊剛副研究員、中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組所Noor-ul-áin博士、中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶生物技術研究所闕友雄研究員、廣西大學張積森教授為共同第一作者，張興坦研究員和福建農(nóng)林大學明瑞光教授為共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金（32222019）中央公益性科研院所基本科研業(yè)務費組學專項（1630052023015）和熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研專項（NKLTCB202313）的資助。