近日，中國(guó)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(guó)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(guó)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(dòng)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(guó)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(zhǎng)、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(cè)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(duì)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(dòng)甘蔗育種進(jìn)入創(chuàng)新和可持續(xù)的新紀(jì)元，國(guó)際合作至關(guān)重要。

 

　　甘蔗長(zhǎng)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(guó)大多數(shù)商業(yè)品種僅來自少量親本，這引發(fā)了對(duì)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(cè)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(cè)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(shí)。單分子測(cè)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(duì)于識(shí)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(duì)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(cè)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(guó)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(shí)。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(jí)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(cè)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(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院聯(lián)合國(guó)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(dòng)，利用基因組技術(shù)和促進(jìn)國(guó)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(guó)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(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(shì)和未來方向。這些活動(dòng)旨在通過增強(qiáng)數(shù)據(jù)共享、促進(jìn)國(guó)際合作和持續(xù)評(píng)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(huì)、開發(fā)基因組資源以及啟動(dòng)針對(duì)多倍體基因組和性狀預(yù)測(cè)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(píng)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(guó)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任張興坦研究員、中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中央級(jí)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(guó)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