2月6日，廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院、廣西甘蔗生物育種實驗室、亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國家重點實驗室張積森團(tuán)隊牽頭，聯(lián)合福建農(nóng)林大學(xué)、云南農(nóng)科院等單位在上發(fā)表了題為“Multiscale pangenome graphs empower the genomic dissection of mixed-ploidy sugarcane species”的研究論文(Research Article)。該研究以廣西大學(xué)為第一通訊單位和共同第一作者單位，標(biāo)志著我國在甘蔗圖泛基因組與多倍體遺傳解析領(lǐng)域取得重大突破。

該研究首次構(gòu)建了覆蓋現(xiàn)代甘蔗主栽品種及其野生祖先物種的多尺度圖譜泛基因組（super-pangenome graph），在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)解析甘蔗復(fù)雜混合倍體基因組結(jié)構(gòu)，提出適用于高倍體作物的劑量感知關(guān)聯(lián)分析（DosageGWAS）新方法，成功鎖定一批與分蘗數(shù)、產(chǎn)量、含糖量和葉片角度等重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的關(guān)鍵基因，并通過CRISPR基因編輯驗證了SaTB1基因顯著促進(jìn)分蘗、成倍提高甘蔗產(chǎn)量的功能。

這一工作不僅為甘蔗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種提供了全新的“基因資源地圖”和分析工具，也為小麥、棉花、馬鈴薯等復(fù)雜多倍體作物的基因發(fā)掘與分子設(shè)計育種提供了可直接借鑒的技術(shù)路線。

甘蔗復(fù)雜多倍體圖泛基因組策略提升育種關(guān)鍵基因挖掘。

甘蔗基因組為何難解？

甘蔗（Saccharum spp.）是全球最重要的糖料和能源作物之一，提供了世界約 80% 的食糖和 40% 的燃料乙醇?，F(xiàn)代栽培甘蔗品種源于高含糖的熱帶種甘蔗(S. officinarum)與高抗逆的野生甘蔗(S. spontaneum)在一個多世紀(jì)前的雜交回交，其基因組呈現(xiàn)出極端復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征：倍性高達(dá) 8–10 倍甚至更高，染色體數(shù)目在 100–130 條之間；同源多倍體與異源多倍體成分并存；染色體斷裂、融合和非整倍體現(xiàn)象普遍；重復(fù)序列和轉(zhuǎn)座子高度富集。這些特征使得傳統(tǒng)的單一線性參考基因組難以同時容納不同倍性、不同染色體數(shù)和不同遺傳背景，等位基因劑量難以準(zhǔn)確區(qū)分，測序數(shù)據(jù)在比對過程中出現(xiàn)大量多重比對和信息丟失等問題。研究指出，傳統(tǒng)“單一線性基因組”范式在甘蔗等復(fù)雜多倍體作物中已接近失效，亟需新的基因組參考體系。

解鎖甘蔗超級圖譜密碼

針對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊構(gòu)建了多尺度圖譜泛基因組框架。研究選取了覆蓋甘蔗屬及近緣種的 9 套染色體水平基因組，包括野生近緣種斑茅（Erianthus rufipilus）、不同類型的割手密種（S. spontaneum）、熱帶種甘蔗（S. officinarum）代表材料以及3個現(xiàn)代主栽甘蔗品種。研究者通過無參考的染色體“社區(qū)”構(gòu)建方法，將來自不同物種和倍性的染色體按序列相似性劃分為 10個“染色體群落”，對應(yīng)甘蔗祖先的 10 條原始染色體，建立了跨物種、跨倍性的統(tǒng)一坐標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，研究利用圖結(jié)構(gòu)將 47–57 條單倍型路徑壓縮到同一坐標(biāo)框架中，形成包含約 425.9 萬個節(jié)點、累計長度約 14.7Gb的超級泛基因組圖譜。在總體序列長度約 43.2Gb的情況下，該圖譜實現(xiàn)了約 34% 的壓縮率，同時捕獲了約 82% 的甘蔗基因組多樣性，而現(xiàn)有最優(yōu)單一參考基因組僅能覆蓋約34%。這意味著絕大多數(shù)自然變異首次被納入一個統(tǒng)一、可解析的框架中。

甘蔗屬相關(guān)染色體群落與圖泛基因組。

看清多倍體基因調(diào)控玄機(jī)

在建立統(tǒng)一的圖譜參考體系后，研究團(tuán)隊以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了開放染色質(zhì)圖譜、轉(zhuǎn)錄組圖譜和甲基化圖譜，并與傳統(tǒng)線性參考進(jìn)行了系統(tǒng)比較。結(jié)果顯示，在代表性材料S. officinarum（LA-purple）和S. spontaneum（SES-208）中，圖譜參考在保持總體比對率相當(dāng)?shù)耐瑫r，“唯一比對讀段”比例顯著提升，較單倍體線性參考提高2倍以上，較等位基因級線性參考提高10倍以上，大幅增強(qiáng)了有效信號獲取能力。基于圖譜分析，研究還識別出 6800–19000 余個僅在線性參考中無法檢測的新增開放染色質(zhì)區(qū)域，這些區(qū)域富集大量等位變異，揭示了不同物種間轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點的系統(tǒng)性差異。以關(guān)鍵蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)基因 1 為例，圖譜顯示家種甘蔗特有的上游開放染色質(zhì)區(qū)域與其更高的基因表達(dá)水平和更強(qiáng)的糖分運(yùn)輸能力高度一致，為等位特異性調(diào)控提供了直接證據(jù)。在 RNA-seq和全基因組甲基化測序分析中，圖譜同樣顯著提高了讀段比對質(zhì)量和甲基化位點檢出率。這表明，在高倍體基因組中，圖譜泛基因組是連接“序列多樣性”和“功能調(diào)控差異”的更可靠橋梁。

基于甘蔗屬圖泛基因組的ATAC-seq分析。

馴化足跡與趨同選擇“一網(wǎng)打盡”

依托超級泛基因組，研究團(tuán)隊對 417 份甘蔗及其近緣材料開展了系統(tǒng)的圖譜比對和群體遺傳分析，材料涵蓋野生甘蔗、家種甘蔗、現(xiàn)代栽培品種及近緣種等多個類群。研究共獲得 774 萬余個高質(zhì)量SNP，并對等位劑量進(jìn)行精確估算。群體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果清晰區(qū)分了不同物種與雜交群體，證實現(xiàn)代栽培甘蔗中約 70–90% 的遺傳成分來源于熱帶種甘蔗（S. officinarum），并系統(tǒng)量化了不同類群之間的遺傳分化與基因組滲入特征。在此基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步開展跨種群選擇掃描，重點比較高糖的熱帶種（S. officinarum)與高抗逆的割手密種(S. spontaneum），在全基因組范圍內(nèi)識別出約 43 Mb的選擇清掃區(qū)域。這些區(qū)域顯著富集于碳水化合物和淀粉/蔗糖代謝、植株結(jié)構(gòu)發(fā)育及抗逆響應(yīng)等功能通路，鎖定了一批與糖運(yùn)輸與代謝、株型與分蘗、開花期及逆境適應(yīng)相關(guān)的關(guān)鍵候選基因，其中超過一半僅在圖譜分析框架下得以發(fā)現(xiàn)。在更大的進(jìn)化尺度上，研究將甘蔗與同屬黍族的高粱和玉米進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)甘蔗與高粱之間存在顯著富集的共選基因?qū)?，主要涉及碳代謝和激素及脅迫響應(yīng)通路，而與玉米的共選基因?qū)?shù)量明顯較少。上述結(jié)果從群體基因組學(xué)層面揭示了“高糖、高生物量型”作物在馴化和改良過程中，圍繞碳代謝和應(yīng)激響應(yīng)模塊經(jīng)歷了高度趨同的人工選擇。

甘蔗屬群體結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性。

基因編輯解鎖甘蔗高產(chǎn)潛能

在眾多候選基因中，研究團(tuán)隊重點解析了黍族中經(jīng)典的馴化基因 TB1（TEOSINTE BRANCHED1）。該基因曾驅(qū)動玉米由多分枝的野生類型演化為少分枝、高產(chǎn)的現(xiàn)代栽培型，被認(rèn)為是作物馴化的重要里程碑基因之一。研究發(fā)現(xiàn)，在蔗茅（E. rufipilus）、高粱和玉米之間，TB1 所在基因組區(qū)域具有高度共線性；在已馴化或栽培的類群中，TB1 周圍的遺傳多樣性顯著下降，表明其在演化過程中受到強(qiáng)烈人工選擇。相比之下，八倍體熱帶種甘蔗（S. officinarum）中 TB1 區(qū)域的多樣性下降幅度較小，提示在高倍體背景下，馴化過程中等位基因更難被完全固定，這也與甘蔗仍保持一定分蘗能力的田間表現(xiàn)相一致。為驗證 TB1在甘蔗中的功能，研究團(tuán)隊利用CRISPR/Cas9技術(shù)對熱帶種（S. officinarum）中的 1 進(jìn)行定向敲除，獲得 21 條不同編輯效率的突變系，其中部分材料的等位協(xié)同編輯效率超過80%。與野生型相比，高效突變材料的分蘗數(shù)提高約4.0–4.6 倍，分蘗啟動顯著提前，單位面積蔗莖產(chǎn)量提升約 3.8–4.5 倍，且相關(guān)性狀與編輯效率呈顯著正相關(guān)。研究表明，1 是控制甘蔗分蘗和產(chǎn)量的關(guān)鍵馴化基因，傳統(tǒng)馴化未能完全“用盡”其潛力，通過定向基因編輯有望實現(xiàn)產(chǎn)量的跨越式提升。

基于圖泛基因組的甘蔗群體基因組學(xué)分析及其重要農(nóng)藝性狀趨同選擇研究。

新方法破解復(fù)雜多倍體遺傳解析難題

針對多倍體作物中傳統(tǒng)基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)難以準(zhǔn)確刻畫等位劑量信息的難題，研究團(tuán)隊在圖譜泛基因組框架下提出了劑量感知關(guān)聯(lián)分析新方法(DosageGWAS)。該方法依托超級泛基因組和圖結(jié)構(gòu)比對，對等位位點進(jìn)行連續(xù)劑量估算，并在統(tǒng)計模型中綜合考慮不同同源及同源異源染色體上的等位劑量，從而突破了二倍體“0/1/2”模型在混倍體作物中的應(yīng)用限制。與基于線性參考的常規(guī) GWAS相比，“圖譜 +DosageGWAS”框架顯著提高了關(guān)聯(lián)分析的靈敏度和解釋力，不僅檢測到更多顯著關(guān)聯(lián)位點，而且對糖分性狀和葉片角度性狀的遺傳力解釋度由約 0.56/0.58 提升至 0.62/0.78，獨立驗證的劑量差異位點數(shù)量也明顯增加。在該框架下，研究成功鑒定出兩個具有代表性的關(guān)鍵候選基因。其一是10，位于甘蔗第 9 號染色體約 57Mb區(qū)域，在 8 項糖分相關(guān)性狀中有 6 項表現(xiàn)出顯著關(guān)聯(lián)。該基因為水稻細(xì)胞壁合成基因10 的同源基因，在甘蔗中，其與高糖相關(guān)的衍生等位劑量在馴化過程中呈持續(xù)累積和固定趨勢，顯示出明顯的正向選擇信號。其二是 5，作為葉片角度和株型調(diào)控的關(guān)鍵因子，在第 3 號染色體啟動子區(qū)域集中富集多個顯著關(guān)聯(lián)位點；等位劑量越高，其表達(dá)水平越低，對應(yīng)葉片越直立，相關(guān)有利等位在現(xiàn)代栽培甘蔗中顯著富集，說明株型改良已成為近現(xiàn)代育種的重要方向之一。上述結(jié)果證明，在混倍體作物中精確量化“等位劑量”并納入統(tǒng)計模型，是打破“隱匿遺傳力”和提升關(guān)聯(lián)分析信號的關(guān)鍵。

基于圖泛基因組的劑量GWAS分析與關(guān)鍵位點挖掘。

跨作物推廣的技術(shù)突破

為驗證方法的普適性，研究團(tuán)隊將這一多尺度圖譜泛基因組策略推廣至異源多倍體小麥、棉花以及同源多倍體馬鈴薯等多倍體物種。通過對這三類典型多倍體作物構(gòu)建圖譜超級泛基因組并進(jìn)行比對，結(jié)果顯示，構(gòu)建的圖譜超級泛基因組能夠捕獲約 94–97% 的基因組多樣性，遠(yuǎn)高于最佳單一參考基因組的 48–65%，同時顯著提升了讀段比對質(zhì)量，彌補(bǔ)了因結(jié)構(gòu)變異而丟失的多樣性信息。在馬鈴薯小規(guī)模GWAS實驗中，該方法同樣提升了關(guān)聯(lián)信號和遺傳力解釋度。這表明，“多尺度圖譜 + 劑量感知GWAS”框架不僅適用于甘蔗，也可跨物種、跨多倍體作物廣泛推廣，為復(fù)雜作物基因組研究和分子育種提供通用工具。

多尺度圖泛基因組策略同樣適用于異源多倍體（小麥、棉花）與同源多倍體（馬鈴薯）。

為復(fù)雜作物“換代”鋪路

長期以來，現(xiàn)代甘蔗育種高度依賴有限的親本材料，遺傳基礎(chǔ)狹窄、種質(zhì)資源利用不足，制約了產(chǎn)量和抗逆性進(jìn)一步提升。本研究構(gòu)建的甘蔗多尺度圖譜泛基因組及配套分析流程，有望在多個層面加速育種進(jìn)程。一是支撐高質(zhì)量分子標(biāo)記開發(fā)與基因組預(yù)測。該體系提供了劑量精確、結(jié)構(gòu)信息豐富的大規(guī)模變異數(shù)據(jù)，可設(shè)計適用于多倍體的單劑量標(biāo)記和高密度芯片，并將劑量感知信息納入基因組預(yù)測模型，有望顯著提高多倍體作物的選擇準(zhǔn)確度，加快早代材料淘汰和優(yōu)系篩選。二是高效挖掘野生與稀有優(yōu)良等位。依托圖譜開展跨物種比較和群體掃描，可快速鎖定來源于野生近緣種或地方品種的抗病、抗逆、高糖、高纖維等優(yōu)良等位，為“回交導(dǎo)入+基因編輯”提供精準(zhǔn)靶點。三是為未來“甘蔗泛基因組聯(lián)盟”奠定基礎(chǔ)。隨著中國種、印度種等歷史品種和區(qū)域性地方品種基因組的不斷發(fā)布，現(xiàn)有甘蔗屬超級泛基因組可持續(xù)擴(kuò)展，逐步形成覆蓋全球甘蔗種質(zhì)的動態(tài)演進(jìn)型“甘蔗基因資源基礎(chǔ)設(shè)施”。

研究團(tuán)隊同時指出，圖譜泛基因組仍面臨轉(zhuǎn)錄組標(biāo)準(zhǔn)化分析工具不足、復(fù)雜重復(fù)區(qū)域的計算效率，以及不同同源或同源異源拷貝間拷貝數(shù)與表達(dá)定量缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等挑戰(zhàn)。隨著相關(guān)算法、比對軟件和下游分析工具的持續(xù)發(fā)展，圖譜泛基因組有望逐步取代單一線性參考，成為復(fù)雜作物基因組學(xué)與分子育種的新型基礎(chǔ)設(shè)施。

研究成果系統(tǒng)突破了多倍體遺傳解析的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，精準(zhǔn)定位了分蘗、糖分等一批重要農(nóng)藝性狀相關(guān)基因及其調(diào)控元件，并已直接服務(wù)于甘蔗高糖、高產(chǎn)分子育種實踐。在百余份材料中完成糖分性狀關(guān)聯(lián)分析，在遺傳多樣性捕獲、關(guān)鍵性狀定位和育種靶標(biāo)挖掘等方面取得顯著成效，為多倍體作物分子設(shè)計育種提供了核心技術(shù)支撐，應(yīng)用前景廣闊。

本研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣西科技重大專項、廣西重點研發(fā)計劃等多個項目的聯(lián)合資助。

專家點評

從甘蔗到復(fù)雜多倍體作物：圖泛基因組引領(lǐng)復(fù)雜基因組育種新時代

韓斌（中國科學(xué)院院士）

張積森團(tuán)隊在發(fā)表于《》的研究工作中（Huang et al., 2026），構(gòu)建了首個面向混合倍性甘蔗種質(zhì)的多尺度圖泛基因組，統(tǒng)一整合了多個物種和數(shù)十條單倍型信息，實現(xiàn)了在同一坐標(biāo)系下對結(jié)構(gòu)變異、拷貝數(shù)差異及劑量敏感位點的精確表征。

該研究不僅徹底改寫了人們對甘蔗基因組“不可解”的傳統(tǒng)認(rèn)知，還為將甘蔗這一高復(fù)雜度基因組作物推進(jìn)至可設(shè)計育種提供了一條通用技術(shù)路線，為小麥、苜蓿、馬鈴薯等復(fù)雜多倍體作物的精準(zhǔn)改良提供了重要范式。

突破多倍體基因組解析極限，引領(lǐng)甘蔗育種新范式

劉耀光（中國科學(xué)院院士）

甘蔗作為全球重要的糖料和能源作物，被視為植物基因組學(xué)中最難解析的作物之一。本研究提出的圖超泛基因組構(gòu)建通用策略同樣適用于其它植物同源多倍體（如小麥、棉花）和自交多倍體（如馬鈴薯），可在統(tǒng)一框架下區(qū)別處理不同倍性類型，為混合倍性作物組學(xué)研究和分子育種提供可復(fù)制的技術(shù)藍(lán)本與系統(tǒng)性方法范式。

我國是甘蔗種植與蔗糖生產(chǎn)大國，保障糖業(yè)安全關(guān)乎國計民生。該成果不僅在甘蔗基礎(chǔ)研究領(lǐng)域鞏固和提升了我國的國際引領(lǐng)地位，也為其他多倍體作物的分子育種提供了系統(tǒng)技術(shù)支撐，彰顯了從基礎(chǔ)前沿突破到產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵問題解決的貫通式創(chuàng)新，對推動我國甘蔗種業(yè)振興與糖業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要示范意義。

甘蔗異源多倍體遺傳解析與分子育種的新范式

張獻(xiàn)龍（中國工程院院士）

張積森團(tuán)隊在近期發(fā)表于《》的研究（Huang et al., 2026）中構(gòu)建了面向混合倍性甘蔗種質(zhì)的多尺度圖泛基因組，將不同物種來源、不同拷貝數(shù)及劑量狀態(tài)的單倍型統(tǒng)一映射到同一坐標(biāo)系，為異源多倍體“還原”出一個可計算、可推理的遺傳框架。

通過將代表基因功能驗證與圖泛基因組解析緊密銜接，該研究為甘蔗這一“非整體”的復(fù)雜多倍體基因組建立了可操作的遺傳—育種路徑，突破了復(fù)雜多倍體領(lǐng)域長期懸而未解的關(guān)鍵難題，也為復(fù)雜多倍體作物在真實劑量背景下開展精細(xì)遺傳改良提供了可推廣的技術(shù)范式。

來源丨農(nóng)學(xué)院

編稿丨覃靖雯

排版丨周灝

責(zé)編丨葉維佶 陳喜 覃靖雯 谷雯琴

初審丨韋俞妃 黎錦

審核丨歐陽雄姣 楊璞

審定丨孫瑞

出品丨黨委宣傳部