近日，中國熱科院生物所在甘蔗品種重要性狀形成的生物學基礎方面取得新進展，生物所聯(lián)合云南農科院、廣西農科院和福建農林大學，從轉錄和代謝水平解析了我國第5代甘蔗主栽品種（桂糖42、桂糖44、柳城05136、云蔗08-1609和云蔗05-51）的高產、高糖、抗逆、抗倒伏和適宜機械收獲等性狀形成的生物學基礎，為進一步推進我國第6代甘蔗優(yōu)良品種選育奠定了理論基礎。
甘蔗產業(yè)的發(fā)展就是品種不斷更新的過程，我國經過5次較大的蔗區(qū)品種改良后，現已成為世界主要的蔗糖生產國，為保障食糖供給安全做出了重要貢獻。在我國，新臺糖22號曾經占主導地位近20年，近年來，在廣大育種家的努力下，成功育成了桂糖42號、桂糖44號、柳城05-136、云蔗08-1609、云蔗05-51等一批高產高糖抗逆宜機的第5代甘蔗新品種（圖1），其種植覆蓋了我國主產蔗區(qū)甘蔗面積的83.4%以上。其中，桂糖42自2019年以來連續(xù)五年保持全國種植面積第一，2024年種植面積達421.9萬畝；桂糖44則因其強宿根、宜機收、早熟高糖的特點，2024年種植面積突破143.7萬畝，進入全國主栽品種前三；柳城05-136在全國種植面積累計超過2500萬畝；云蔗08-1609是高產特高糖典型品種，蔗糖分達20.3%，創(chuàng)造了國際甘蔗糖分最高記錄，被譽為“糖王”，2024年占云南省種植面積50%以上，高達180萬畝；云蔗05-51具有高產、高糖、抗逆性強等特點，突破了我國無灌溉區(qū)甘蔗單產記錄。針對這些品種優(yōu)異性狀形成的機理開展研究，既是對第5代品種選育理論的總結，更是對第6代品種選育的啟發(fā)。
圖1.我國第5代甘蔗主栽品種及其核心親本
研究通過轉錄組和代謝組聯(lián)合分析，發(fā)現參與碳固定、淀粉和蔗糖代謝、苯丙烷類和類黃酮生物合成、半胱氨酸和蛋氨酸代謝、玉米素生物合成等代謝途徑的關鍵基因和代謝物，在五個優(yōu)良品種和核心親本CP72-1210與ROC22（對照品種）間存在差異表達或積累（圖2）。這些基因的表達模式已通過甘蔗公共數據庫驗證，其功能也已在其他植物中得到進一步確認，并與本研究中識別的相關性狀相關聯(lián)。比如，碳固定與淀粉和蔗糖代謝通路相關基因與代謝物的表達/積累量變化是第5代主栽品種產量與蔗糖含量提高的關鍵分子因素（圖2A, B）；苯丙烷類和類黃酮生物合成途徑相關基因與代謝物的表達/積累量變化是品種抗性與宿根性增強的潛在分子因素（圖2C, D）；半胱氨酸和蛋氨酸代謝及玉米素生物合成相關基因與代謝物的表達/積累量變化是品種非生物脅迫耐受性提升、易脫葉和促進甘蔗生長能力的潛在關鍵分子因素（圖2E-G）。
圖2.我國第5代甘蔗品種優(yōu)異性狀形成的轉錄和代謝組學基礎
研究進一步利用加權基因共表達網絡分析（WGCNA），解析了與甘蔗性狀形成的遺傳調控網絡，鑒定出與蔗糖含量、分蘗和莖徑相關的基因模塊，并發(fā)現芳香族氨基轉移酶（ISS1）、雙功能天冬?；?同半胱氨酸脫氫酶2（AKHSDH2）和同型半胱氨酸S-甲基轉移酶（HMT-3）等基因可能是控制甘蔗產量的核心因素。此外，還發(fā)現Alfin-like、ARR-B、RWP-RK、LIM、NAC和TAZ等轉錄因子可能在以上性狀形成過程中發(fā)揮重要作用（圖3）。
圖3.我國第5代甘蔗主栽品種主要性狀的基因共表達網絡
本研究解析了我國第5代甘蔗品種優(yōu)異性狀形成的轉錄和代謝組學基礎，揭示了隱藏在這些品種選育背后潛在的分子邏輯，并據此提出了甘蔗優(yōu)良品種理想性狀的遺傳基礎假說模型（圖4），為第6代甘蔗品種優(yōu)良性狀的聚合提供潛在的基因靶點和理論支撐。
圖4.甘蔗優(yōu)良品種理想性狀的遺傳基礎模型
該研究成果以“Dissection of genetic architecture for desirable traits in sugarcane by integrated transcriptomics and metabolomics”為題發(fā)表于《International Journal of Biological Macromolecules》。中國熱科院甘蔗中心客座研究人員/廣西農科院甘蔗所李傲梅助理研究員和中國熱科院生物所/熱帶作物生物育種全國重點實驗室吳期濱副研究員為論文共同第一作者；廣西農科院甘蔗所黃東亮研究員、國家糖料產業(yè)技術體系首席科學家/云南農科院甘蔗所/熱帶作物生物育種全國重點實驗室張躍彬研究員、中國熱科院生物所甘蔗中心主任//熱帶作物生物育種全國重點實驗室/福建農林大學闕友雄研究員為本文的共同通訊作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家熱帶農業(yè)科學中心科技創(chuàng)新團隊、熱帶作物生物育種全國重點實驗室科研專項、國家糖料產業(yè)技術體系、廣西和云南省甘蔗遺傳育種重點實驗室開放課題等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.136009
