科學家們?yōu)楦收幔ìF(xiàn)代最重要的作物之一）創(chuàng)建了高度準確的參考基因組，并發(fā)現(xiàn)了基因如何賦予植物抗病性的罕見例子。探索甘蔗的遺傳密碼可以幫助研究人員開發(fā)更耐寒、產(chǎn)量更高的作物，這對糖生產(chǎn)和生物燃料都有影響。

現(xiàn)代雜交甘蔗簡介

現(xiàn)代雜交甘蔗是地球上收獲量最大的作物之一，用于制造糖、糖蜜、生物乙醇和生物基材料等產(chǎn)品。它還擁有最復雜的基因藍圖。

迄今為止，甘蔗復雜的遺傳學使其成為最后一種沒有完整且高度精確的基因組的主要作物?？茖W家開發(fā)并結合了多種技術，成功繪制了甘蔗的遺傳密碼圖譜。

通過這張地圖，他們可以驗證抗褐銹病的具體位置，如果不加以控制，褐銹病可能會對糖料作物造成毀滅性的打擊。研究人員還可以利用基因序列來更好地了解與糖生產(chǎn)有關的許多基因。

甘蔗遺傳研究進展

這項研究是美國能源部聯(lián)合基因組研究所(JGI) 社區(qū)科學計劃的一部分，該計劃是美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）科學用戶設施辦公室辦公室的一部分。該研究于3 月27 日發(fā)表在期刊《自然》 上，基因組可通過JGI 的植物門戶網(wǎng)站Phytozome 獲取。

“這是我們完成的最復雜的基因組序列，”JGI 植物項目負責人兼HudsonAlpha 生物技術研究所研究員Jeremy Schmutz 說。 '這表明我們已經(jīng)取得了很大的進步。這種事情在10年前是不可能的。我們現(xiàn)在能夠實現(xiàn)我們認為在植物基因組學領域不可能實現(xiàn)的目標。

甘蔗基因組非常復雜，因為它很大，而且它比普通植物含有更多的染色體拷貝，這一特征被稱為多倍體。甘蔗有大約100 億個堿基對（DNA 的組成部分）；相比之下，人類基因組約有30 億個堿基對。

甘蔗DNA 的許多片段在不同染色體內部和之間都是相同的。因此，在重建完整的基因藍圖的同時，如何正確重組DNA的所有小片段是一個挑戰(zhàn)。研究人員通過結合多種基因測序技術解決了這一挑戰(zhàn)，其中包括一種新開發(fā)的名為PacBio HiFi 的測序方法，可以準確確定較長DNA 片段的序列。

了解和利用甘蔗基因組

擁有完整的“參考基因組”可以更輕松地研究甘蔗，使研究人員能夠將甘蔗的基因和途徑與其他經(jīng)過更好研究的作物（例如高粱）或其他感興趣的生物燃料作物（例如柳枝稷）進行比較。和馬齒莧）基因和途徑進行了比較。與其他作物進行比較可以更容易地了解每個基因如何影響相關性狀，例如哪些基因在糖生產(chǎn)過程中高度表達或哪些基因對于抗病性很重要。研究發(fā)現(xiàn)，負責抵抗褐銹病的基因只存在于基因組中的一個位置，褐銹病是一種真菌病原體，已對甘蔗作物造成數(shù)百萬美元的損失。

此圖顯示了基因測序圖譜（使用GENESPACE 創(chuàng)建），該圖譜比較了相關植物物種的基因組組裝。水平白線代表染色體，連接染色體的彩色編織線代表保守基因塊。這使得研究人員能夠追蹤經(jīng)過深入研究的作物（例如雙色高粱（一種特殊類型的高粱））中的保守基因到更復雜的基因組（例如野生甘蔗和栽培品種R570），以便更好地了解它們。功能。作為對比，上排提供了R570 的先前單倍體組合，其中基因組中的多個染色體拷貝表示為單個嵌合組合。照片來源：Adam Healey 和John Lovell/HudsonAlpha

“當我們對基因組進行測序時，我們填補了褐銹病周圍基因序列的空白，”該論文的第一作者、HudsonAlpha 的研究員Adam Healey 說。甘蔗基因組中有數(shù)十萬個基因，但只有兩個基因協(xié)同工作來保護植物免受病原體侵害。據(jù)我們所知，在所有植物中以類似方式進行保護的例子屈指可數(shù)。更好地了解甘蔗的抗病性如何發(fā)揮作用，有助于保護面臨類似病原體的其他作物。 \'

研究人員研究了一種名為R570 的甘蔗品種，幾十年來，該品種已在世界各地用作了解甘蔗遺傳學的模型。與所有現(xiàn)代甘蔗品種一樣，R570 是馴化甘蔗品種（產(chǎn)生更多糖）和野生品種（攜帶抗病基因）的雜交品種。

對農(nóng)業(yè)和生物能源的潛在影響

“了解R570 的完整遺傳圖譜將使研究人員能夠追蹤哪些基因來自哪個親本，從而使育種者能夠更輕松地識別控制相關性狀以提高產(chǎn)量的基因。”

改良的未來甘蔗品種在農(nóng)業(yè)和生物能源方面都有潛在的應用。改進甘蔗生產(chǎn)糖的方式可以提高農(nóng)民的作物產(chǎn)量，在相同的面積上提供更多的糖。

甘蔗是生產(chǎn)生物燃料（特別是乙醇）和其他生物產(chǎn)品的重要原料或起始材料。甘蔗壓榨后留下的殘渣稱為甘蔗渣，是重要的農(nóng)業(yè)殘渣，也可以分解并轉化為生物燃料和生物產(chǎn)品。

“我們正在努力了解植物中的特定基因如何與下游生物體相關，”伯克利實驗室領導的能源部生物能源研究中心聯(lián)合生物能源研究所首席科學技術官布萊克·西蒙斯說。材料的質量，然后我們可以將生物質轉化為生物燃料和生物產(chǎn)品。 \'

通過對甘蔗遺傳學的更深入了解，我們可以更好地了解和控制植物基因型，以生產(chǎn)我們所需的糖和甘蔗渣衍生的中間體，從而實現(xiàn)與生物經(jīng)濟相關的大規(guī)?？沙掷m(xù)性。甘蔗轉化技術”。

迄今為止，甘蔗復雜的遺傳學使其成為最后一種沒有完整且高度準確的基因組的主要作物。

研究人員利用多種技術，成功繪制了甘蔗的DNA 圖譜并確定了關鍵區(qū)域，其中包括與糖生產(chǎn)和運輸以及對褐銹病的抗病性相關的幾個區(qū)域。

甘蔗參考基因組可用于幫助培育更耐壓的作物或提高糖產(chǎn)量，并應用于農(nóng)業(yè)和生物能源。

編譯自：科技日報