中国热科院甘蔗中心联合阐述甘蔗品种重要性状形成的生物学基础

近日，中国热带农业科学院甘蔗研究中心在“国家热带农业科学中心科技创新团队”和“热带作物生物育种全国重点实验室科研项目”等专项资助下，联合云南农科院、广西农科院和福建农林大学，从转录和代谢水平解析了我国第5代甘蔗主栽品种（桂糖42、桂糖44、柳城05136、云蔗08-1609和云蔗05-51）的高产、高糖、抗逆、抗倒伏和适宜机械收获等性状形成的生物学基础，为进一步推进我国第6代甘蔗优良品种选育奠定了理论基础。论文以“Dissection of genetic architecture for desirable traits in sugarcane by integrated transcriptomics and metabolomics”为题发表在国际知名期刊International Journal of Biological Macromolecules上。

甘蔗产业的发展就是品种不断更新的过程。我国蔗区先后经过5次大的品种改良，有力促进了产业的发展，使我国成为世界主要的蔗糖生产国，为保障食糖供给安全做出了重要贡献。在我国，新台糖22号曾经占主导地位近20年。近年来，在广大育种家的努力下，成功育成了桂糖42号、桂糖44号、柳城05-136、云蔗08-1609、云蔗05-51等一批高产高糖抗逆宜机的第5代甘蔗新品种（图1），其种植覆盖了我国主产蔗区甘蔗面积的83.4%以上。其中，桂糖42自2019年以来连续五年保持全国种植面积第一，2024年种植面积达421.9万亩；桂糖44则因其强宿根、宜机收、早熟高糖的特点，2024年种植面积突破143.7万亩，进入全国主栽品种前三；柳城05-136在在全国种植面积累计超过2500万亩；云蔗08-1609是高产特高糖典型品种，蔗糖分达20.3%，创造了国际甘蔗糖分最高记录，被誉为“糖王”，2024年占云南省种植面积50%以上，高达180万亩；云蔗05-51具有高产、高糖、抗逆性强等特点，突破了我国无灌溉区甘蔗单产记录。针对这些品种优异性状形成的机理开展研究，既是对第5代品种选育理论的总结，更是对第6代品种选育的启发。

图1 我国第5代甘蔗主栽品种及其核心亲本

研究首先开展了转录组和代谢组联合分析，发现参与碳固定、淀粉和蔗糖代谢、苯丙烷类和类黄酮生物合成、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、玉米素生物合成等代谢途径的关键基因和代谢物，在五个优良品种和核心亲本CP72-1210与ROC22（对照品种）间存在差异表达或积累（图2）。这些基因的表达模式已通过甘蔗公共数据库验证，其功能也已在其他植物中得到进一步确认，并与本研究中识别的相关性状相关联。比如，碳固定与淀粉和蔗糖代谢通路相关基因与代谢物的表达/积累量变化是第5代主栽品种产量与蔗糖含量提高的关键分子因素（图2A, B）；苯丙烷类和类黄酮生物合成途径相关基因与代谢物的表达/积累量变化是品种抗性与宿根性增强的潜在分子因素（图2C, D）；半胱氨酸和蛋氨酸代谢及玉米素生物合成相关基因与代谢物的表达/积累量变化是品种非生物胁迫耐受性提升、易脱叶和促进甘蔗生长能力的潜在关键分子因素（图2E-G）。

图2 我国第5代甘蔗品种优异性状形成的转录和代谢组学基础

进一步，利用加权基因共表达网络分析（WGCNA），解析了与甘蔗性状形成的遗传调控网络，鉴定出与蔗糖含量、分蘖和茎径相关的基因模块，并发现芳香族氨基转移酶（ISS1）、双功能天冬酰基酶/同半胱氨酸脱氢酶2（AKHSDH2）和同型半胱氨酸S-甲基转移酶（HMT-3）等基因可能是控制甘蔗产量的核心因素。此外，还发现Alfin-like、ARR-B、RWP-RK、LIM、NAC和TAZ等转录因子可能在以上性状形成过程中发挥重要作用（图3）。

图3 我国第5代甘蔗主栽品种主要性状的基因共表达网络

综上，本研究解析了我国第5代甘蔗品种优异性状形成的转录和代谢组学基础，揭示了隐藏在这些品种选育背后潜在的分子逻辑，并据此提出了甘蔗优良品种理想性状的遗传基础假说模型（图4），有望为加速第6代甘蔗品种优良性状的聚合提供潜在的基因靶点和理论支撑。

图4 甘蔗优良品种理想性状的遗传基础模型

中国热科院甘蔗中心客座研究人员/广西农科院甘蔗所李傲梅助理研究员和中国热科院/生物所/热带作物生物育种全国重点实验室吴期滨副研究员为论文共同第一作者；广西农科院甘蔗所黄东亮研究员、国家糖料产业技术体系首席科学家/云南农科院甘蔗所/热带作物生物育种全国重点实验室张跃彬研究员、中国热科院甘蔗中心主任/生物所/热带作物生物育种全国重点实验室/福建农林大学阙友雄研究员为本文的共同通讯作者；桂糖42和桂糖44的主要育成者-广西农科院甘蔗所王伦旺研究员，柳城05-136主要育成者-柳城甘蔗中心卢文祥研究员，云蔗05-51和云蔗08-1609的主要育成与推广人员-云南农科院甘蔗所刘家勇研究员、赵培方研究员、赵勇助理研究员和杨绍林助理研究员为本文做出了重要贡献。该研究得到国家重点研发计划、国家热带农业科学中心科技创新团队、热带作物生物育种全国重点实验室科研专项、国家糖料产业技术体系、广西和云南省甘蔗遗传育种重点实验室开放课题等项目的资助。

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.136009