Nature | 福建农林大学明瑞光团队破解甘蔗母本恢复谜题

甘蔗是全球最重要的糖料与生物能源作物。百余年来，栽培种甘蔗与野生种甘蔗的种间杂交是甘蔗育种的核心路径，而这一育种策略的成功与一个特殊的遗传现象相关——“母本恢复”。杂交后代会继承母本的全套80条染色体与父本的单套染色体，形成经典的 “2n+n”染色体传递模式。然而，关于这一现象背后的分子机制，自发现以来的一个世纪里学界先后提出多种假说，却始终未能达成共识，成为甘蔗研究领域悬而未决的经典谜题。

8月5日，福建农林大学海峡联合研究院基因组中心明瑞光教授团队在Nature在线发表了题为Uncovering the mechanism of female restitution in sugarcane hybrids的研究论文。该研究完成了八倍体栽培种甘蔗与十倍体野生种甘蔗的染色体水平单倍型基因组组装，通过对多个种间 F₁杂种的基因组深度解析，首次从全基因组单倍型层面证实，甘蔗母本恢复的核心机制是第二次分裂恢复（Second Division Restitution, SDR）。

自1923年甘蔗种间杂交的染色体异常传递现象被首次报道以来，研究者基于细胞学观察提出了三类主流假说。一类观点认为染色体加倍发生在减数分裂之后，是卵细胞内染色体内复制的结果；第二类观点提出加倍发生在受精之后，由合子的不对称有丝分裂导致；第三类观点则认为2n雌配子源于第二次减数分裂失败（第二次分裂恢复），或是四分体中两个孢子的融合。但由于甘蔗基因组倍性高、同源染色体序列相似度高、结构复杂，长期以来缺乏同时包含双亲及杂种的高质量单倍型参考基因组，研究者始终无法从 DNA 序列层面追溯染色体的传递与重组过程，各类假说始终缺乏决定性的分子证据。

为攻克这一难题，研究团队以栽培种甘蔗Saccharum officinarum LA Purple（同源八倍体，2n=80）与野生种甘蔗Saccharum spontaneum US56-14-4（同源十倍体，2n=80）为亲本，整合 PacBio HiFi 长读长测序、ONT 超长读长测序、Pore-C 及 Hi-C 染色质构象捕获技术，完成了两个亲本的高精度单倍型基因组组装。其中 LA Purple 实现了80条染色体的无缺口组装，仅缺失3个端粒序列；US56-14-4 组装出 7.23 Gb 的染色体水平基因组，准确分辨了高度相似的单倍型。

在此基础上，研究团队采用trio-binning分箱策略，利用亲本特异性的k-mer序列，对 8个F₁杂种的测序数据进行亲本来源拆分，分别组装母本与父本来源的染色体组，彻底避免了杂种中同源/部分同源序列的嵌合组装问题。研究发现，所有F₁杂种均呈现2:1 的母本与父本基因组比例，即约80条母本染色体与约40条父本染色体，在基因组层面验证了经典的“2n+n”传递模式。

深入分析母本配子的染色体构成后，研究团队发现了关键的遗传特征：母本传递的80 条染色体并非两套完整的同源染色体组，而是40对姐妹染色单体，其中约一半为与母本完全一致的非重组染色体，另一半为发生了交换的重组染色体。每一对姐妹染色单体都呈现出“从一端端粒到交换断点为纯合、从断点到另一端端粒为杂合”的特征，这正是第二次分裂恢复的典型遗传标记。

正常减数分裂中，第一次减数分裂分离同源染色体，第二次减数分裂分离姐妹染色单体，最终产生遗传多样性约 50% 的单倍体配子。若第一次分裂失败，配子可保留约87.5% 的亲本等位基因多样性；若第二次分裂失败，配子仅保留约62.5%的亲本等位基因多样性。经定量分析，两个高质量组装的F₁杂种分别保留了63.6%-64.1%与64.1%的母本等位基因多样性，与SDR的理论预期高度吻合，而与FDR、减数分裂后内复制等假说的预期均不相符。

基于这一发现，研究团队提出应对甘蔗杂种母本恢复的遗传表述进行修订：传统的 “2n” 表述易让人误解为配子保留了完整的体细胞遗传信息，但SDR来源的配子实际是第一次减数分裂后的单倍体产物因第二次分裂失败而保留了姐妹染色单体，遗传多样性介于单倍体与完整体细胞之间。因此，研究团队提议将该传递模式命名为n₁*×2 + n₂，其中 n₁*×2 代表SDR来源的母本配子，n₂代表正常的父本单倍体配子。

为进一步验证SDR机制，研究团队开发了KLASSIFY算法。不同于传统基于SNP窗口的断点鉴定方法，KLASSIFY直接基于长读长序列的独特k-me组成识别嵌合reads，能够精准定位重组断点，尤其适配高倍性、高同源性的复杂多倍体基因组。模拟测试显示，该算法在二倍体、四倍体、八倍体样本中均达到了极高的鉴定精准度。

借助KLASSIFY算法，研究团队定义了两类重组断点：仅由重组reads支持的Type I断点，是正常减数分裂交换的典型特征；以及同时被重组reads与非重组reads支持的 Type II 断点，这类断点的存在，正是因为SDR保留了一对姐妹染色单体，其中一条发生重组，另一条未发生重组，因此在断点区域同时存在两种序列构型，是SDR机制的专属分子标记。

对8个F₁杂种的全基因组分析结果清晰显示：所有母本来源的染色体中，Type I 与 Type II 断点总是成对出现；而父本来源的正常配子中，所有断点均为 Type I，不存在 Type II 断点。这一结果直接从分子序列层面证明母本配子源于第二次减数分裂失败，为 SDR机制提供了决定性证据。此外，研究还发现甘蔗的重组热点区域富集CNG、CCG、CCT三类DNA基序，与已报道的植物减数分裂交换热点特征一致。

研究团队进一步系统梳理了甘蔗生殖过程中已报道或推断的9种染色体传递场景，涵盖减数分裂恢复、减数分裂后加倍、合子后加倍、四分体融合等多种可能。通过染色体数目、等位基因多样性水平、断点类型三个维度的系统比对，8个F₁个体的基因组特征均完全匹配SDR机制，其余8种场景均与实验结果存在矛盾，从而明确第二次分裂复原是甘蔗雌性复原的主导机制。

这一机制的解析，不仅解答了百年学术谜题，也为甘蔗育种带来了全新的启示。未减数配子的形成在自然界中通常较为罕见且多伴随有害效应，但甘蔗栽培种与野生种杂交时，SDR来源的雌配子却能稳定产生可育后代。研究推测，SDR机制可能为染色体结构存在差异的类群间杂交提供了遗传兼容性。栽培种甘蔗基础染色体数x=10，野生种x=8，二者之间存在多次染色体裂变与融合，SDR产生的配子结构或许降低了杂交的遗传屏障，这也为理解被子植物多倍体频发的进化现象提供了新的视角。在育种应用层面，SDR 机制的明确也为甘蔗性状改良提供了新策略。由于SDR使得F₁代仅保留约62.5%的母本等位基因，若选择十六倍体野生种甘蔗作为父本进行回交，有望在3代回交内恢复98%的栽培种等位基因，同时保留1套野生种的单倍体基因组以导入抗逆等优良性状，该策略有望大幅提升甘蔗杂种的产量潜力，加速甘蔗遗传增益。

总体而言，该研究首次在单倍型全基因组水平解析了甘蔗杂种母本恢复的分子机制，终结了延续一个世纪的细胞学争论，既拓展了真核生物减数分裂变异的理论认知，也为甘蔗乃至其他多倍体作物的精准育种提供了关键的理论支撑与技术工具。

福建农林大学海峡联合研究院基因组中心朱斯慧副教授、唐海宝教授为论文共同第一作者，明瑞光教授为通讯作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10863-3