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科学家们为甘蔗（现代最重要的作物之一）创建了高度准确的参考基因组，并发现了基因如何赋予植物抗病性的罕见例子。探索甘蔗的遗传密码可以帮助研究人员开发更耐寒、产量更高的作物，这对糖生产和生物燃料都有影响。

现代杂交甘蔗简介

现代杂交甘蔗是地球上收获量最大的作物之一，用于制造糖、糖蜜、生物乙醇和生物基材料等产品。它还拥有最复杂的基因蓝图。

迄今为止，甘蔗复杂的遗传学使其成为最后一种没有完整且高度精确的基因组的主要作物。科学家开发并结合了多种技术，成功绘制了甘蔗的遗传密码图谱。

通过这张地图，他们可以验证抗褐锈病的具体位置，如果不加以控制，褐锈病可能会对糖料作物造成毁灭性的打击。研究人员还可以利用基因序列来更好地了解与糖生产有关的许多基因。

甘蔗遗传研究进展

这项研究是美国能源部联合基因组研究所(JGI) 社区科学计划的一部分，该计划是美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）科学用户设施办公室办公室的一部分。该研究于3 月27 日发表在期刊《自然》 上，基因组可通过JGI 的植物门户网站Phytozome 获取。

“这是我们完成的最复杂的基因组序列，”JGI 植物项目负责人兼HudsonAlpha 生物技术研究所研究员Jeremy Schmutz 说。 '这表明我们已经取得了很大的进步。这种事情在10年前是不可能的。我们现在能够实现我们认为在植物基因组学领域不可能实现的目标。

甘蔗基因组非常复杂，因为它很大，而且它比普通植物含有更多的染色体拷贝，这一特征被称为多倍体。甘蔗有大约100 亿个碱基对（DNA 的组成部分）；相比之下，人类基因组约有30 亿个碱基对。

甘蔗DNA 的许多片段在不同染色体内部和之间都是相同的。因此，在重建完整的基因蓝图的同时，如何正确重组DNA的所有小片段是一个挑战。研究人员通过结合多种基因测序技术解决了这一挑战，其中包括一种新开发的名为PacBio HiFi 的测序方法，可以准确确定较长DNA 片段的序列。

了解和利用甘蔗基因组

拥有完整的“参考基因组”可以更轻松地研究甘蔗，使研究人员能够将甘蔗的基因和途径与其他经过更好研究的作物（例如高粱）或其他感兴趣的生物燃料作物（例如柳枝稷）进行比较。和马齿苋）基因和途径进行了比较。与其他作物进行比较可以更容易地了解每个基因如何影响相关性状，例如哪些基因在糖生产过程中高度表达或哪些基因对于抗病性很重要。研究发现，负责抵抗褐锈病的基因只存在于基因组中的一个位置，褐锈病是一种真菌病原体，已对甘蔗作物造成数百万美元的损失。

此图显示了基因测序图谱（使用GENESPACE 创建），该图谱比较了相关植物物种的基因组组装。水平白线代表染色体，连接染色体的彩色编织线代表保守基因块。这使得研究人员能够追踪经过深入研究的作物（例如双色高粱（一种特殊类型的高粱））中的保守基因到更复杂的基因组（例如野生甘蔗和栽培品种R570），以便更好地了解它们。功能。作为对比，上排提供了R570 的先前单倍体组合，其中基因组中的多个染色体拷贝表示为单个嵌合组合。照片来源：Adam Healey 和John Lovell/HudsonAlpha

“当我们对基因组进行测序时，我们填补了褐锈病周围基因序列的空白，”该论文的第一作者、HudsonAlpha 的研究员Adam Healey 说。甘蔗基因组中有数十万个基因，但只有两个基因协同工作来保护植物免受病原体侵害。据我们所知，在所有植物中以类似方式进行保护的例子屈指可数。更好地了解甘蔗的抗病性如何发挥作用，有助于保护面临类似病原体的其他作物。 \'

研究人员研究了一种名为R570 的甘蔗品种，几十年来，该品种已在世界各地用作了解甘蔗遗传学的模型。与所有现代甘蔗品种一样，R570 是驯化甘蔗品种（产生更多糖）和野生品种（携带抗病基因）的杂交品种。

对农业和生物能源的潜在影响

“了解R570 的完整遗传图谱将使研究人员能够追踪哪些基因来自哪个亲本，从而使育种者能够更轻松地识别控制相关性状以提高产量的基因。”

改良的未来甘蔗品种在农业和生物能源方面都有潜在的应用。改进甘蔗生产糖的方式可以提高农民的作物产量，在相同的面积上提供更多的糖。

甘蔗是生产生物燃料（特别是乙醇）和其他生物产品的重要原料或起始材料。甘蔗压榨后留下的残渣称为甘蔗渣，是重要的农业残渣，也可以分解并转化为生物燃料和生物产品。

“我们正在努力了解植物中的特定基因如何与下游生物体相关，”伯克利实验室领导的能源部生物能源研究中心联合生物能源研究所首席科学技术官布莱克·西蒙斯说。材料的质量，然后我们可以将生物质转化为生物燃料和生物产品。 \'

通过对甘蔗遗传学的更深入了解，我们可以更好地了解和控制植物基因型，以生产我们所需的糖和甘蔗渣衍生的中间体，从而实现与生物经济相关的大规模可持续性。甘蔗转化技术”。

迄今为止，甘蔗复杂的遗传学使其成为最后一种没有完整且高度准确的基因组的主要作物。

研究人员利用多种技术，成功绘制了甘蔗的DNA 图谱并确定了关键区域，其中包括与糖生产和运输以及对褐锈病的抗病性相关的几个区域。

甘蔗参考基因组可用于帮助培育更耐压的作物或提高糖产量，并应用于农业和生物能源。

编译自：科技日报