為了讓你吃到更多更甜的甘蔗，科學(xué)家做了哪些努力？（下）

出品：科普中國(guó)

作者：尹昕（中國(guó)科學(xué)院微生物研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為解碼生命科學(xué)最新奧秘，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“生命新知”系列文章，從獨(dú)特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無(wú)限可能。

炎炎夏日，一杯冰鎮(zhèn)甘蔗汁帶來(lái)清涼與甜蜜。

寒風(fēng)凜冽，一碗紅糖水送去溫暖與滋養(yǎng)。

日常生活中這些簡(jiǎn)單的“小確幸”，都與甘蔗這種作物聯(lián)系在一起。但你知道嗎？甘蔗的甘甜并非與生俱來(lái)，它經(jīng)歷了科學(xué)家們對(duì)甘蔗種質(zhì)的一次次改良。

今天，就讓我們講講科學(xué)家們與甘蔗的故事。

甘蔗的種質(zhì)是什么？與品種是兩回事

甘蔗的種質(zhì)是什么？很多人以為它就是甘蔗的品種，但其實(shí)兩者有所區(qū)別。

經(jīng)過(guò)品種審定的甘蔗才能稱為甘蔗品種，也就是我們能看到的甘蔗種類。在品種審定之前，各種有潛力的中間材料都可以被稱為種質(zhì)，另外經(jīng)過(guò)基因改造的甘蔗也可以被稱為種質(zhì)。

因此，我們可以認(rèn)為，種質(zhì)是甘蔗的遺傳基礎(chǔ)，是決定甘蔗品質(zhì)的根源。

為了選出優(yōu)質(zhì)的甘蔗，科學(xué)家們會(huì)對(duì)它進(jìn)行多個(gè)指標(biāo)的測(cè)試，并制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，包括含糖量、產(chǎn)量、抗病性、抗蟲(chóng)性、耐寒性、耐旱性、宿根性和生長(zhǎng)速度等。如《糖料甘蔗》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 10498-2010），列出最低蔗糖分指標(biāo)為12%等標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)這些測(cè)試，科學(xué)家們能挑選出那些最具潛力的“優(yōu)異種質(zhì)”，讓它們?cè)谖磥?lái)的種植中發(fā)揮更大作用。

甘蔗擁有龐大的基因組，雜交育種往往耗時(shí)耗力

為了讓甘蔗更甜、更高產(chǎn)，科學(xué)家們做出了許多努力。

最常見(jiàn)的方法是雜交育種，這有點(diǎn)像給甘蔗“找對(duì)象”，除了讓甘蔗不同品種之間進(jìn)行雜交，甘蔗和“近緣親戚”（一般是甘蔗亞族[Saccharinae]甘蔗屬[Saccharum]的其他物種），甚至和“遠(yuǎn)緣親戚”（一般是甘蔗亞族[Saccharinae]甘蔗屬[Saccharum]之外的其他可以和甘蔗雜交的物種,如蔗茅屬、河八王屬、硬穗屬、芒屬等）之間都能相互交配，繼承它們的優(yōu)點(diǎn)【6】。

在甘蔗的“近緣親戚”和“遠(yuǎn)緣親戚”中，有眾多的野生種質(zhì)資源，在野外自然選擇的壓力下，它們往往會(huì)更多地保留抗病、抗逆等優(yōu)良性狀基因。就像父母的優(yōu)良基因傳給孩子一樣，科學(xué)家希望通過(guò)這種方法，培育出高糖高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的甘蔗。

比如，某些甘蔗品種可能抗病性好，但糖分較低；而另一些品種則糖分高但容易生病。通過(guò)雜交育種，科學(xué)家們希望兼顧這些優(yōu)點(diǎn)。

然而，由于甘蔗的基因組龐大且復(fù)雜，其基因組大小約為10 Gb【6】，而人的基因組大小約為3Gb【7】。人是2倍體生物，由受精卵發(fā)育而成，有46條染色體。精子和卵子作為人的生殖細(xì)胞，染色體數(shù)量是體細(xì)胞的一半,各有23條染色體，被稱為單倍體。精子卵子結(jié)合形成受精卵，則恢復(fù)成為二倍體。因此，二倍體是指生物體的細(xì)胞中含有兩個(gè)染色體組的生物，一組染色體來(lái)自“父親”，一組染色體來(lái)自“母親”。

而甘蔗則復(fù)雜多了，在甘蔗的進(jìn)化過(guò)程中，全基因組經(jīng)歷了多次“多倍化事件”（即染色體數(shù)量加倍）【8】。再加上與“親戚”混亂的雜交，導(dǎo)致甘蔗的基因組呈現(xiàn)多倍性，有上百條染色體，而且每個(gè)品種的“父母”來(lái)源不一樣，導(dǎo)致基因組也不一樣。即使“父母”一樣，產(chǎn)生的基因組合也有很大區(qū)別，真是“龍生九子，各有不同”。因此，雜交選育過(guò)程并不總是順利，有時(shí)候培育出的新甘蔗種質(zhì)反而不如預(yù)期。這種“碰運(yùn)氣”的過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力，需要花費(fèi)科學(xué)家們數(shù)年甚至幾十年的觀察與篩選。

甘蔗改良的新思路：探索高倍體基因編輯技術(shù)

為了解決這些問(wèn)題，近年來(lái)，科學(xué)家們開(kāi)始探索基因編輯技術(shù)。與雜交育種的“碰運(yùn)氣”不同，基因編輯就像“精準(zhǔn)修剪”。

基因編輯

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

科學(xué)家們可以通過(guò)對(duì)不同品種甘蔗基因組、轉(zhuǎn)錄組（基因表達(dá)水平的變化）和蛋白組（蛋白質(zhì)有無(wú)和多少）進(jìn)行比較和分析，以及在甘蔗的“遠(yuǎn)親”如高粱、玉米和水稻等研究比較深入的作物中進(jìn)行同源分析，找到影響甘蔗甜度、抗病性等性狀的基因。

比如，在感病的品種中存在A基因能被病原菌利用，導(dǎo)致產(chǎn)生病害，而在抗病的品種中，A基因失去了功能而不能被病原菌利用，從而不產(chǎn)生病害，我們就可以在感病的品種中利用基因編輯技術(shù)將A基因“剪掉”，使A基因和抗病品種一樣不能被病原菌利用。這樣進(jìn)行針對(duì)性地改造后，就可以快速地聚合高糖高抗等優(yōu)異性狀了。

但基因編輯也有它的難點(diǎn)，其技術(shù)復(fù)雜，特別是對(duì)于甘蔗這樣的高倍體作物。前文也提到甘蔗經(jīng)歷了多次“多倍化事件”，導(dǎo)致同源基因多，即同樣的基因可能在基因組中有多個(gè)拷貝。如果需要基因編輯，則要同時(shí)將這些同源基因全部都進(jìn)行改造。因此，需要高效的基因編輯方法。打個(gè)比方，如果基因編輯的效率是50%，同時(shí)編輯2個(gè)同源基因的成功率是25%，那么同時(shí)編輯10個(gè)同源基因的成功率就只有0.098%了；如果基因編輯的效率提升至80%，同時(shí)編輯2個(gè)同源基因的成功率理論上能達(dá)到64%，而同時(shí)編輯10個(gè)同源基因的成功率理論上能達(dá)到10.7%。因此，提升基因編輯的效率是科學(xué)家們努力奮斗的目標(biāo)【4】。

不論是雜交育種還是基因編輯育種，科學(xué)家都在不斷努力，讓我們吃到越來(lái)越甜、產(chǎn)量越來(lái)越高的甘蔗。比如，在果蔗領(lǐng)域，科學(xué)家們不斷選育口感更好、甜度更高更多汁的新品種，讓人們?cè)诳懈收釙r(shí)獲得更好的體驗(yàn)。而在糖蔗領(lǐng)域，科學(xué)家則著眼于提高含糖量、產(chǎn)量、抗病性等，讓制糖效率更高，保證產(chǎn)量和質(zhì)量。

結(jié)語(yǔ)

科學(xué)，從未遠(yuǎn)離我們的生活?？此破胀ǖ母收?，其實(shí)凝結(jié)了許多科學(xué)家的心血與智慧。每一口甜美的背后，都有著無(wú)數(shù)次的探索和實(shí)驗(yàn)、失敗與成功，也有對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)的美好期待。

下次，當(dāng)你品嘗一口紅糖水時(shí)，或許會(huì)想到這些默默工作的科研人員，他們的努力讓我們?nèi)粘Ｉ钪械拿恳豢谔鸲几用篮谩?/p>

（注：文中拉丁文部分應(yīng)為斜體）

參考文獻(xiàn)：

1.Mintz, S. W. (1985). Sweetness and Power: The Place of Sugar in Modern History. Penguin Books.

2.Eggleston, G., & Legendre, B. L. (2003). Quality management of sugarcane juice to raw sugar: Louisiana factory operations. International Sugar Journal, 105(1256), 8-18.

3.Rein, P. (2007). Cane Sugar Engineering. Bartens.

4.De Souza, A. P., Grandis, A., Leite, D. C., & Buckeridge, M. S. (2014). Sugarcane as a bioenergy source: history, performance, and perspectives for second-generation bioethanol. Bioenergy Research, 7(1), 24-35.

5.唐亮東. (2024). 廣西甘蔗制糖工業(yè)的綠色低碳發(fā)展：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與策略. 甘蔗糖業(yè)，53(3)：74-79.

6.董廣蕊，石佳仙，侯藹玲，張積森. (2018). 甘蔗基因組研究進(jìn)展. 生物技術(shù)， 28(3)：296.

7.International Human Genome Sequencing Consortium. (2004). Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature, volume 431, 931–945.

8.Jisen Zhang, Qing Zhang, Leiting Li, Haibao Tang, et al. (2018) Recent polyploidization events in three Saccharum founding species. Plant Biotechnol J, 17(1), 264-274