近日，中國(guó)熱科院生物所在甘蔗品種重要性狀形成的生物學(xué)基礎(chǔ)方面取得新進(jìn)展，生物所聯(lián)合云南農(nóng)科院、廣西農(nóng)科院和福建農(nóng)林大學(xué)，從轉(zhuǎn)錄和代謝水平解析了我國(guó)第5代甘蔗主栽品種（桂糖42、桂糖44、柳城05136、云蔗08-1609和云蔗05-51）的高產(chǎn)、高糖、抗逆、抗倒伏和適宜機(jī)械收獲等性狀形成的生物學(xué)基礎(chǔ)，為進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)第6代甘蔗優(yōu)良品種選育奠定了理論基礎(chǔ)。
甘蔗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展就是品種不斷更新的過(guò)程，我國(guó)經(jīng)過(guò)5次較大的蔗區(qū)品種改良后，現(xiàn)已成為世界主要的蔗糖生產(chǎn)國(guó)，為保障食糖供給安全做出了重要貢獻(xiàn)。在我國(guó)，新臺(tái)糖22號(hào)曾經(jīng)占主導(dǎo)地位近20年，近年來(lái)，在廣大育種家的努力下，成功育成了桂糖42號(hào)、桂糖44號(hào)、柳城05-136、云蔗08-1609、云蔗05-51等一批高產(chǎn)高糖抗逆宜機(jī)的第5代甘蔗新品種，其種植覆蓋了我國(guó)主產(chǎn)蔗區(qū)甘蔗面積的83.4%以上。其中，桂糖42自2019年以來(lái)連續(xù)五年保持全國(guó)種植面積第一，2024年種植面積達(dá)421.9萬(wàn)畝；桂糖44則因其強(qiáng)宿根、宜機(jī)收、早熟高糖的特點(diǎn)，2024年種植面積突破143.7萬(wàn)畝，進(jìn)入全國(guó)主栽品種前三；柳城05-136在全國(guó)種植面積累計(jì)超過(guò)2500萬(wàn)畝；云蔗08-1609是高產(chǎn)特高糖典型品種，蔗糖分達(dá)20.3%，創(chuàng)造了國(guó)際甘蔗糖分最高記錄，被譽(yù)為“糖王”，2024年占云南省種植面積50%以上，高達(dá)180萬(wàn)畝；云蔗05-51具有高產(chǎn)、高糖、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，突破了我國(guó)無(wú)灌溉區(qū)甘蔗單產(chǎn)記錄。針對(duì)這些品種優(yōu)異性狀形成的機(jī)理開展研究，既是對(duì)第5代品種選育理論的總結(jié)，更是對(duì)第6代品種選育的啟發(fā)。
研究通過(guò)轉(zhuǎn)錄組和代謝組聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)參與碳固定、淀粉和蔗糖代謝、苯丙烷類和類黃酮生物合成、半胱氨酸和蛋氨酸代謝、玉米素生物合成等代謝途徑的關(guān)鍵基因和代謝物，在五個(gè)優(yōu)良品種和核心親本CP72-1210與ROC22（對(duì)照品種）間存在差異表達(dá)或積累。這些基因的表達(dá)模式已通過(guò)甘蔗公共數(shù)據(jù)庫(kù)驗(yàn)證，其功能也已在其他植物中得到進(jìn)一步確認(rèn)，并與本研究中識(shí)別的相關(guān)性狀相關(guān)聯(lián)。比如，碳固定與淀粉和蔗糖代謝通路相關(guān)基因與代謝物的表達(dá)/積累量變化是第5代主栽品種產(chǎn)量與蔗糖含量提高的關(guān)鍵分子因素（圖2A, B）；苯丙烷類和類黃酮生物合成途徑相關(guān)基因與代謝物的表達(dá)/積累量變化是品種抗性與宿根性增強(qiáng)的潛在分子因素（圖2C, D）；半胱氨酸和蛋氨酸代謝及玉米素生物合成相關(guān)基因與代謝物的表達(dá)/積累量變化是品種非生物脅迫耐受性提升、易脫葉和促進(jìn)甘蔗生長(zhǎng)能力的潛在關(guān)鍵分子因素（圖2E-G）。
研究進(jìn)一步利用加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA），解析了與甘蔗性狀形成的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，鑒定出與蔗糖含量、分蘗和莖徑相關(guān)的基因模塊，并發(fā)現(xiàn)芳香族氨基轉(zhuǎn)移酶（ISS1）、雙功能天冬酰基酶/同半胱氨酸脫氫酶2（AKHSDH2）和同型半胱氨酸S-甲基轉(zhuǎn)移酶（HMT-3）等基因可能是控制甘蔗產(chǎn)量的核心因素。此外，還發(fā)現(xiàn)Alfin-like、ARR-B、RWP-RK、LIM、NAC和TAZ等轉(zhuǎn)錄因子可能在以上性狀形成過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
本研究解析了我國(guó)第5代甘蔗品種優(yōu)異性狀形成的轉(zhuǎn)錄和代謝組學(xué)基礎(chǔ)，揭示了隱藏在這些品種選育背后潛在的分子邏輯，并據(jù)此提出了甘蔗優(yōu)良品種理想性狀的遺傳基礎(chǔ)假說(shuō)模型，為第6代甘蔗品種優(yōu)良性狀的聚合提供潛在的基因靶點(diǎn)和理論支撐。
該研究成果以“Dissection of genetic architecture for desirable traits in sugarcane by integrated transcriptomics and metabolomics”為題發(fā)表于《International Journal of Biological Macromolecules》。中國(guó)熱科院甘蔗中心客座研究人員/廣西農(nóng)科院甘蔗所李傲梅助理研究員和中國(guó)熱科院生物所/熱帶作物生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳期濱副研究員為論文共同第一作者；廣西農(nóng)科院甘蔗所黃東亮研究員、國(guó)家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系首席科學(xué)家/云南農(nóng)科院甘蔗所/熱帶作物生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張躍彬研究員、中國(guó)熱科院生物所甘蔗中心主任//熱帶作物生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/福建農(nóng)林大學(xué)闕友雄研究員為本文的共同通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)中心科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、熱帶作物生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研專項(xiàng)、國(guó)家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、廣西和云南省甘蔗遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.136009
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