现代杂交甘蔗是地球上收获量最大的作物之一，用于生产糖、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之一。

到目前为止，甘蔗复杂的遗传学使其成为最后一个没有完整且高度准确的基因组的主要作物。科学家们开发并结合了多种技术，成功地绘制出了甘蔗的遗传密码。借助该地图，他们能够验证对具有影响力的褐锈病具有抵抗力的具体位置，这种病如果不加以控制，可能会摧毁糖料作物。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。

该研究是美国联合基因组研究所 (JGI) 社区科学计划的一部分，该研究所是劳伦斯伯克利国家实验室 (伯克利实验室) 的科学用户设施办公室办公室。该研究今天发表在《自然》杂志上，基因组可通过 JGI 的植物门户网站Phytozome获取。

“这是我们迄今为止完成的最复杂的基因组序列，”JGI 植物项目负责人兼 HudsonAlpha 生物技术研究所的研究员 Jeremy Schmutz 说。 “这表明我们已经走了多远。这是10年前人们认为不可能的事情。我们现在能够实现以前认为在植物基因组学中不可能实现的目标。”

甘蔗的基因组非常复杂，不仅因为它很大，而且因为它比典型植物含有更多的染色体拷贝，这一特征称为多倍体。甘蔗有大约 100 亿个碱基对，是 DNA 的组成部分;相比之下，人类基因组大约有30亿。甘蔗 DNA 的许多片段在不同染色体内和不同染色体之间都是相同的。这使得在重建完整的基因蓝图时正确地重新组装 DNA 的所有小片段成为一项挑战。研究人员通过结合多种基因测序技术解决了这个难题，其中包括一种新开发的 PacBio HiFi 测序方法，该方法可以准确确定较长 DNA 片段的序列。

拥有完整的“参考基因组”可以更容易地研究甘蔗，使研究人员能够将其基因和途径与其他经过充分研究的作物(如高粱)或其他感兴趣的生物燃料作物(如柳枝稷和芒草)的基因和途径进行比较。通过将此参考与其他作物进行比较，可以更容易地理解每个基因如何影响感兴趣的性状，例如哪些基因在糖生产过程中高度表达，或者哪些基因对于抗病性很重要。这项研究发现，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，此前曾对甘蔗作物造成数百万美元的损失。

“当我们对基因组进行测序时，我们能够填补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才能保护植物免受这种病原体的侵害。据我们所知，在整个工厂中，只有少数几个实例能够以类似的方式发挥保护作用。更好地了解甘蔗的抗病性如何发挥作用，有助于保护未来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，该品种一直被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(产糖能力优异)和野生品种(携带抗病基因)杂交而成的杂交种。

“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，使育种者能够更轻松地识别控制感兴趣的性状以提高产量的基因，”该论文的最后作者、甘蔗作者 Angélique D'Hont 说。法国农业国际发展研究中心(CIRAD)研究员。

改良未来的甘蔗品种在农业和生物能源方面都有潜在的应用。改善甘蔗生产糖的方式可以增加农民从农作物中获得的产量，在相同的种植空间中提供更多的糖。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留物称为甘蔗渣，是一种重要的农业残留物，也可以分解并转化为生物燃料和生物产品。

美国联合生物能源研究所首席科学技术官布莱克·西蒙斯 (Blake Simmons) 表示：“我们正在努力了解植物中的特定基因如何与下游生物质的质量相关，然后我们可以将其转化为生物燃料和生物产品。”由伯克利实验室领导的生物能源研究中心。 “通过更好地了解甘蔗遗传学，我们可以更好地了解和控制生产糖和甘蔗渣衍生中间体所需的植物基因型，我们需要在与生物经济相关的规模上实现可持续甘蔗转化技术。”

这项研究涉及与世界各地的机构合作，包括法国(CIRAD、UMR-AGAP、ERCANE);澳大利亚(CSIRO 农业和食品、昆士兰农业和食品创新联盟/ARC 自然和农业植物成功中心 - 昆士兰大学、澳大利亚糖业研究中心);捷克共和国(捷克科学院实验植物研究所);和美国(Corteva Agriscience，联合生物能源研究所)。基因组测序在 JGI 进行，工作由 JGI 合作实验室、亚利桑那基因组研究所和 HudsonAlpha 生物技术研究所完成。