出品：科普中國

作者：尹昕（中國科學院微生物研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

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

炎炎夏日，一杯冰鎮(zhèn)甘蔗汁帶來清涼與甜蜜。

寒風凜冽，一碗紅糖水送去溫暖與滋養(yǎng)。

日常生活中這些簡單的“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，它經(jīng)歷了科學家們對甘蔗種質的一次次改良。

今天，就讓我們講講科學家們與甘蔗的故事。

甘蔗的種質是什么？與品種是兩回事

甘蔗的種質是什么？很多人以為它就是甘蔗的品種，但其實兩者有所區(qū)別。

經(jīng)過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，另外經(jīng)過基因改造的甘蔗也可以被稱為種質。

因此，我們可以認為，種質是甘蔗的遺傳基礎，是決定甘蔗品質的根源。

為了選出優(yōu)質的甘蔗，科學家們會對它進行多個指標的測試，并制定了一系列標準，包括含糖量、產(chǎn)量、抗病性、抗蟲性、耐寒性、耐旱性、宿根性和生長速度等。如《糖料甘蔗》國家標準（GB/T 10498-2010），列出最低蔗糖分指標為12%等標準。通過這些測試，科學家們能挑選出那些最具潛力的“優(yōu)異種質”，讓它們在未來的種植中發(fā)揮更大作用。

甘蔗擁有龐大的基因組，雜交育種往往耗時耗力

為了讓甘蔗更甜、更高產(chǎn)，科學家們做出了許多努力。

最常見的方法是雜交育種，這有點像給甘蔗“找對象”，除了讓甘蔗不同品種之間進行雜交，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【6】。

在甘蔗的“近緣親戚”和“遠緣親戚”中，有眾多的野生種質資源，在野外自然選擇的壓力下，它們往往會更多地保留抗病、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，科學家希望通過這種方法，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。通過雜交育種，科學家們希望兼顧這些優(yōu)點。

然而，由于甘蔗的基因組龐大且復雜，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胞，染色體數(shù)量是體細胞的一半,各有23條染色體，被稱為單倍體。精子卵子結合形成受精卵，則恢復成為二倍體。因此，二倍體是指生物體的細胞中含有兩個染色體組的生物，一組染色體來自“父親”，一組染色體來自“母親”。

而甘蔗則復雜多了，在甘蔗的進化過程中，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，導致甘蔗的基因組呈現(xiàn)多倍性，有上百條染色體，而且每個品種的“父母”來源不一樣，導致基因組也不一樣。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，雜交選育過程并不總是順利，有時候培育出的新甘蔗種質反而不如預期。這種“碰運氣”的過程耗時費力，需要花費科學家們數(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

為了解決這些問題，近年來，科學家們開始探索基因編輯技術。與雜交育種的“碰運氣”不同，基因編輯就像“精準修剪”。

基因編輯

（圖片來源：veer圖庫）

科學家們可以通過對不同品種甘蔗基因組、轉錄組（基因表達水平的變化）和蛋白組（蛋白質有無和多少）進行比較和分析，以及在甘蔗的“遠親”如高粱、玉米和水稻等研究比較深入的作物中進行同源分析，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。這樣進行針對性地改造后，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，其技術復雜，特別是對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”，導致同源基因多，即同樣的基因可能在基因組中有多個拷貝。如果需要基因編輯，則要同時將這些同源基因全部都進行改造。因此，需要高效的基因編輯方法。打個比方，如果基因編輯的效率是50%，同時編輯2個同源基因的成功率是25%，那么同時編輯10個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%，同時編輯2個同源基因的成功率理論上能達到64%，而同時編輯10個同源基因的成功率理論上能達到10.7%。因此，提升基因編輯的效率是科學家們努力奮斗的目標【4】。

不論是雜交育種還是基因編輯育種，科學家都在不斷努力，讓我們吃到越來越甜、產(chǎn)量越來越高的甘蔗。比如，在果蔗領域，科學家們不斷選育口感更好、甜度更高更多汁的新品種，讓人們在啃甘蔗時獲得更好的體驗。而在糖蔗領域，科學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)量和質量。

結語

科學，從未遠離我們的生活?？此破胀ǖ母收?，其實凝結了許多科學家的心血與智慧。每一口甜美的背后，都有著無數(shù)次的探索和實驗、失敗與成功，也有對未來農(nóng)業(yè)的美好期待。

下次，當你品嘗一口紅糖水時，或許會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：文中拉丁文部分應為斜體）

參考文獻：

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). 甘蔗基因組研究進展. 生物技術， 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