甘蔗（Saccharum spp. hybrid）是一种全球重要的多年生作物，位列世界第五大作物，种植遍及约124个热带和亚热带国家。甘蔗在全球农业工业中发挥着重要作用，贡献了世界80%的糖产量和40%的生物燃料。栽培甘蔗具有单一、实心、粗壮的茎秆，高度可达5米。成熟茎秆中蔗糖积累浓度达400～700 mM，约占其干重的30%。糖分提取后的纤维残渣（蔗渣）是用于生物乙醇、动物饲料和高价值化学品的极具开发价值的副产品，甘蔗的乙醇产出投入比是玉米的五倍。然而，这一支撑全球食糖与生物能源产业支柱的“甜蜜作物”，其品种改良之路却长期步履蹒跚。

近日，福建农林大学基因组学研究中心陈立余教授团队在权威期刊Plant Cell & Environment发表综述论文“Decoding the mystery of sugarcane genome-based breeding: current advancements, strategies, and future challenges”，系统梳理了甘蔗育种从“经验驱动”到“基因组精准设计”的跨越式发展，揭示了破解这一全球最复杂作物基因组的艰难历程与突破性进展。

难以逾越的基因组“三座大山”

甘蔗育种的难度在全球作物中极为罕见。现代栽培甘蔗是高度复杂的多倍体-非整倍体杂交种，其基因组堪称植物界的“基因迷宫”。首先，现代栽培种遗传基础极为狭窄，长期依赖少数亲本导致抗逆性退化；其次，优良商业品种育性普遍低下，杂交结实率低，严重限制性状重组；最关键的是，其基因组兼具多倍性与非整倍性——不同等位基因拷贝数不一，使得遗传分析极为困难，优良性状与不良性状往往紧密连锁难以打破，传统育种如同“大海捞针”。

基因组“破壁”：十年攻坚终见曙光

过去十年间，甘蔗基因组学取得了革命性突破。高质量参考基因组从无到有，关键杂交种（R570、ZZ1、XTT22）及野生祖先种（如割手密）的染色体级别组装相继完成，首次清晰呈现了异源多倍体-非整倍体的整体结构。在此基础上，专门针对多倍体的算法工具应运而生——HiCanu、Hifiasm等长读长组装工具实现高质量重叠群生成，而等位基因感知支架软件ALLHiC则成功实现了染色体级别的定相组装，解决了同源染色体区分难题。更具里程碑意义的是，基于图的泛基因组构建完成，将九个代表性基因组整合为统一参考框架，首次在群体水平系统捕获了甘蔗基因组的结构变异全景。这些工作使甘蔗基因组从难以解读变为可供精准挖掘的数字资源。

在基因组资源日趋完善的基础上，分析方法也同步升级。针对多倍体遗传解析的特殊需求，发展了剂量感知的全基因组关联分析方法（DosageGWAS）和基于图泛基因组节点的GWAS分析框架（NodeGWAS）。两者在复杂多倍体甘蔗中均表现出优异性能，可检测到传统方法遗漏的功能位点，为复杂基因组物种的性状遗传解析提供了全新的工具。

甘蔗育种史的三次关键性跨越：从高贵化到AI预测

甘蔗育种史可概括为三次方法论跃升。第一代是从野生种筛选优良性状的品种进行种植，但效率极低。第二代杂交育种，始于上世纪通过“高贵化育种”——将野生种抗逆性与栽培种高糖性状结合，积累了全球最丰富的种质资源，但周期长达10-15年，劳动力成本极高。第三代是以分子标记、转基因、基因编辑和基因组选择为代表的技术，通过精准修饰关键调控基因，实现了对目标性状的定向改良，从而成为新品种培育的核心驱动力。第四代则是大数据与人工智能驱动育种，SugarcaneOmics平台已实现多组学数据整合，iGEP框架更将AI预测引入育种全链条——通过深度学习挖掘大规模基因组、表型与环境数据中的隐藏模式，实现优良品种的智能设计，育种周期有望压缩。

图1：甘蔗育种历史概览图。

该示意图概述了甘蔗育种四个主要阶段中关键技术革新与育种理念的演进历程。

精准编辑激活甘蔗潜力：基因工程技术重塑甘蔗的多重价值

在基因操作层面，CRISPR-Cas编辑系统已在甘蔗中成功建立，同时通过优化组织培养体系和引入形态发生基因，遗传转化的基因型依赖性正被逐步攻克。目前，针对蔗糖积累、木质素合成、抗病抗逆等性状的转基因株系已进入实验评价阶段。例如，巴西成为全球首个商业化种植转基因甘蔗的国家，该品种转入了抗虫基因（Cry1Ab和CryAc），为转基因甘蔗的产业化应用开创了先例。尤为关键的是，CRISPR编辑可实现不携带外源DNA的“无转基因”改良，在技术层面规避了部分转基因争议。然而，全球监管态度显著分化：中国、美国和巴西等主要生产国已对基因编辑作物采取积极宽松政策，而欧盟等地区仍将其归入转基因生物严格管理，这一监管鸿沟正直接影响新技术品种的市场准入与国际推广。好消息是，最近欧盟对微小基因编辑作物的政策有所松动。

甘蔗的价值不限于糖，其纤维残渣（蔗渣）纤维素含量高达45%，是第二代生物乙醇的理想原料之一，能源转化潜力占生物质总量的约30%，且乙醇产出投入比是玉米的五倍。然而，木质素的刚性结构极大限制了酶解效率。通过编辑COMT、SoLIM等木质素合成关键基因培育低木质素品种，已成为降低生产成本的核心策略，有望释放甘蔗作为能源作物的巨大潜力。

图2：转基因改良靶向的甘蔗主要农艺性状示意图。

该示意图旁附有各性状对应的候选基因或已报道基因列表，涵盖已通过转基因方法进行改造或正处于研究阶段的靶标。

未来方向：气候智能型甘蔗品种

面对全球气候变化与极端天气频发，甘蔗宿根栽培模式使其格外脆弱。未来育种将三个方向并行推进：利用野生近缘种（如割手密、芒属）的优良抗性基因拓宽遗传基础；通过基因工程直接导入已知抗逆基因；借助AI驱动的iGEP框架实现气候适应性智能设计。尽管多倍体基因组数据分析、多组学整合算法仍是当前瓶颈，但可以预见，基因组学、基因编辑与人工智能的深度融合，正在将甘蔗从“靠天吃饭”的传统作物转变为可精准设计的“智能工厂”，为全球食糖安全与生物能源转型提供坚实保障。

图3：基于基因组选择模型、高通量表型分析和多组学分析，同时融合新开发的AI集成平台iGEP，构建了一种先进的甘蔗育种策略。

福建农林大学基因组学研究中心青年教师杜倩博士为论文第一作者，陈立余教授为论文的通讯作者。该项工作得到国家重点研发计划（项目编号：2024YFF1000800和2024YFF1000803）的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.70679?af=R