研究背景：

甘蔗是全球食糖与生物燃料产业的重要作物，本文系统评述了甘蔗基因组育种的核心挑战（基因组复杂性、多倍体特性及传统育种局限），重点总结了高质量参考基因组组装、多倍体特异算法及图泛基因组构建等突破性进展。文章从传统育种、基因组资源驱动的精准育种策略，以及大数据与人工智能融合驱动的智能设计育种三个层面，综述了基因组学支撑下的育种模式变革，并展望了智能化创新技术对品种改良策略的重塑潜力。

文章速读：

福建农林大学陈立余教授团队近日在权威期刊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。

正文导读：

一、背景介绍：甜蜜作物的产业重担与育种困局

甘蔗（Saccharum spp. hybrid）是全球第五大作物，种植遍及100多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80%食糖产量及40%生物燃料。栽培种甘蔗高度可达5米，成熟茎秆蔗糖浓度高达400～700 mM，占干重30%；蔗渣纤维素含量达45%，乙醇产出投入比为玉米五倍。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。

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，传统育种困难重重。

二、基因组解析：十年破壁，从“基因迷宫”到数字资源

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甘蔗图形泛基因组构建完成，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）和图形泛基因组节点的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。

三、从经验到精准：甘蔗育种的技术跃迁与智能设计

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，第二代始于上世纪的高贵化育种，通过野生种与高贵种杂交结合抗逆性与高糖性状，积累了全球丰富的种质资源库，但周期长达10~15年且成本高。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。随着甘蔗组织培养体系与CRISPR-Cas编辑系统的持续优化，针对蔗糖积累、木质素合成及抗病抗逆等性状的转基因株系已相继进入实验评价阶段。巴西是全球首个商业化种植转基因甘蔗的国家，为转基因甘蔗的产业化应用开创了先例。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。

面对全球气候变化与极端天气频发，甘蔗未来育种可沿三条路径推进：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

图2 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。

论文信息：

论文：Decoding the Mystery of Sugarcane Genome-based Breeding: Current Advancements, Strategies, and Future Challenges

作者：Qian Du, Liang Nie, Ya-Nan Kou, Shu-pei Hou, Li-Yu Chen*

期刊：Plant Cell & Environment

DOI:10.1111/pce.70679

扫码阅读全文

期刊简介：

Plant Cell & Environment (PCE) 是植物科学领域的国际期刊，专注发表植物对环境响应机制的高质量原创理论与实验研究成果。期刊涵盖生物学、生理学与生态学等多学科视角，欢迎从分子到群落各个尺度的研究，为深入理解植物–环境互作提供前沿平台，是植物环境生物学领域的重要学术交流阵地。

2025 JIF：6.9 ｜ CiteScore：10.2

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/13653040

扫码进入期刊主页