甘蔗是重要的糖料作物，具有重要的經濟價值。甘蔗遺傳背景的複雜性，起源與演化的不清晰以及基因組學研究滯後等造成育種上無法最優化選擇親本材料，嚴重製約了甘蔗產業的發展。為進一步加強甘蔗種質資源的保育、遺傳多樣性評價和產業化應用開發，綜述了甘蔗種質資源的起源、系統分類和進化、國內外保育現狀，以及甘蔗基因組學在解析甘蔗種屬間的親緣關係和演化歷程等方面的研究進展。
食糖是關係國計民生的重要農產品，而甘蔗是食糖最重要的原料作物，蔗糖占中國食糖總產量的90%以上。2018年中央一號文件將糖列為與糧棉油同等重要的國家戰略物資。現代甘蔗栽培種100多年前由高貴種與細莖野生種人工雜交後產生，此後的甘蔗育種主要圍繞3~5個甘蔗原種血緣的不斷重組開展，導致甘蔗品種近親繁殖嚴重，選育的新品種在產量、糖分和抗性等方面一直難有較大突破。因此，甘蔗育種界十分注重甘蔗種質資源的搜集、研究和利用，以期挖掘出優異新種質擴大血緣基礎，豐富遺傳多樣性，創造出突破性的親本材料和優良品種。本文簡要回顧甘蔗種質資源的起源、系統分類及進化、國內外甘蔗種質資源保存現狀等方面的研究成果，以及甘蔗基因組的研究進展，旨在為甘蔗種質資源的保育、遺傳多樣性評價和產業化應用開發提供重要的參考依據。
甘蔗的起源
關於甘蔗的起源中心，一直沒有統一定論，比較有說服力的是起源於紐幾內亞、印度或中國3種說法。Porter認為甘蔗起源於中國，周可涌在《中國蔗糖簡史——兼論甘蔗起源》中也支持這個觀點。此外，很多古籍考究表明，公元前4世紀至公元前1世紀，中國的甘蔗製糖業已有一定規模。支持甘蔗起源於印度的原因是印度東北部可以找到染色體數目最少的割手密（2n=40，n為生物體內正常體細胞的染色體數）。駱君驌在《甘蔗學》中介紹，甘蔗製糖技術發源於印度，印度是甘蔗的原產地，印度由孟加拉經阿薩姆至錫金一帶，遍地皆是野生甘蔗，中國的甘蔗也由印度引進。甘蔗起源於巴布亞紐幾內亞之說，是20世紀20年代末美國權威甘蔗研究專家Brandes等到巴布亞紐幾內亞探險採集到多種類型的熱帶種、大莖野生種和食穗種後的推論。
甘蔗屬及其近緣屬系統分類和進化
01甘蔗亞族分類
在植物分類學上，甘蔗屬於真核閾（Eukarya）被子植物門（Angiospermae）單子葉植物綱（Monocotyledons）禾本目（Poales Small）禾本科（Graminea）蜀黍族（Andropogoneae）甘蔗亞族（Saccharinae）甘蔗屬（Saccharum L.），如圖1所示。
在甘蔗亞族屬種的系統分類問題上，前人已開展較多研究，但不同資料上的分類結果說法不一。在《中國主要植物圖說：禾本科》中將中國的甘蔗亞族植物分為10屬125種；在《中國植物志》中記載甘蔗亞族在中國有17屬89種；在《雲南植物志》中記載甘蔗亞族在雲南約有11屬71種；2006年，國內外學者合作，在《Flora of China》中對中國甘蔗亞族的屬種分類進行了較大的修訂，將該亞族重新劃分為10屬66種；于慧等研究IBSC、K、NAS、PE等標本館館藏標本，並搜集和整理國內外有關文獻，對甘蔗亞族進行整理，將中國甘蔗亞族劃分為16屬89種。
02甘蔗屬複合體及其形態特徵
在甘蔗亞族中，有4個屬與甘蔗屬親緣關係較近，對甘蔗育種有重要價值的近緣屬，即蔗茅屬 （Erianthus Michx. sect. Ripidium Henrard，2n=20~90）、芒屬（Miscanthus Anderss.，2n=38）、河八王屬 （Narenga Bor.，2n=30）、硬穗茅屬[Sclerostachya（Hack）A. Camus，2n=30，34]，它們與甘蔗屬組成了「甘蔗屬複合體」（Saccharum complex）（表1）。
表1 甘蔗屬複合體代表類群及其地理分布
「甘蔗屬複合體」均為多年生高大草本，但形態特徵略有不同。其中：甘蔗屬稈直立、粗壯，叢生，莖充滿白色透明軟質髓，通常不分支，葉片扁平，堅硬，邊緣粗糙，有寬而厚的白色中脈；蔗茅屬稈被髓填滿，無根莖，葉長而扁平，圓錐花序頂生，大型，密生絲狀柔毛；芒屬粗壯、直立，有根狀莖，莖稈充滿白色軟髓，葉片線狀披針形，邊緣粗糙，中脈白色，基部厚；河八王屬直立，具根莖，葉片線狀披針形，頂生葉片常退化，葉舌膜質，鈍圓，圓錐花序，紫色、淡黃色或金黃色；硬穗茅屬是「甘蔗複合群」的中間類型，與其他近緣屬的區別是其莖稈中空，沒有根眼，芽發育不全，與河八王屬親緣最近。
周耀輝根據在美國學習甘蔗種質資源的所見所聞，以總狀花序的花緊密程度、內穎芒有無，小穗柄有無及小穗形狀為特徵，對甘蔗屬及其近緣屬進行區分。如甘蔗屬——總狀花序花軸分散，小穗無芒，莖堅實，花序大，小穗相似；蔗茅屬——總狀花序花軸分散，小穗有芒，上內穎不分裂，下外穎兩龍骨狀，邊緣向內捲入；芒屬——花軸緊密或很少分開，內穎有芒，所有小穗有柄；河八王屬——花軸緊密或很少分開，內穎有芒，小穗一無柄一有柄；硬穗茅屬——小穗卵形，花軸堅韌。
03甘蔗屬成員的系統進化及育種價值
甘蔗屬是目前與人類生產和生活最為密切、利用最為廣泛的一個屬，被普遍接受的分類中，主要有6個種，分別是熱帶種（Saccharum officinarum L.）、割手密種（Saccharum spontaneum L.）、大莖野生種（Saccharum robustum Brand et. Jeswiet）、中國種（Saccharum sinense Roxb）、印度種（Saccharum barberi Jeswiet）及肉質花穗種（Saccharum edule Hassk）。前人經形態學、細胞學及分子標記等鑑定研究，認為割手密種和大莖野生種是野生種，其餘4個種是栽培種，熱帶種由大莖野生種經人工馴化而來，中國種和印度種均是割手密種和熱帶種種間雜種，食穗種則被認為是大莖野生種或熱帶種與甘蔗的一個近緣屬（如芒屬）雜交而來的，也有可能由大莖野生種直接進化而來。
熱帶種又名高貴蔗，其蔗莖粗大、汁多、高糖分、低纖維，節間多呈腰鼓形或圓筒形，但分櫱弱，抗寒能力差，是早期的栽培品種，也是現代甘蔗栽培種高糖基因的主要來源。割手密又稱細莖野生種，別名甜根子草，其變異類型豐富，分櫱多，宿根性強，適應性廣，抗多種病害，是甘蔗抗逆和分櫱基因的主要來源，具有非常高的育種價值。印度種植株矮小，莖細，早熟、糖分較高、分櫱多，但易感花葉病和黑穗病，難開花和花粉發育不良。大莖野生種也稱伊里安野生種，植株高大，其抗風、抗蟲能力特別強。中國種分櫱力強，宿根好，適應性廣，可抗根腐病，花葉病，但易感染赤腐病和赤紋病，大多感黑穗病，側芽易萌發。肉質花穗種，也稱食穗種，其花穗酷似一團緊密的魚卵，可食用，是馬來西亞、印度尼西亞至斐濟等國家和地區鄉村中廣為栽培的傳統蔬菜，整體形態比較接近大莖野生種，糖分含量極低，不能正常開花，尚未見用於雜交方面的報導。
甘蔗種質資源保存現狀
美國農業部甘蔗研究所和印度甘蔗育種研究所是世界甘蔗種質資源的兩大保育中心，其中位於佛羅里達州邁阿密亞熱帶園藝作物研究工作站（Subtropical Horticulture Research Station's，SHRS）的美國國家甘蔗種質資源圃是世界上規模最大、最早對甘蔗種質資源進行收集和保育的機構，2012年保育有來自61個國家或地區的21個甘蔗屬或其近緣屬的2863份資源，而目前的保存數量大概是1100份。印度甘蔗育種研究所的甘蔗資源保存圃位於坎納諾爾（Cannanore）和哥印拜陀 （Coimbatore），目前保存的數量大概有3800多份。巴西作為一個甘蔗種植產糖大國，在巴西甘蔗技術中心（Centro de Tecnologia Canavieira，CTC）也搜集和保育有大量的甘蔗種質資源。
中國是世界第三大產糖國，也保育有豐富的甘蔗種質資源。這些資源主要保育在雲南省農業科學院甘蔗研究所、雲南農業大學、廣西壯族自治區農業科學院甘蔗研究所、廣西南亞熱帶作物研究所、廣西大學、廣東省科學院南繁種業研究所、中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所、福建農林大學等單位，其中雲南省農業科學院甘蔗研究所的國家甘蔗種質資源圃是中國規模最大、保存數量最多，種屬最豐富的國家級甘蔗種質資源保存研究基地，目前全圃保存有中國22個省區及其他34個國家的6個屬16個種的甘蔗資源5200餘份。
儘管國內外甘蔗種質資源保育機構保存有大量的甘蔗資源，但不同屬、種的資源保存數量差異很大，特別是熱帶種、大莖野生種、中國種和印度種等甘蔗原種以及對甘蔗抗黑穗病育種有重要價值的河八王，國內各科研單位保存的數量都非常少。如廣西壯族自治區農業科學院甘蔗研究所目前保育有3800餘份甘蔗資源，但甘蔗原種數量只有20多份，河八王資源50多份；廣東省科學院南繁種業研究所海南甘蔗育種場2017年保育有2407份甘蔗資源，但甘蔗原種數量78份，河八王只有2份。造成國內甘蔗原種保存數量較少的原因，主要是國內缺乏熱帶種、大莖野生種、中國種和印度種等原種資源，其中除熱帶種外，其他幾個原種的雜交利用效率低，不受育種單位重視；而熱帶種的抗寒性、抗病性和宿根性等普遍較差，增加了其保育難度；河八王資源國內保存數量較少的原因，一方面是河八王雜交利用難度大，開發利用的時期較晚，雜交利用的單位不多，早期開展的野外採集活動對其重視度不高，再加上受到當時的交通條件、採集設備的限制，採集到的數量非常少；另一方面，相較於斑茅、割手密和芒等野生資源，河八王的分布範圍較窄，且為零星分布，野外採集過程中並不容易被發現。此外，由於城市化進程的加快及土地經營模式的改變或環境適應性衰退等原因，甘蔗野生種質資源的流失非常嚴重。在筆者單位參加的2015年農業部「第三次全國農作物種質資源普查與收集行動」和2017年廣西科技重大專項「廣西農作物種質資源收集鑑定與保存」最近2次大規模資源採集行動中，採集人員發現在廣西大部分縣（區）都難以尋找到河八王的蹤跡。因此要加強對甘蔗野生種質資源的採集和安全保育，為甘蔗育種提供優良的基因源至關重要。
甘蔗基因組學研究進展
01甘蔗葉綠體基因組研究進展
大多數高等植物的葉綠體（Chloroplast，cp）基因組結構是穩定的，基因數量、排列順序及組成都高度保守，通過分析甘蔗cp基因組的多樣性，將有利於進一步深入了解甘蔗種屬間的遺傳進化關係。2004年，日本和巴西相繼完成了商業栽培品種NCo310和SP80-3280的cp基因組測序工作，這2個栽培種的cp基因組大小均為141182bp。其他甘蔗栽培種Q155和RB867515也分別於2015年和2016年完成了cp基因組測序。2015年，湖南農業大學芒屬植物研究團隊採用全基因組鳥槍法利用Illumina Hiseq2000測序系統對芒C0430和荻A0117進行cp全基因組測序分析，2個材料的cp基因組大小分別為141369、141133bp，並通過開發的芒屬葉綠體InDel標記對采自全國各地的43個芒屬材料和2個甘蔗進行擴增，聚類分析結果表明，荻和南荻遺傳距離近，芒和五節芒親緣關係較近。Shin-Ichi等測定了斑茅JW630和芒Niigata410 cp基因組，大小分別為141210bp和141416bp。使用76個葉綠體蛋白編碼基因的數據集對包括斑茅和芒在內的40個分類群進行系統發育，發現熱帶種與芒的關係比與斑茅的關係更密切，推測斑茅在高粱及熱帶種和芒的共同祖先分化之前先從高粱亞族分化。福建農林大學對熱帶種Badila和割手密雲南83-184的cp基因組進行了測序研究，結果表明，Badila的cp基因組為141187bp，比雲南83-184多7個鹼基；光合能力和抗寒性比較分析，發現割手密的光合能力和耐寒性比熱帶種強得多。南通大學對5個芒的cp基因組進行比較分析，通過將M. lutarioriparius的完整cp基因組與5個已發表的草本植物cp基因組進行比較，發現了幾個具有高多態性的熱點區域；並根據差異位點分析，發現芒與高粱和甘蔗雜交種的相似性高於大麥和水稻。廣西大學應用全基因組測序技術對「甘蔗屬複合體」8個種共19個漸滲系進行了cp基因組測序和組裝，質體系統發育信號表明，熱帶種和大莖野生種具有共同的祖先，並且中國種和印度種的細胞質起源比熱帶種/大莖野生種的更古老。
02甘蔗線粒體基因組研究進展
由於cp基因的高度保守，其提供的系統發育信息難以區分親緣關係密切相關的甘蔗品種。相比之下，植物的線粒體基因組更大，更具可塑性，並且可能包含更多的系統發育信號。近年來，SP80-3280、Khon Kaen 3、LCP85-384、R570、RB72343、SP70-1143、FN15和15a-53等甘蔗商業栽培種或雜交品系的線粒體基因組陸續報導，這些研究結果表明，甘蔗線粒體由2個獨立的環狀染色體組成，部分測定材料的染色體發生了重組；利用線粒體基因組進行系統基因組學分析，可以區分親緣關係密切相關的甘蔗品種。相關研究還證實來自紐幾內亞的熱帶種是現在甘蔗商業雜交種的母本來源。Evans等在線粒體中發現1個細胞質雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS）基因，並在核基因組中發現3個主要育性恢復基因的代表，首次證明甘蔗擁有細胞質雄性不育需要的必要組件。
03甘蔗核基因組研究進展
甘蔗核基因組的龐大、多倍體、整倍體或非整倍體等高度複雜性，給全基因組測序和分析工作帶來極大挑戰。研究人員曾利用細菌人工染色體 （BAC）測序，構建甘蔗品種R570、割手密SES208和熱帶種LA-purple基因組，但成本高，進展十分緩慢。2012年，Zhang等通過流式細胞儀對83個不同甘蔗種的核DNA含量進行測定，估計熱帶種基因組大小為7.50~8.55Gb，平均7.88Gb；大莖野生種基因組為7.56~11.78Gb，割手密的基因組為3.36~12.64Gb。
2018年，福建農林大學基因組中心明瑞光團隊首次破譯甘蔗屬割手密AP85-441基因組，同時還解析甘蔗屬割手密種的基因組進化、抗逆性、高糖以及自然群體演化的遺傳學基礎，研究發現，割手密染色體由高梁演變進化過程中經歷了染色體斷裂於融合後，發生了2次全基因組複製事件 （WGD）。2022年，福建農林大學張積森團隊在割手密起源和基因組演化上又取得新進展，通過系統比較割手密與近緣物種（熱帶種、高粱、芒草）基因組共線性，明確了染色體基數為n=10的割手密是割手密種的祖先形態，割手密染色體基數由n=10到n=8的演化是由於祖先的5號和8號染色體在著絲粒區域發生了斷裂，斷裂的著絲粒在重組後的染色體上逐漸退化。對甘蔗屬內的演化規律進行解析，發現割手密Np-X（n=10）與種內的割手密AP85-441（n=8）分化的時間約為80萬a，與甘蔗屬內的熱帶種的分化時間約為160萬a，而甘蔗屬與芒草屬的分化時間約為400萬a，與高粱屬的分化時間約為640萬a。來自世界各地不同倍性和染色體基數的102份割手密系統進化樹和群體結構分析表明，印度的北部可能是甘蔗割手密種的起源中心。
近年來在甘蔗核基因組研究中取得第2個重大成果的是山東農業大學農學院陳翠霞課題組，其團隊於2021年破譯了五節芒基因組，並解析芒屬植物基因組進化歷史。研究結果表明，五節芒8號染色體是高粱祖先種4號和7號染色體融合而來，芒草祖先種、甘蔗祖先種與高粱祖先種在距今約550萬a至610萬a前發生分化；在距今約430萬a至460萬a前，芒草與甘蔗屬祖先基因又發生分化，通過基因組加倍、染色體重排等分別演變成現在的芒屬植物和甘蔗野生種。
結 論
種子是農業的晶片，甘蔗種業是糖料蔗生產的根基，也是中國食糖安全和糖業可持續性發展的重要保障。全世界甘蔗基因類型種類繁多，具有豐富的遺傳多樣性。儘管中國甘蔗資源的保育數量已處於世界領先水平，但甘蔗資源的收集、保育和引進工作仍需要重視，特別是一些具有重要育種價值的甘蔗野生資源，要加強遷移或原生境保護工作；同時加大與國外甘蔗育種單位構建良好的合作關係，實現甘蔗資源共享，充實中國資源數量。
近年來，甘蔗基因組破譯工作取得突破性進展，甘蔗的遺傳和進化機制逐漸明晰，甘蔗重要生物學性狀相關的基因家族的演化與功能的解析也將不斷深入。隨著甘蔗遺傳進化理論的深入和不斷完善，研究技術的更新和發展，在全基因組水平上對甘蔗及其近緣種屬遺傳背景、親緣關係和系統演化進行研究，將為未來甘蔗新種質的挖掘、分子育種提供支撐，從而進一步推動甘蔗遺傳改良進程，促進甘蔗生產的快速發展。
本文作者：黃玉新、張保青、周珊、高軼靜、楊翠芳、張革民、陸衫羽、段維興
作者簡介：黃玉新，廣西壯族自治區農業科學院甘蔗研究所，廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室，農業農村部廣西甘蔗生物技術與遺傳改良重點實驗室，助理研究員，研究方向為甘蔗種質資源創新利用；段維興（通信作者），廣西壯族自治區農業科學院甘蔗研究所，廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室，農業農村部廣西甘蔗生物技術與遺傳改良重點實驗室，副研究員，研究方向為甘蔗種質資源創新利用。
原文發表於《科技導報》2023年第4期，歡迎訂閱查看。