为了叫你吃到更多更甜的甘蔗，科学家做了什么努力_科技百科

为了叫你吃到更多更甜的甘蔗，科学家做了什么努力

时间：2024-11-18 10:24来源：www.fwwfv.com作者：未知点击：

导读：

出品：科普中国

监制：中国科普博览

编者按：为解码生命科学最新奥秘，科普中国前沿科技项目推出“生命新知”系列文章，从独特的视角，解析生命现象，揭示生物奥秘。让大家深入生命世界，探索无限可能。

炎热夏天，一杯冰镇甘蔗汁带来清凉与甜蜜。

寒风凛冽，一碗红糖水送去温暖与滋养。

日常这类简单的“小确幸”，都与甘蔗这种作物联系在一块。但你知不知道？甘蔗的甘甜并不是与生俱来，它历程了科学家们对甘蔗种质的一次次改良。

今天，就让大家讲讲科学家们与甘蔗的故事。

甘蔗的种质是什么？与品种是两回事

甘蔗的种质是什么？不少人以为它就是甘蔗的品种，但其实两者有所不同。

经过品种审定的甘蔗才能称为甘蔗品种，也就是大家能看到的甘蔗类型。在品种审定之前，各种有潜力的中间材料都可以被叫做种质，另外经过基因改造的甘蔗也可以被叫做种质。

因此，大家可以觉得，种质是甘蔗的遗传基础，是决定甘蔗品质的根源。

为了选出优质的甘蔗，科学家们会对它进行多个指标的测试，并拟定了一系列标准，包含含糖量、产量、抗病性、抗虫性、抗寒性、抗旱性、宿根性和成长速度等。如《糖料甘蔗》国家标准（GB/T 10498-2010），列出最低蔗糖分指标为12%等标准。通过这类测试，科学家们能挑选出那些最具潜力的“优秀种质”，让它们在将来的种植中发挥更大用途。

甘蔗拥有庞大的基因组，杂交育种总是耗时耗力

为了让甘蔗更甜、更高产，科学家们做出了很多努力。

最容易见到的办法是杂交育种，这有点像给甘蔗“找对象”，除去让甘蔗不同品种之间进行杂交，甘蔗和“近缘亲戚”（一般是甘蔗亚族[Saccharinae]甘蔗属[Saccharum]的其他物种），甚至和“远缘亲戚”（一般是甘蔗亚族[Saccharinae]甘蔗属[Saccharum]以外的其他可以和甘蔗杂交的物种,如蔗茅属、河八王属、硬穗属、芒属等）之间都能相互交配，继承它们的优点【6】。

在甘蔗的“近缘亲戚”和“远缘亲戚”中，有海量的野生种质资源，在野外自然选择的重压下，它们总是会更多地保留抗病、抗逆等优良性状基因。就像爸爸妈妈的优良基因传给孩子一样，科学家期望通过这种办法，培育出高糖高产稳产的甘蔗。

譬如，某些甘蔗品种可能抗病性好，但糖分较低；而另一些品种则糖分高但容易生病。通过杂交育种，科学家们期望兼顾这类优点。

然而，因为甘蔗的基因组庞大且复杂，其基因组大小约为10 Gb【6】，而人的基因组大小约为3Gb【7】。人是2倍体生物，由受精卵发育而成，有46条染色体。精子和卵子作为人的生殖细胞，染色体数目是体细胞的一半,各有23条染色体，被叫做单倍体。精子卵子结合形成受精卵，则恢复成为二倍体。因此，二倍体是指生物体的细胞中含有两个染色体组的生物，一组染色体来自“爸爸”，一组染色体来自“妈妈”。

而甘蔗则复杂多了，在甘蔗的进化过程中，全基因组历程了多次“多倍化事件”（即染色体数目加倍）【8】。再加上与“亲戚”混乱的杂交，致使甘蔗的基因组呈现多倍性，有上百条染色体，而且每一个品种的“爸爸妈妈”来源不同，致使基因组也不同。即便“爸爸妈妈”一样，产生的基因组合也有非常大不同，真是“龙生九子，各有不同”。因此，杂交选育过程并不一直顺利，有时培育出的新甘蔗种质反而不如预期。这种“试试看”的过程耗时费力，需要花费科学家们数年甚至几十年的察看与筛选。

甘蔗改良的新思路：探索高倍体基因编辑技术

为知道决这类问题，近年来，科学家们开始探索基因编辑技术。与杂交育种的“试试看”不同，基因编辑就像“精确修剪”。

为了叫你吃到更多更甜的甘蔗，科学家做了什么努力

基因编辑

（图片来源：veer图库）

科学家们可以通过对不同品种甘蔗基因组、转录组（基因表达水平的变化）和蛋白组（蛋白质有无和多少）进行比较和剖析，与在甘蔗的“远亲”如高粱、玉米和水稻等研究比较深入的作物中进行同源剖析，找到影响甘蔗甜度、抗病性等性状的基因。

譬如，在感病的品种中存在A基因能被病原菌借助，致使产生病害，而在抗病的品种中，A基因失去了功能而不可以被病原菌借助，从而不产生病害，大家就能在感病的品种中借助基因编辑技术将A基因“剪掉”，使A基因和抗病品种一样不可以被病原菌借助。如此进行针对性地改造后，就能迅速地聚合高糖高抗等优秀性状了。

但基因编辑也有它的难题，其技术复杂，尤其是对于甘蔗如此的高倍体作物。前文也提到甘蔗历程了多次“多倍化事件”，致使同源基因多，即同样的基因可能在基因组中有多个拷贝。假如需要基因编辑，则要同时将这类同源基因全部都进行改造。因此，需要高效的基因编辑办法。打个比方，假如基因编辑的效率是50%，同时编辑2个同源基因的成功率是25%，那样同时编辑10个同源基因的成功率就只有0.098%了；假如基因编辑的效率提高至80%，同时编辑2个同源基因的成功率理论上能达到64%，而同时编辑10个同源基因的成功率理论上能达到10.7%。因此，提高基因编辑的效率是科学家们努力奋斗的目的【4】。

不论是杂交育种还是基因编辑育种，科学家都在不断努力，让大家吃到愈加甜、产量愈加高的甘蔗。譬如，在果蔗范围，科学家们不断选育口味更好、甜度更高更多汁的新产品种，叫人们在啃甘蔗时获得更好的体验。而在糖蔗范围，科学家则着眼于提升含糖量、产量、抗病性等，让制糖效率更高，保证产量和水平。

结语

科学，从未离得远远的大家的生活。看上去普通的甘蔗，其实凝结了很多科学家的心血与智慧。每一口甜美的背后，都有着无数次的探索和实验、失败与成功，也有对将来农业的美好期待。

下次，当你品尝一口红糖水时，可能会想到这类默默工作的科研职员，他们的努力让大家日常的每一口甜都愈加美好。

（注：文中拉丁文部分应为斜体）

参考文献：

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.唐亮东. (2024). 广西甘蔗制糖工业的绿色低碳进步：近况、挑战与方案. 甘蔗糖业，53(3)：74-79.

6.董广蕊，石佳仙，侯蔼玲，张积森. (2018). 甘蔗基因组研究进展. 生物技术， 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

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