炎炎夏日，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。
日常生活中这些简单的“小确幸”，都与甘蔗这种作物联系在一起。但你知道吗？甘蔗的甘甜并非与生俱来，它经历了科学家们对甘蔗种质的一次次改良。
今天，就让我们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？很多人以为它就是甘蔗的品种，但其实两者有所区别。
经过品种审定的甘蔗才能称为甘蔗品种，也就是我们能看到的甘蔗种类。在品种审定之前，各种有潜力的中间材料都可以被称为种质，另外经过基因改造的甘蔗也可以被称为种质。
因此，我们可以认为，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，并制定了一系列标准，包括含糖量、产量、抗病性、抗虫性、耐寒性、耐旱性、宿根性和生长速度等。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。通过这些测试，科学家们能挑选出那些最具潜力的“优异种质”，让它们在未来的种植中发挥更大作用。
甘蔗拥有庞大的基因组，杂交育种往往耗时耗力
为了让甘蔗更甜、更高产，科学家们做出了许多努力。
最常见的方法是杂交育种，这有点像给甘蔗“找对象”，除了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]之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，有众多的野生种质资源，在野外自然选择的压力下，它们往往会更多地保留抗病、抗逆等优良性状基因。就像父母的优良基因传给孩子一样，科学家希望通过这种方法，培育出高糖高产稳产的甘蔗。
比如，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，科学家们希望兼顾这些优点。
然而，由于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，染色体数量是体细胞的一半,各有23条染色体，被称为单倍体。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“父亲”，一组染色体来自“母亲”。
而甘蔗则复杂多了，在甘蔗的进化过程中，全基因组经历了多次“多倍化事件”（即染色体数量加倍）【8】。再加上与“亲戚”混乱的杂交，导致甘蔗的基因组呈现多倍性，有上百条染色体，而且每个品种的“父母”来源不一样，导致基因组也不一样。即使“父母”一样，产生的基因组合也有很大区别，真是“龙生九子，各有不同”。因此，杂交选育过程并不总是顺利，有时候培育出的新甘蔗种质反而不如预期。这种“碰运气”的过程耗时费力，需要花费科学家们数年甚至几十年的观察与筛选。
甘蔗改良的新思路：探索高倍体基因编辑技术
为了解决这些问题，近年来，科学家们开始探索基因编辑技术。与杂交育种的“碰运气”不同，基因编辑就像“精准修剪”。
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）进行比较和分析，以及在甘蔗的“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分析，找到影响甘蔗甜度、抗病性等性状的基因。
比如，在感病的品种中存在A基因能被病原菌利用，导致产生病害，而在抗病的品种中，A基因失去了功能而不能被病原菌利用，从而不产生病害，我们就可以在感病的品种中利用基因编辑技术将A基因“剪掉”，使A基因和抗病品种一样不能被病原菌利用。这样进行针对性地改造后，就可以快速地聚合高糖高抗等优异性状了。
但基因编辑也有它的难点，其技术复杂，特别是对于甘蔗这样的高倍体作物。前文也提到甘蔗经历了多次“多倍化事件”，导致同源基因多，即同样的基因可能在基因组中有多个拷贝。如果需要基因编辑，则要同时将这些同源基因全部都进行改造。因此，需要高效的基因编辑方法。打个比方，如果基因编辑的效率是50%，同时编辑2个同源基因的成功率是25%，那么同时编辑10个同源基因的成功率就只有0.098%了；如果基因编辑的效率提升至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，提升基因编辑的效率是科学家们努力奋斗的目标【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，让我们吃到越来越甜、产量越来越高的甘蔗。比如，在果蔗领域，科学家们不断选育口感更好、甜度更高更多汁的新品种，让人们在啃甘蔗时获得更好的体验。而在糖蔗领域，科学家则着眼于提高含糖量、产量、抗病性等，让制糖效率更高，保证产量和质量。
结语
科学，从未远离我们的生活。看似普通的甘蔗，其实凝结了许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，也有对未来农业的美好期待。
下次，当你品尝一口红糖水时，或许会想到这些默默工作的科研人员，他们的努力让我们日常生活中的每一口甜都更加美好。
参考文献：
- Mintz, S. W. (1985). Sweetness and Power: The Place of Sugar in Modern History. Penguin Books.
- Eggleston, G., & Legendre, B. L. (2003). Quality management of sugarcane juice to raw sugar: Louisiana factory operations. International Sugar Journal, 105(1256), 8-18.
- Rein, P. (2007). Cane Sugar Engineering. Bartens.
- 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.
- 唐亮东. (2024). 广西甘蔗制糖工业的绿色低碳发展：现状、挑战与策略. 甘蔗糖业，53(3)：74-79.
- 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.
- International Human Genome Sequencing Consortium. (2004). Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature, volume 431, 931–945.
- 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
出品：科普中国
作者：尹昕（中国科学院微生物研究所）
监制：中国科普博览