幾個世紀(jì)以來，甘蔗為人類社會提供了酒精，生物燃料，建筑和編織材料，以及世界上最依賴的糖源。現(xiàn)在，研究人員從甘蔗中提取了一個甜蜜的科學(xué)獎：它龐大而復(fù)雜的基因組序列，這可能會導(dǎo)致更強壯和更高產(chǎn)的品種的發(fā)展。

制作全面的序列需要來自16個機構(gòu)的100多名科學(xué)家的共同努力; 這項工作花了五年時間，最終出版了Nature Genetics的出版物。但是，解決這個項目的動機早就出現(xiàn)了。

“就個人而言，我等了20年才對這個基因組進行測序，”伊利諾伊大學(xué)植物生物學(xué)教授雷明說，他煽動并領(lǐng)導(dǎo)了測序工作。“當(dāng)我在20世紀(jì)90年代后期研究甘蔗基因組圖譜時，我夢想有一個甘蔗的參考基因組。” Ming是Carl R. Woese基因組生物學(xué)研究所的成員，該研究所是一群研究甘蔗和相關(guān)作物以促進食品和生物燃料生產(chǎn)的研究人員之一。

在全基因組序列是值得等待的，并由于其潛在的努力，以幫助改善甘蔗的努力。大多數(shù)農(nóng)民種植的甘蔗是兩種物種的混合物：甘蔗(Saccharum officinarum)，其生長具有高糖含量的大型植物;以及甘蔗自發(fā)體，其較小的尺寸和甜度被增加的抗病性和對環(huán)境脅迫的耐受性抵消。由于缺乏完整的基因組序列，植物育種者通過幾代雜交和選擇產(chǎn)生了高產(chǎn)，強壯的菌株，但這是一個依賴時間和運氣的艱難過程。

“甘蔗是第五大最有價值的作物，缺乏參考基因組阻礙了甘蔗改良的基因組研究和分子育種，”Ming說。“......測序技術(shù)還沒有準(zhǔn)備好處理大型同源多倍體基因組，直到2015年第三代測序技術(shù)的吞吐量，讀取長度和成本[例如生物技術(shù)公司Pacific Biosciences開發(fā)的]變得足夠具有競爭力。”

為什么對甘蔗基因組進行測序如此困難?植物中常見的自然現(xiàn)象造成了重大的技術(shù)障礙。在甘蔗的進化歷史中的某個時期，它的基因組被重復(fù)了兩次，導(dǎo)致每對染色體的四個略有不同的版本都擠在同一個核心中。

這些事件不僅使基因組的大小增加了四倍(因此DNA序列的體積也很大)，它們也使得基因組范圍內(nèi)的重復(fù)序列高度相似，更難以組裝成不同的染色體?；蚪MDNA通常以小的重疊片段進行測序或讀取，來自這些片段的序列數(shù)據(jù)變成巨大的線性拼圖的重疊片段。隨著甘蔗基因組大小翻倍，再次翻倍，這個難題不僅變得更大; 它采用了重復(fù)但不完全相同的元素，許多小塊很難正確地適應(yīng)這些元素。

為了克服這一挑戰(zhàn)，測序團隊使用了一種稱為高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲或Hi-C的技術(shù)。這種方法使研究人員能夠發(fā)現(xiàn)染色體DNA長而纏結(jié)的部分哪些部分在細胞內(nèi)相互接觸。當(dāng)使用由團隊開發(fā)的稱為ALLHIC的定制算法進行分析時，得到的數(shù)據(jù)用于拼圖拼圖盒蓋上的圖片的目的，提供粗略地圖，其中序列的哪些部分最可能屬于哪個染色體。

“最大的驚喜是，通過結(jié)合長序列讀數(shù)和Hi-C物理圖譜，我們將同源四倍體[四倍]基因組組裝成32條染色體，并實現(xiàn)了同源染色體中等位基因特異性注釋的目標(biāo)，”Ming說。換句話說，研究人員現(xiàn)在知道哪些基因序列屬于原始的重復(fù)前基因組中的四種變異中的每一種 - 比他們預(yù)期的更高水平的細節(jié)。

有了這些信息，研究人員可以形成關(guān)于甘蔗基因組進化史的奧秘的更好假設(shè)。

通過與相關(guān)物種的基因組進行比較，研究人員知道，在某些時候，獨特染色體的數(shù)量已經(jīng)從10個減少到8個。令團隊驚訝的是，新的序列數(shù)據(jù)顯示兩條不同的染色體已經(jīng)分開，然后所有四個半部分都融合到不同的現(xiàn)有染色體上，這是一組比它們假設(shè)的更復(fù)雜的事件。

理解這些物理變化有何幫助?隨著基因組內(nèi)的這些大的物理重排，受影響區(qū)域中的基因發(fā)生變化。例如，Ming和他的同事們發(fā)現(xiàn)，移植到新位置的大塊染色體含有更多的基因，這些基因可以幫助植物抵抗疾病，而不是其他地方。

“它解決了一個謎，為什么S. spontaneum是如此優(yōu)越的抗病和抗逆基因來源，”Ming說。“染色體重排可能是原因，而不是這種富集的結(jié)果，盡管這種富集的強調(diào)機制仍有待研究。這一發(fā)現(xiàn)將加速挖掘已經(jīng)融入優(yōu)良現(xiàn)代甘蔗雜交品種的抗病基因的有效等位基因，以及隨后實施分子育種[甘蔗]。“

高質(zhì)量的基因組序列也使研究人員能夠確定現(xiàn)代甘蔗令人難以置信的甜味的可能來源：即使在甜度較低的S. spontaneum中，也會產(chǎn)生多個糖基轉(zhuǎn)運基因拷貝的突變。他們還能夠觀察到，在S. officinarum和S. spontaneum之間的雜交中，來自S. spontaneum的DNA序列在整個雜交基因組中隨機分散。

“ALLHIC方法已被證明對構(gòu)建同源多倍體甘蔗基因組有效，”Ming說。他預(yù)計成功用于甘蔗 基因組的技術(shù)也將有助于研究人員對其他復(fù)雜基因組進行測序。