北京时间5月27日，广西大学农学院教授张木清（共同通讯作者）、陈保善（合作作者）在国际学术期刊Nature在线发表了题为“Genetic architecture of sugarcane traits in a polyploid genomics framework”（多倍体基因组学新范式解析甘蔗高储糖的遗传结构）的突破性研究论文。该研究由中国农业科学院深圳农业基因组研究所张兴坦团队牵头，联合广西大学、福建农林大学、中国热带农业科学院、云南省农业科学院等10余家顶尖科研团队协同攻关。

在植物界，甘蔗的遗传背景被公认为“最难啃的硬骨头”。现代栽培甘蔗是典型的异源多倍体，其染色体数目众多、高度重复序列极多且存在非整倍体现象。面对这一世界性难题，研究团队针对多倍体遗传特征，研发了拥有完全自主知识产权的算法体系。C-Phasing算法解决了超多染色体背景下的同源染色体精准拆解问题，实现了全染色体水平的精密组装；KMERIA分析工具为多倍体复杂的基因剂量效应设计，提升了全基因组关联分析（GWAS）的精确度；Allele-Express框架能够精确定量不同亚基因组中等位基因的特异性表达。这套算法不仅为甘蔗研究提供了物理图谱，更为全球马铃薯、小麦、草莓等同类复杂多倍体作物的基因组研究确立了全新的技术范式，成为多倍体基因组学研究的“全能导航仪”。

图1. 多倍体基因组学整合分析框架

为了彻底搞清楚甘蔗是如何变甜的，团队从全球19个甘蔗主要产区搜集了981份核心种质资源，涵盖了热带种、割手密种及近代杂交种，并完成了高达125.58 Tb的超大规模重测序数据采集。通过对海量数据的深度挖掘，研究团队精准还原了甘蔗进化的三个关键阶段：自然演化、早期人工驯化以及现代育种的杂交改良。研究系统揭示了在这些历史节点上，甘蔗基因组是如何通过亚基因组间的选择性清除与有利变异的积累，一步步进化为当今生物产量最高、糖分积累能力最强的作物的。这一演化图谱的绘就，为全球甘蔗种质资源的保护与利用提供了最权威的遗传数据底层资料。

图2.遗传多样性与群体结构分析

传统的甘蔗研究多侧重于光合作用或酶促反应，研究团队提出了一个革命性的视角“仓库容积论”。研究发现，甘蔗之所以能储存更多的糖，关键在于其茎秆中用于储糖的薄壁细胞的物理体积。利用自研的KMERIA工具，团队从数万个基因中精准定位到了核心调控基因—蔗糖转运蛋白基因SUT2。实验证实，SUT2在优异高糖品种中呈现出明显的“剂量优势”，它不仅负责将蔗糖高效转运入液泡，更像是一个“动力源”，驱动储糖细胞生理性扩张，使细胞体积变大。这一发现实现了从分子信号到细胞结构，再到最终产量表型的跨尺度逻辑闭环，深刻回答了“甘蔗为什么这么甜”这一基础科学问题。

图3. 糖度与薄壁细胞性状的相关性分析

研究揭示了多倍体作物中独有的“剂量效应”原理，即有利基因的拷贝数并非越多越好，而是存在一个维持生理平衡的“最佳剂量窗口”。基于此发现，团队鉴定出了包括SUS2（蔗糖合酶）和SUT2在内的一系列核心优异单倍型变异。这些关键基因位点可作为高效的分子标记，直接用于甘蔗新品种的辅助选择与辅助设计育种。这一成果预示着，利用基因编辑技术精准调控亚基因组的基因剂量，将能突破传统育种周期长、偶然性大的限制，大幅加速高产、高糖、抗逆性强的甘蔗新品种产出，为我国糖业种业自立自强提供“加速器”。

图4. 薄壁细胞性状的全基因组关联分析

研究团队以创新的多倍体基因组学为框架，系统攻克多倍体基因组学领域组装、关联分析及定量评估的三大世界级技术瓶颈，首次为现代栽培甘蔗构建了完整且高精度的全染色体遗传图谱。该研究从基因调控网络到细胞生理形态，跨尺度揭示了甘蔗作为“世界第一产糖作物”的遗传演化机制，为全球复杂多倍体作物育种提供了具有示范意义的“中国方案”。这也是2026年1月以来，学校在CNS顶级学术期刊上发表的第2篇甘蔗领域的高质量论文。