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