2023年3月30日，Nature Plants在线发表了甘蔗属复合体高质量T2T完整基因组及甘蔗属的演化，该成果是张积森课题组继前期解析甘蔗首个基因组（Zhang et al., Nature Genetics. 2018）、阐明割手密种种质资源演化，系统解析高贵种和割手密种中的关键农艺性状相关基因的基因组学差异 （Zhang et al., Nature Genetics. 2022）后，在甘蔗基因组学领域的又一重大进展。该研究组装完成了蔗茅T2T完整基因组，阐明了着丝粒的演化、蔗茅与甘蔗的分化、一对古复制染色体对（5号和8号染色体）的演化模式及甘蔗属的起源和演化，为甘蔗分子育种和甘蔗种质资源研究奠定了重要基础。

作为重要的糖料和能源作物，甘蔗为全球提供了约80%的食糖和40%的乙醇。现代栽培甘蔗是100多年前由高贵种与细茎野生种（割手密种）通过人工杂交培育而成的。高贵种是同源八倍体（2n=8x=80），主要为现代甘蔗栽培种提供了高糖性状，而细茎野生种主要为现代甘蔗栽培种贡献了抗逆、强分蘖等优良性状，从而实现了甘蔗在育种史上最大的突破。但由于甘蔗遗传背景十分复杂，加之两个原始种经历了近期的多倍化事件，使其基因组解析十分困难。作为甘蔗属近源的二倍体物种，高粱具有组装和注释良好的基因组，常作为甘蔗属基因组学、遗传学和分子生物学研究的参考物种。但高粱与甘蔗的分化时间约6.4百万年，属于不同的亚族，因此甘蔗近源二倍体物种蔗茅T2T基因组对于研究甘蔗重要生物学性状，解析甘蔗属的起源和演化具有重大意义。

蔗茅（Erianthus rufipilus/ Saccharum rufipilum 2n = 2x =20）属于甘蔗属复合体成员，是目前发现与甘蔗亲缘关系最近的二倍体物种，常生于海拔1300-2400米的山坡谷地，具有抗旱、抗寒、耐瘠等优异性状，在甘蔗育种中具有重要的应用价值，目前，关于蔗茅及甘蔗属的分类学界仍然存在很大争议。该论文研究发现蔗茅和甘蔗在形态特征上相似，以热带种特异探针通过Oligo-FISH证明了蔗茅与甘蔗热带种具有类似的核型。K-mer分析表明蔗茅基因组大小约为756.6Mb，其杂合度非常低，约为0.053%。通过PacBio平台的CCS测序技术，结合二代测序和Hi-C技术组装完成了蔗茅基因组，同时利用PCR产物测序成功填补了两个gap，实现了蔗茅基因组的T2T完整组装，最后利用Bionano光学图谱验证了组装结果（包括着丝粒区域）的准确性。

图1.着丝粒序列的演化特征

蔗茅着丝粒主要由137bp的重复序列组成，其CEN137序列与甘蔗热带种着丝粒序列（So1）的相似度大于93%。通过Oligo-FISH发现CEN137序列特异分布于蔗茅的着丝粒区域。不同染色体间着丝粒序列差异较大，而同一条染色体的着丝粒序列则高度相似。研究进一步鉴定获得1,626,903个高阶重复（CEN137首尾相连组成的单元），距离较远的高阶重复间的变异度大于距离近的高阶重复间的变异度，与着丝粒序列均质化的理论一致。蔗茅着丝粒区域有大量的Gypsy LTR插入，在LTR插入区域附近的CEN137序列的变异度比其它区域的高，表明LTR的插入可能驱动着丝粒区域变异，在着丝粒序列的进化中起重要作用。

研究利用STAG（Species Tree Inference from All Genes）方法构建物种进化树，结果表明，与高粱和芒草相比，蔗茅与甘蔗亲缘关系更近。蔗茅基因组与高粱、细茎野生种和热带种基因组均保持着良好的共线性。利用碱基同义替换率计算分析表明，蔗茅与细茎野生种AP85-4741、细茎野生种Np-X和热带种的分化时间分别为2.5、1.9和2.3百万年。而通过组装蔗茅叶绿体基因组构建进化树，支持将蔗茅划分到甘蔗属。通过直系同源基因家族比较和重测序数据mapping，研究结果表明蔗茅比高粱更适合作为研究甘蔗的二倍体参考物种。

图2. sRNA介导的甲基化调控古复制染色体上基因表达的模式

本文研究发现一对古复制染色体5号和8号染色体上的基因整体趋向于低表达，值得重点指出的是，进一步的研究发现，这种现象在甘蔗属乃至禾本科中都是普遍存在的。通过甲基化测序和sRNA测序分析表明，24nt sRNA介导的甲基化（RdDM）差异，特别是基因启动子区域CHH甲基化差异，是导致该对染色体基因表达量降低，从而保持基因表达剂量平衡的调控机制。同时研究还还发现该对染色体上的基因存在协同进化现象，并富集了大量NBS抗病基因。

通过群体全基因组测序分析了蔗茅的群体遗传学特征，并探究了蔗茅和甘蔗属的群体历史，结合蔗茅和甘蔗属的分化时间和分布情况，研究认为甘蔗属可能起源于泛喜马拉雅地区，Gelasian epoch时期（2.59–1.81百万年）气候巨变可能促使了蔗茅与甘蔗细茎野生种和热带种的分化，此后蔗茅保持二倍体的模式，而甘蔗细茎野生种和热带种则分别经历了多倍化。

福建农林大学海峡联合研究院基因组中心张积森课题组博士生王天友、广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室（国重室）汪柏宇、华秀婷、福建农大学基因组中心教授唐海宝为论文共同第一作者，广西大学国重室张积森教授和姚伟教授为论文共同通讯作者，参与作者还有福建农林大学的张泽宇、齐浥颖、张清、张哲、梅静、王宇浩、张以星、李艺寒、孟雪、王勇军、潘浩然、陈姝琦、李珍、石会红、顾连峰教授、邓祖湖教授和明瑞光教授，广西大学国重室的高瑞婷、余泽怀、陈保善教授、张木清教授，盐城师范大学的王刚老师，闽江学院黄永吉老师，佛罗里达大学王建平教授，云南省农业科学院甘蔗研究所刘新龙研究员。