文章速读：

糖料作物（包括甘蔗、甜菜、甜高粱、甜叶菊等）是全球糖、生物燃料和天然甜味剂生产的重要支柱。然而，传统育种方法受限于育种周期长、遗传背景复杂（尤其是甘蔗的多倍体基因组）以及高产、高糖、抗逆等多性状协同改良不易等问题，已难以应对全球气候变化与可持续农业发展的双重挑战。该文系统回顾了糖料作物生物技术研究和分子育种应用的最新进展，首次从“精读”基因组—“细写”性状—“重塑”品种的视角，提出了整合性状解析、转基因、基因编辑与合成生物学以及全基因组选择等技术路径的智能育种框架，并前瞻性地探讨了人工智能驱动的精准育种、数字孪生与气候适应性品种设计的未来方向，为糖料作物分子育种的精准设计和高效推进提供了很好的参考和借鉴。

正文导读：

从“经验选择”走向“设计育种”

甘蔗、甜菜、甜高粱和甜叶菊等糖料作物，不仅关系全球食糖供给，也是生物燃料、天然甜味剂和生物基产品的重要原料。然而，传统育种往往周期较长，并高度依赖多年、多点田间表型鉴定；其中，甘蔗具有高度杂合和极端多倍体等特征，使优良等位基因的识别、聚合和稳定利用更具挑战。面对气候变化、耕地资源约束以及高产、高糖、抗病、抗逆等多目标协同改良需求，糖料作物育种亟需更精准、更高效的技术体系。

“精读”基因组：从序列资源到性状解析

该文首先梳理了主要糖料作物基因组学的发展轨迹。甘蔗研究已从早期BAC文库和EST资源，逐步迈向染色体水平组装、单倍型解析以及混合倍性图泛基因组；甜菜和甜高粱则凭借相对简单的二倍体基因组，较早实现参考基因组、群体重测序和全基因组关联分析的系统应用（图1）。与此同时，转录组、蛋白组和代谢组的整合，使研究者能够从基因表达、蛋白功能到代谢物积累等多个层次，解析蔗糖合成、运输、储存及抗逆调控网络，为候选基因筛选和功能验证提供更完整的证据链。

图1. 主要糖料作物基因组研究进展时间轴

“细写”性状：把关键基因转化为育种工具

围绕糖分、抗病和抗逆等核心性状，研究已识别出一批可服务育种的基因和调控元件。例如，SuSy、SPS、SUT/SWEET和INV等参与蔗糖合成、转运与分配；甜菜液泡蔗糖转运蛋白BvTST2.1与块根高效储糖密切相关（图2）。抗病育种方面，甘蔗褐锈病抗性位点Bru1、甜菜丛根病抗性基因Rz1/Rz2等已推动分子标记辅助选择应用，ScWRKY2已经在甘蔗抗黑穗病育种中表现出很好的潜力。对于产量和糖分等复杂数量性状，基因组选择可利用全基因组信息开展早期预测，有望减少对后期表型鉴定的单一依赖，提高选择效率。

图2 糖转运中“源–流–库”协同调控

“重塑”品种：从基因导入到多等位精准编辑

遗传转化和基因编辑为糖料作物新种质创制提供了直接手段。随着再生体系、农杆菌介导转化和发育调控因子等技术持续优化，部分糖料作物的转化效率与适用基因型范围不断提升。特别地，CRISPR/Cas系统已可在复杂多倍体背景中同时编辑多个等位基因，为定向改良抗性、株型、开花和糖分等性状创造条件。作者同时指出，转化效率、递送方式、脱靶风险、多倍体编辑复杂性及不同地区的监管差异，仍是相关技术规模化应用亟需解决的问题。

阔步迈向智能育种与绿色生物制造

文章进一步提出，将多组学、人工智能、高通量表型、基因组选择和精准编辑整合为可持续学习的智能育种体系，并通过合成生物学优化光合效率与代谢通路，将有望培育出动态响应温度、水分和光周期变化的“气候智慧型”品种（图3）。未来，糖料作物的角色也将从食糖和乙醇原料，拓展为生产生物基材料、特种化学品、医药中间体和重组蛋白的“绿色细胞工厂”。这一分子路线图为糖料作物实现精准设计、快速迭代和产业功能拓展提供了系统参考。

图3植物的C3和C4光合途径及未来设计育种

论文信息：

题目: Revisiting the Molecular Roadmap for Sugar Crops: Genome Reading, Trait Writing and Variety Redesigning

作者: Peilin Wang, Qibin Wu, Wenzhi Wang, Prakash Lakshmanan, Yangrui Li, Khushi Muhammad, Yuguang Wang*, Youxiong Que*

期刊:Plant Biotechnology Journal

DOI:10.1111/pbi.70683

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70683

期刊简介：

Plant Biotechnology Journal (PBJ) 由 Wiley 与英国实验生物学学会（SEB）及应用生物学家学会（AAB）联合出版，聚焦应用植物科学与分子植物科学前沿，发表植物生物技术领域知名学者的原创研究与深度综述，尤其关注高影响力研究成果和分子机制与实际应用，是植物生物技术领域的重要国际学术交流平台。

2025 JIF：12.8 ｜ CiteScore：15.2

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/14677652

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