你吃的每一口糖背後，都有科學家們的努力（下）

炎炎夏日，一杯冰鎮甘蔗汁帶來清涼與甜蜜。

寒風凜冽，一碗紅糖水送去溫暖與滋養。

日常生活中這些簡單的“小確幸”，都與甘蔗這種作物聯繫在一起。但你知道嗎？甘蔗的甘甜並非與生俱來，它經歷了科學家們對甘蔗種質的一次次改良。

今天，就讓我們講講科學家們與甘蔗的故事。

甘蔗的種質是什麼？很多人以爲它就是甘蔗的品種，但其實兩者有所區別。

經過品種審定的甘蔗才能稱爲甘蔗品種，也就是我們能看到的甘蔗種類。在品種審定之前，各種有潛力的中間材料都可以被稱爲種質，另外經過基因改造的甘蔗也可以被稱爲種質。

因此，我們可以認爲，種質是甘蔗的遺傳基礎，是決定甘蔗品質的根源。

爲了選出優質的甘蔗，科學家們會對它進行多個指標的測試，並制定了一系列標準，包括含糖量、產量、抗病性、抗蟲性、耐寒性、耐旱性、宿根性和生長速度等。如《糖料甘蔗》國家標準（GB/T 10498-2010），列出最低蔗糖分指標爲12%等標準。通過這些測試，科學家們能挑選出那些最具潛力的“優異種質”，讓它們在未來的種植中發揮更大作用。

爲了讓甘蔗更甜、更高產，科學家們做出了許多努力。

最常見的方法是雜交育種，這有點像給甘蔗“找對象”，除了讓甘蔗不同品種之間進行雜交，甘蔗和“近緣親戚”（一般是甘蔗亞族[Saccharinae]甘蔗屬[Saccharum]的其他物種），甚至和“遠緣親戚”（一般是甘蔗亞族[Saccharinae]甘蔗屬[Saccharum]之外的其他可以和甘蔗雜交的物種,如蔗茅屬、河八王屬、硬穗屬、芒屬等）之間都能相互交配，繼承它們的優點【6】。

在甘蔗的“近緣親戚”和“遠緣親戚”中，有衆多的野生種質資源，在野外自然選擇的壓力下，它們往往會更多地保留抗病、抗逆等優良性狀基因。就像父母的優良基因傳給孩子一樣，科學家希望通過這種方法，培育出高糖高產穩產的甘蔗。

比如，某些甘蔗品種可能抗病性好，但糖分較低；而另一些品種則糖分高但容易生病。通過雜交育種，科學家們希望兼顧這些優點。

然而，由於甘蔗的基因組龐大且複雜，其基因組大小約爲10 Gb【6】，而人的基因組大小約爲3Gb【7】。人是2倍體生物，由受精卵發育而成，有46條染色體。精子和卵子作爲人的生殖細胞，染色體數量是體細胞的一半,各有23條染色體，被稱爲單倍體。精子卵子結合形成受精卵，則恢復成爲二倍體。因此，二倍體是指生物體的細胞中含有兩個染色體組的生物，一組染色體來自“父親”，一組染色體來自“母親”。

而甘蔗則複雜多了，在甘蔗的進化過程中，全基因組經歷了多次“多倍化事件”（即染色體數量加倍）【8】。再加上與“親戚”混亂的雜交，導致甘蔗的基因組呈現多倍性，有上百條染色體，而且每個品種的“父母”來源不一樣，導致基因組也不一樣。即使“父母”一樣，產生的基因組合也有很大區別，真是“龍生九子，各有不同”。因此，雜交選育過程並不總是順利，有時候培育出的新甘蔗種質反而不如預期。這種“碰運氣”的過程耗時費力，需要花費科學家們數年甚至幾十年的觀察與篩選。

爲了解決這些問題，近年來，科學家們開始探索基因編輯技術。與雜交育種的“碰運氣”不同，基因編輯就像“精準修剪”。

基因編輯

（圖片來源：veer圖庫）

科學家們可以通過對不同品種甘蔗基因組、轉錄組（基因表達水平的變化）和蛋白組（蛋白質有無和多少）進行比較和分析，以及在甘蔗的“遠親”如高粱、玉米和水稻等研究比較深入的作物中進行同源分析，找到影響甘蔗甜度、抗病性等性狀的基因。

比如，在感病的品種中存在A基因能被病原菌利用，導致產生病害，而在抗病的品種中，A基因失去了功能而不能被病原菌利用，從而不產生病害，我們就可以在感病的品種中利用基因編輯技術將A基因“剪掉”，使A基因和抗病品種一樣不能被病原菌利用。這樣進行鍼對性地改造後，就可以快速地聚合高糖高抗等優異性狀了。

但基因編輯也有它的難點，其技術複雜，特別是對於甘蔗這樣的高倍體作物。前文也提到甘蔗經歷了多次“多倍化事件”，導致同源基因多，即同樣的基因可能在基因組中有多個拷貝。如果需要基因編輯，則要同時將這些同源基因全部都進行改造。因此，需要高效的基因編輯方法。打個比方，如果基因編輯的效率是50%，同時編輯2個同源基因的成功率是25%，那麼同時編輯10個同源基因的成功率就只有0.098%了；如果基因編輯的效率提升至80%，同時編輯2個同源基因的成功率理論上能達到64%，而同時編輯10個同源基因的成功率理論上能達到10.7%。因此，提升基因編輯的效率是科學家們努力奮鬥的目標【4】。

不論是雜交育種還是基因編輯育種，科學家都在不斷努力，讓我們吃到越來越甜、產量越來越高的甘蔗。比如，在果蔗領域，科學家們不斷選育口感更好、甜度更高更多汁的新品種，讓人們在啃甘蔗時獲得更好的體驗。而在糖蔗領域，科學家則着眼於提高含糖量、產量、抗病性等，讓製糖效率更高，保證產量和質量。

科學，從未遠離我們的生活。看似普通的甘蔗，其實凝結了許多科學家的心血與智慧。每一口甜美的背後，都有着無數次的探索和實驗、失敗與成功，也有對未來農業的美好期待。

下次，當你品嚐一口紅糖水時，或許會想到這些默默工作的科研人員，他們的努力讓我們日常生活中的每一口甜都更加美好。

參考文獻：

出品：科普中國

作者：尹昕（中國科學院微生物研究所）

監製：中國科普博覽