综述：甘蔗（Saccharum spp.）改良的诱变育种策略与进展

本综述系统总结了诱变育种在甘蔗遗传改良中的应用与前景。文章重点探讨了随机诱变（如γ射线、EMS、SA）和定向基因编辑（如TALENs、CRISPR/Cas）技术在拓宽甘蔗遗传基础、增强抗逆性（生物/非生物胁迫）及提升产量与品质方面的最新进展，并指出表观诱变（epimutagenesis）和哥斯达黎加育种实践等新兴方向，为甘蔗可持续生产提供重要技术支撑。

　　

引言

甘蔗（Saccharum spp.）作为全球重要的糖料和能源作物，贡献了70%的食糖和大量生物乙醇原料。然而，其基因组高度复杂（约10 Gbp）、多倍体特性及狭窄的遗传变异严重限制了传统育种效率，新品种选育往往需耗时15年以上。诱变育种技术通过人工诱导遗传变异，为克服这些瓶颈提供了新途径。

诱变类型与机制

突变可分为点突变（如插入、缺失、替换）、染色体结构变异（如重复、易位、倒位）及基因组数目变异（如多倍化）。人工诱变主要包括三类策略：

1. 1.

   随机诱变：利用物理或化学诱变剂非特异性诱导变异；

2. 2.

   插入诱变：通过外源DNA片段整合实现；

3. 3.

   定向诱变：借助基因编辑工具精准靶向特定基因。

随机诱变的应用

物理诱变

• •

  γ射线：最常用的物理诱变剂，通过电离辐射引起DNA双链断裂及氧化损伤，成功培育出抗甘蔗花叶病毒（SCMV）、抗锈病（Puccinia melanocephala）、耐盐及高糖分突变体。典型剂量为10–80 Gy，以胚性愈伤组织为材料。

• •

  离子束：诱导更严重的DNA损伤，以大片段缺失（1–230 kbp）为主，但甘蔗性状改良应用尚未见报道。

化学诱变

• •

  EMS（乙基甲烷磺酸盐）：通过烷化鸟嘌呤碱基引发G/C→A/T转换，已获得抗真菌（Fusarium sacchari、Sporisorium scitamineum）、耐除草剂及高蔗糖含量突变系。

• •

  SA（叠氮化钠）：产生点突变为主，在甘蔗中成功用于抗黄叶病毒（SCYLV）和抗锈病品种选育。

定向基因编辑技术

TALENs

通过改造Xanthomonas转录激活样效应蛋白（TALEs）与FokI核酸酶融合，实现特异性DNA切割。在甘蔗中，TALENs靶向COMT基因（咖啡酸氧甲基转移酶），降低木质素含量，显著提升糖化效率和乙醇产量。

CRISPR/Cas系统

通过向导RNA（gRNA）引导Cas核酸酶靶向切割DNA，修复过程中引入插入/缺失突变。该技术在甘蔗中实现多等位基因同步编辑，例如：

• •

  靶向MgCh（镁螯合酶）产生叶绿素缺陷型表型，用于筛选体系优化；

• •

  编辑ALS（乙酰乳酸合成酶）基因（W574L和S653I突变），获得耐烟嘧磺隆除草剂品种；

• •

  下调SoLIM基因减少木质纤维素，提升生物乙醇原料品质。

表观诱变（Epimutagenesis）

通过化学试剂（如5-氮杂胞苷，5-Azac）或CRISPR-dCas9表观编辑工具，调控DNA甲基化或组蛋白修饰，诱导可遗传的表型变异。甘蔗中已获得抗黑穗病、耐干旱及耐铝毒突变系，且这些性状可通过无性繁殖稳定传递。

突变体筛选与验证

关键步骤包括：

1. 1.

   降低嵌合体：采用单细胞愈伤组织诱变、直接再生及多轮微繁殖；

2. 2.

   逆境预筛选：在培养基中添加铝盐、渗透剂等压力因子，初步筛选耐受型克隆；

3. 3.

   多维度鉴定：结合表型（生物量、叶绿素）、生化（抗氧化酶活性、脯氨酸含量）及分子标记（DNA甲基化分析、RNA-seq）验证突变性状。

挑战与机遇

未开发诱变剂

X射线、MNU、T-DNA及ZFNs等在其它多倍体作物（如小麦、甘薯）中有效，但甘蔗中尚未应用，潜力待挖掘。

技术瓶颈

• •

  多等位基因编辑：需通过CRISPR系统同步靶向多个拷贝（如LGI基因40个等位基因）；

• •

  组织培养依赖：体细胞克隆变异风险高，需开发无组织培养转化技术（如Cut-Dip-Budding递送系统）；

• •

  功能冗余：基因组高度重复导致基因功能冗余，需结合高质量基因组注释（如R570品种参考基因组）精准设计。

监管与推广

拉美国家（如阿根廷、巴西、哥斯达黎加）已将定向突变等同常规育种，加速品种商业化；新西兰等原抵制国亦调整政策支持基因编辑作物。

哥斯达黎加育种实践

该国甘蔗品种计划通过γ射线辐照胚性愈伤组织（0–100 Gy），从RB 86-7515和CP 72-2086品种中培育出91个突变系，正在进行田间抗逆性和产量评估。合作网络涵盖公立机构、私营企业及农户，整合分子标记与基因编辑技术，推动本地化品种选育。

结论

诱变育种与基因编辑技术显著拓展了甘蔗遗传多样性，为抗逆、高产及高品质品种选育提供强有力工具。未来需深化多组学指导的精准编辑、探索新型诱变剂，并通过跨部门合作优化监管框架，以应对气候变化与全球粮能安全挑战。