aBIOTECH | 张兴坦团队解析等位基因表达和亚基因组偏好对栽培甘蔗株高的影响

株高作为重要的农艺性状之一，与作物的生物量、抗倒伏和宜机化等特性密切相关，是提高甘蔗产量，增强抗倒伏能力以及适应机械化收获的重要改良目标。然而，现代栽培甘蔗作为热带种（Saccharum officinarum）和割手密种（Saccharum spontaneum）通过“高贵化”形成的同源异源非整倍体，其基因组高度复杂，阻碍了株高等重要农艺性状遗传基础的系统解析。

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所张兴坦团队在aBIOTECH 发表了题为“Allelic expression and subgenome bias influence plant height in cultivated hybrid sugarcane”的研究论文。该研究通过整合基于k-mer的多倍体关联分析方法、等位基因表达及亚基因组表达偏好分析，系统解析了栽培甘蔗株高相关基因的等位基因表达和亚基因组偏好模式及其对株高的影响，为栽培甘蔗“宜机化”品种的选育以及全基因组设计育种提供了新的理论基础和候选基因资源。

考虑到传统GWAS方法在多倍体作物研究中存在诸多局限性，例如基因分型复杂、多等位变异解析困难以及等位基因剂量不明确等问题。作者利用课题组前期开发的基于k-mer的多倍体GWAS方法（KMERIA），结合603份栽培甘蔗的群体重测序数据挖掘到138个与栽培甘蔗株高显著相关的QTL。这些QTL中既包括已报道的经典株高调控基因，例如与赤霉素信号传导相关的GID1和与油菜素内酯合成相关的DWF1，也包括一些较少被报道和株高相关的基因，例如蔗糖合成相关的SUS6和脂肪酸合成相关的ACC2。

结合三个中国主栽品种的全育期转录组数据，作者通过定义N80来对栽培甘蔗这种复杂多倍体的等位基因表达模式进行定量分析。结果表明，虽然栽培甘蔗株高相关基因的等位基因拷贝数在2-12之间，但平均仅需35.02%的等位拷贝就能贡献基因80%的表达量，说明大部分等位基因被选择性的沉默或抑制，仅有少数“优势等位”主导了株高相关基因的表达。在此基础上，作者进一步提出了“稳定优势等位基因（stably dominant allele, SDA）”的概念，即在群体中稳定保持最高表达水平的等位基因。通过对107份栽培甘蔗的群体转录组分析，作者发现部分株高相关基因的不同SDA之间存在显著的株高差异，体现了优势等位转换对栽培甘蔗株高的重要影响。

除等位基因表达模式外，作者还系统分析了栽培甘蔗株高相关基因的亚基因组偏好模式。结果表明，在等位基因拷贝数水平，高达77.93%的株高相关基因偏向于So亚基因组，仅有15.03%偏向于Ss亚基因组，表现出明显的So亚基因组偏好。但在表达水平，这种不平衡的偏好模式显著减弱，平均仅有49.56%的基因在表达水平偏向于So亚基因组，高达38.89%的基因表现出对Ss亚基因组的表达偏好，说明两个亚基因组之间存在表达剂量上的缓冲效应，体现了Ss亚基因组来源的等位基因在栽培甘蔗株高形态建成中的重要作用。

在此基础上，作者同样基于107份群体转录组数据探究了亚基因组偏好对栽培甘蔗株高的影响。结果表明部分株高相关基因的亚基因组偏好变化与群体中株高的变化相关联，并且表现出两种模式，第一种模式为线性相关，即株高随着亚基因组偏好的变化呈现线性的变化趋势；另一种模式是非线性的，即亚基因组偏好可以将群体划分为两个明显的亚群，两个亚群之间的株高存在显著的差异，这一结果体现了亚基因组偏好模式变化对株高表型重要的塑造作用。

该研究得到国家自然科学基金（32222019、32370714）等项目的支持。福建农林大学生命科学学院2023级硕士研究生董澳千和蒋美玲为共同第一作者，中国农业科学院深圳农业基因组研究所张兴坦研究员和福建农林大学生命科学学院秦源教授为共同通讯作者，基因组所陈帅博士和夏中强博士为本研究提供了重要的指导意见。

引用本文：

Dong A, Jiang M, Chen S, Xia Z, Qin Y, Zhang X. Allelic expression and subgenome bias influence plant height in cultivated hybrid sugarcane. aBIOTECH 2026:100052.

https://doi.org/10.1016/j.abiote.2026.100052