母爱“倍”至：甘蔗妈妈为何多给一份染色体
■本报记者 李晨
很少有人知道，甘蔗妈妈“传”给孩子的“爱”是加倍的。100多年前，科学家发现，热带种甘蔗母本和野生割手密父本杂交的后代中，母本与父本的基因组贡献约为2：1。母本“多给一份”的遗传方式，使后代能够最大程度保留母本的高糖和高生物量性状，又整合父本的抗逆基因。
这是现代甘蔗育种成功的核心密码，也是困扰学术界百余年的终极谜题。8月5日，福建农林大学海峡联合研究院教授明瑞光团队在《自然》在线发表论文，首次从基因组、染色体和DNA分子水平，完整揭示了甘蔗“母本恢复”的遗传机制是第二次分裂恢复。
论文审稿人评价：“解析这一不寻常的现象对甘蔗育种及物种演化具有重要意义……这一认识将极大促进甘蔗品种改良。”
百年谜题：荷兰学者用一生追问
1923年，在印尼爪哇岛从事甘蔗细胞遗传学研究的荷兰科学家布雷默（Gustav Bremer）在博士论文中首次报告了一个惊人发现：热带种甘蔗与割手密杂交后代的染色体数目，并非父母本各贡献一半之和，而是母本贡献了双倍染色体，父本贡献了单倍染色体。
明瑞光解释道，在大多数有性生殖过程中，精子和卵细胞形成之前都要经历减数分裂，使染色体数目减半。减数分裂包括连续两次细胞分裂。以卵细胞形成为例，大孢子母细胞的第一次分裂可以理解为“洗牌”，第二次分裂可以理解为“分装”。正常完成两次分裂后，一个母细胞最终形成4个染色体数目减半的配子。
“母本多给一份染色体，父本正常给一份，后代中母本与父本的基因组贡献约为2：1。这一现象被称为‘母本恢复’。”明瑞光告诉《中国科学报》，布雷默后来提出了“正常减数分裂的配子在形成后复制，产生不减数配子”的假说。
此后，不同研究者先后提出第一次减数分裂异常、第二次减数分裂异常、受精后染色体加倍等多种假说，但始终没有获得决定性的遗传学证据。
“事实上，不减数配子在很多植物中都偶有发生。但在大多数作物中，这种‘出错’往往有害。比如番木瓜中出现四倍体，植株会变矮变小变畸形，无论是自然选择还是人工选择都会将其淘汰。唯独甘蔗是个例外。”明瑞光说，由于蔗枯病的巨大压力，育种家被迫进行种间杂交，而母本恢复形成的2：1基因组比例，使回交育种从通常需要的五六代缩短到只需两代。
“这个现象真是给甘蔗育种工作者的一份礼物。”明瑞光说。
从夏威夷到福州：一个跨越30年的伏笔
甘蔗的情况十分特殊。论文第一作者、福建农林大学副教授朱斯慧告诉《中国科学报》，研究使用的热带种甘蔗和野生割手密虽然都具有80条染色体，但二者的基因组构成并不相同。热带种甘蔗是八倍体，具有8套以10条染色体为基础的染色体组；野生割手密则是4到20的同源多倍体，这次研究用的是十倍体，具有10套以8条染色体为基础的染色体组。
正常情况下，甘蔗受精后形成约80条染色体的杂交后代。然而，实际产生的杂交后代却拥有约120条染色体，其中约80条来自母本，约40条来自父本。这说明父本进行了正常减数分裂，只提供了含40条染色体的配子；母本产生的配子却含有约80条染色体，相当于在正常配子的基础上多保留了一份染色体。
那么，母本到底在哪一步“出错”了？要解开这个百年谜题，最关键是必须有合适的研究材料，以及能够解析染色体内部DNA序列的技术。
这份材料，明瑞光从约30年前就开始准备了。
1991年，明瑞光在美国夏威夷读研究生期间，接触到一个特殊的甘蔗材料——热带种LA Purple。这个品种之所以被频繁用作母本，是因为它雄性不育，做杂交时不用担心自交污染。而LA Purple恰恰是100多年前荷兰育种家做第一次种间杂交时所用的母本之一。
“这个材料非常重要。”明瑞光说，“当年荷兰育种家用它做其中的一个母本，培育出风靡一时的蔗王POJ 2878品种。100多年后，我们用同一个亲本材料，研究它当初产生杂交后代的遗传机制。”
2008年，明瑞光开始在夏威夷进行大规模甘蔗杂交实验，并一直维持这批材料的田间试验和新的杂交组合。
技术的进步是破解谜题的另一个必要条件。过去10年间，测序技术飞速迭代，成本急剧下降。
2018年，明瑞光团队在《自然-遗传学》发表了首个等位基因水平解析的甘蔗基因组。如今，他们已经能够利用长读长测序和单倍型分辨率基因组组装技术，为每一条染色体建立独一无二的“身份档案”。这样，他们就能“看”清染色体分裂过程中每一个单体上的每一个碱基，通过比较知道它们和母本是否一样。
2023年底，朱斯慧加入团队。这位在中国科学院北京基因组研究所获得博士学位的年轻人，坦言对于甘蔗的复杂性“之前没想到”。“之后也碰到了很多问题，一个一个解决。那些路走过了再回头看，觉得没什么。”朱斯慧语气平淡地说。淡定和认真的她，很快就在团队中发挥了关键作用。
朱斯慧负责组装父本基因组时发现了一个异常现象。“母本传到后代的染色体，不是4条同源染色体加倍，而是旁边都有片段。”她把结果拿给明瑞光看。
明瑞光的第一反应是“是不是搞错了”。两人反复讨论、验证，最终确认这不是错误，而是真实存在的遗传现象——只可能是第二次减数分裂没有完成。
改写百年遗传模型，开启精准育种新时代
2024年夏天，为验证这个猜测，朱斯慧带领团队的学生们，将杂交后代中来自母本的每一条染色体逐一计算、贴回亲本染色体上，并精确到单个碱基水平。结果汇总后发给了明瑞光。
2024年7月9日晚，明瑞光在家中看到了计算结果。在此之前，他已经通过理论推导算出，如果母本恢复是第二次分裂恢复机制，那么不减数配子保留的母本遗传多样性理论上应为62.5%。现在，实际数据摆在了眼前——63%到64%。
“那一刻我就知道，这个问题解决了。”明瑞光说，这是让他难以忘怀的“顿悟时刻”。
明瑞光当即订了飞往夏威夷的机票。到达后，他将剩余6个杂交后代材料全部取样寄回国内，后续经测序、分析、计算得出了一致的结果，它们都具有符合第二次分裂恢复的重组模式，绝不可能是随机异常。
朱斯慧告诉《中国科学报》，他们发现谜底竟然不是第一次分裂停下，而是第二次分裂没有完成。
这个过程可以用“先洗牌，再把4份中的2份牌装进同一个盒子”来理解。第一次减数分裂完成了遗传牌组的交换和洗牌，第二次分裂原本应把姐妹染色单体分别放入两个盒子，但甘蔗母本没有完成最后的分装，而是把2份姐妹染色单体共同装进一个配子。
于是，这个配子在染色体数量上相当于没有减数，被称为不减数配子，但其中的染色体已经历过第一次减数分裂中的重组和重新组合。他们把这种现象称为“第二次分裂恢复”。
由此，传统的“2n+n”遗传模型被修正为“n1*×2+n2”。新模型准确体现了母本染色体已经发生减数、重组，并保留约62.5%母本遗传多样性的实质，而非过去理解的完整复制母本全部遗传信息。
明瑞光透露，团队下一个目标是探究为什么减数分裂形成的正常配子无法与父本结合产生后代，而不减数配子却能成功受精。
而在应用层面，这一机制有望被推广到其他同源多倍体作物中。“我们可以通过基因编辑等技术，人工诱导产生大量不减数配子，大大提高育种效率。”目前团队已开始在模式植物拟南芥上开展相关尝试。
这一发现的意义远不止于解释过去。正如明瑞光送给年轻科研人员的那句话：“好奇心可以带你进入一个新的世界，一个原来未知、现在已知的世界。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10863-3