《Biology》：Genomics-Driven Mulberry Breeding for Improving Agronomic Traits and Circular Utilization Value
Yanmei Wang,
Chenfeng Yang,
Xiaofeng Li,
Ruojin Liu,
Shuaishuai Huang and
Yonghong Zhou
编辑推荐：
本综述系统梳理了桑树研究的历史与最新进展，核心聚焦于基因组学（Genomics）在现代育种与循环生物经济中的作用。文章详细阐述了全基因组测序（WGS）、高密度遗传图谱、基因编辑（如CRISPR/Cas9）、分子标记辅助选择（MAS）及多组学整合等前沿技术如何大幅缩短育种周期、提升选择精准度，并助力培育抗逆、优质品种，以推动桑树产业的可持续发展与高值化循环利用。
引言：古老作物的现代篇章
桑树（MorusL.）是一种栽培历史超过7000年的多年生树木，在热带、亚热带和温带地区广泛分布。它不仅是丝绸产业的基石，其卓越的生态适应性和在功能性食品、医药、生态修复等领域的应用价值，也使其在循环生物经济和可持续发展战略中的地位日益凸显。然而，传统的表型选择育种周期长、效率低，难以满足产业发展的快速需求。随着基因组学技术的迅猛发展，桑树育种正迎来一场从“经验驱动”到“设计驱动”的深刻变革。本综述将系统阐述基因组学技术如何重塑桑树育种的版图。
桑树基因组学研究的历史沿革
相比大豆、水稻等主要经济作物，桑树的基因组学研究起步较晚。早期研究主要集中在转基因技术的探索。进入21世纪，分子测序技术的快速发展推动了桑树基因组学的实质性飞跃。2013年，第一个桑树基因组草图发布，标志着研究进入新阶段。随后，高通量测序、高密度遗传图谱、比较基因组学等技术的应用，为大规模解析桑树遗传多样性奠定了基础。2022年，印度桑树（Morus indica）高质量基因组的发布，是桑树基因组学研究的一次重大跨越。近年来，端粒到端粒（T2T）组装、单细胞转录组学（scRNA-seq）和多组学数据整合等新兴技术的应用，使得构建泛基因组、进行单倍型解析成为可能，研究范式正从“基因组解码”转向“基因组赋能的设计育种”。
基因组学技术在桑树育种中的应用
1. 桑树抗逆性育种的进展
桑树具有强大的光合能力、快速生长特性以及对干旱、盐碱、寒冷等非生物胁迫的显著耐受性。这些适应性与其复杂的遗传背景密切相关。桑树种间存在广泛的染色体数目和倍性变异，从二倍体到二十二倍体不等。这种多倍化现象及高比例的转座子，被认为是桑树遗传背景复杂、抗逆性强的重要基础。
通过全基因组关联研究（GWAS）和混池分离分析（BSA）等策略，研究者已鉴定出多个与叶面积、叶片厚度、分枝结构、抗病性等重要农艺性状相关的基因组位点。例如，与桑树萎蔫病抗性相关的一串受体样蛋白激酶（RLK）基因簇已被识别。此外，一系列在桑树生长、信号转导、非生物胁迫响应及代谢调控中起关键作用的基因也已被克隆和功能验证，包括桑树渗透蛋白基因（MaOsm）、色氨酸脱羧酶基因（MnTDC）、SK样蛋白激酶、EIN3样蛋白基因（MnEIL3）、负责调节细胞pH和维持稳态的基因（MaNHX）等。这些发现为培育具有增强抗逆性和改良品质的桑树品种提供了理论依据。
2. 基因编辑技术在桑树育种中的应用
传统的桑树育种方法主要包括杂交育种、多倍体育种和诱变育种，其周期长、效率低，且难以稳定获得复杂数量性状。分子育种和基因组辅助选择策略的引入，成为传统育种的重要补充，但仍依赖于自然或诱导突变。
以CRISPR/Cas系统为代表的基因编辑技术，实现了对特定基因组位点的精准切割和修饰，为桑树育种带来了新的机遇。例如，研究人员利用CRISPR/Cas9对构树的阿魏酸-5-羟化酶（F5H）基因进行靶向突变，成功获得了G型木质素含量提高3.3倍的编辑植株，显著提升了其生物质的吸附性能。基因编辑技术的高效率、操作简便性和可进行多重编辑等优势，使其在桑树功能基因组学研究和遗传改良中展现出巨大潜力。
然而，桑树相对较弱的体外再生能力和较低的遗传转化效率，限制了基因工程和基因组编辑技术的广泛应用。此外，再生过程中细胞分裂和突变事件的异质性可能导致嵌合体植株的产生，难以获得稳定、遗传一致的纯合株系。
桑树基因组学与育种面临的挑战与未来方向
1. 桑树基因组学研究面临的挑战
尽管桑树基因组学已取得显著进展，但作为一个异源多倍体物种，其固有的基因组复杂性使得深入的基因组解析仍面临诸多挑战。首先，高水平的遗传杂合度和复杂的花生物学特性使得基因组测序和组装技术要求高、成本昂贵。其次，许多与抗逆性和代谢生物合成相关的功能基因的表达调控网络仍不清晰。再者，桑树的染色体数目（2n= 28 或 14）仍存在争议，这为其遗传进化和分子育种研究带来了新的挑战。最后，桑树基因组数据的公共共享仍然有限，各国和地区间研究技术与资源分布不均，也制约了研究的深度和广度。
2. 未来研究方向
2.1. 整合多组学分析
构建高质量桑树参考基因组、进行线粒体和叶绿体基因组分析、全基因组识别基因家族、比较基因组学、群体重测序和泛基因组分析等技术的整合，可以更全面地理解桑树遗传改良和分子育种。然而，多组学整合在桑树研究中仍处于起步阶段，面临基因组组装与多倍体解析困难、跨组学数据整合瓶颈、遗传转化效率低且基因型依赖性强，以及环境胁迫响应复杂性等挑战。需要端粒到端粒（T2T）基因组组装、单倍型分辨测序等先进技术，以及发展不依赖基因型的再生策略来应对。
2.2. 桑树资源的多元化利用
识别桑树抗逆基因和调控通路，进而培育耐逆品种，对于提高其对低温、干旱、水涝等非生物胁迫的耐受性至关重要。桑树各部位都具有极高的利用价值：桑叶蛋白质含量高，可开发为优质饲料和功能性食品（如桑叶茶）；桑果可加工成酒、果汁等产品；桑枝可作为栽培食药用菌的基质，其内含的类黄酮等成分具有显著抗氧化活性，对糖尿病及其并发症有良好疗效；桑白皮（Sangbaipi）则具有降血糖、抗炎、抗氧化、抗肿瘤等多种药理活性。系统发掘和利用桑树不同器官的生物潜力，对推动相关医药产品开发和公共卫生事业具有重要意义。
桑树原产于中国青藏高原雅鲁藏布江流域，对环境具有极强的耐受性。通过基因工程选育和改良优良桑树品种，用于高海拔和生态脆弱地区，在生态恢复和可持续土地管理方面具有巨大潜力。
历史上，“桑基鱼塘”是循环农业的经典模式。在此基础上，可建立“桑-蚕-菌-肥-桑”的现代桑产业循环发展模型。该模型整合了桑树分子育种、资源利用和生态循环，为资源高效利用、高值化产品开发和生态修复提供了一个可持续框架，在现代桑产业中具有大规模应用的潜力。
结论
桑树基因组学的最新进展显著提高了育种效率和精准度，并为向循环生物经济转型和脆弱生态系统恢复提供了重要的技术支撑。然而，与水稻、大豆等主要作物相比，桑树基因的功能解析仍然有限。未来的研究应侧重于构建高质量的桑树基因组，识别群体间的结构变异（SVs），阐明多倍体桑树中的等位基因剂量效应，以支持更精确的基因组编辑。将现代育种技术与基因组选择（GS）相结合，可进一步缩短育种周期，提高选择效率。应用系统生物学方法研究“桑-蚕-菌-肥-桑”互作模型，结合多组学策略，将加速桑树研究进程，为桑产业的可持续发展做出贡献。
