2023年4月19日
在口口相传的民间智慧里，有这么一句话：在汽车油箱里加入糖会导致汽车损坏。事实上，在最新的技术加持下，只需要几个额外的步骤就可以将甘蔗转化为乙醇——一种清洁能源，可用于替代传统化石燃料。
甘蔗是一种热带草本植物，与竹子、小麦、玉米和水稻属于同一科。我们食物中四分之三的蔗糖来自甘蔗（其余来自甜菜），甘蔗广泛种植于全球80多个国家和地区，按重量计算，甘蔗作物的收获量已超过其他任何作物。甘蔗能够以几乎无可比拟的效率将太阳能转化为化学能，在其生长过程中能够从大气中吸收大量二氧化碳，如果在收获和提炼甘蔗的过程中采用低碳排放的方法，那么，由甘蔗制成的生物燃料，还可以发挥碳中和的作用。
最初的甘蔗品种口感平淡。原始的两个野生物种——生长于印度的甜根子草（Saccharum spontaneum）和新几内亚的甘蔗（Saccharum officinarum）都有局限性：前者的茎秆很细，后者的蔗糖产量很低。几千年来，人类有选择性地培育甘蔗，以至于20世纪初种植的甘蔗被视为一种全新的作物，但其实是由这两个野生物种杂交而来的。
这种“高品质”甘蔗的粗壮茎秆中含有丰富的蔗糖，但其遗传多样性很低，极易被来自生命树几乎所有分支的病虫害侵害：甘蔗坏死黄叶病毒，矮化病病原菌Leifsonia xyli xyli，黑穗病病原真菌孢子，以及一种取食习性独特的蛾类幼虫，人们称之为“甘蔗螟”。
农民可以用杀虫剂来控制部分病虫害，但这只是权宜之计，并且会引发新的问题。经过多年的研究，人们将超甜的高品质甘蔗与更耐病的野生原种进行杂交，培育了一些更具韧性的甘蔗品种，但要同时兼顾两者的优点，则需要新一代科学技术的支持。
破解十倍体基因组
现在是遗传学家大显身手的时候了。几十年来，韦斯拉科德州农工农业生命研究与推广中心的甘蔗育种项目一直在培育能够专门种植于里奥格兰德河谷43,000英亩甘蔗田的品种。Jorge Da Silva是该大学土壤与作物科学系的教授，他在康奈尔大学获得了植物遗传育种的博士学位，在来到孤星州（得克萨斯州）之前的14年间，他一直在巴西皮拉西卡巴的Copersucar技术中心担任研究科学家。
农工农业生命研究院找不到比他更合适的人选了。从甘蔗中提取的生物乙醇占巴西总能源供应的17%；该国的糖和乙醇出口量仅次于美国；而CTC Copersucar是该国最大的糖和乙醇生产商。Da Silva的职业生涯一直致力于为这种重要作物寻找最佳基因。
他说：“我热爱有机农业。在孩童时期我学习了农学知识，那时我有一个简单的愿望，那就是在不使用各种有毒化学品的情况下生产粮食作物。我意识到，遗传学将是减少化学品使用量的最有力工具，只需通过育种选择具有抗虫害、抗微生物、抗疾病特性的品种。”他还在寻找提供耐寒性的基因，因为德克萨斯州离赤道的距离比其他甘蔗种植区更远。“想象一下，如果我们能将甘蔗种植扩展到美国其他温度较低的地区。就可能对该行业带来重大影响。”
寻找这些基因并非易事，部分原因在于甘蔗的基因组异常庞大。人类每条染色体都有两个拷贝，因此我们的基因组是“二倍体”。植物拷贝数量通常超过两个，它们的基因组是“多倍体”。Da Silva解释道：“马铃薯每条染色体有四个拷贝，小麦有六个，甘蔗则有十个。”根据物种和品种的不同，甘蔗染色体总数介于52到117之间。如果说人类基因组像一部小说，那么十倍体的甘蔗基因组就像是未删节的《牛津英语词典》。 “它是世界上最大的基因组之一。对科学家来说，测序全部的甘蔗染色体是一项巨大的挑战。”
事实证明，试图从非食用野生甘蔗上复制其惊人的生长能力和耐久性也会带来一些复杂的问题。“在这个国家，甘蔗细茎野生种（S. spontaneum）被视为一种有害的杂草。这种甘蔗非常具有侵略性，因此种植它是违法的。其为入侵物种，会变得难以控制。为了进行相关研究，我必须从美国农业部获得许可，并且仍然面临诸多限制。每年在使用这种甘蔗后，我都必须烧毁全部植株，以防止扩散传播。”
但多年的艰苦研究逐步取得成果。Da Silva在韦斯拉科的研究比较了几种不同基因型的甘蔗在经历了90天干旱周期后的叶绿素含量、叶片温度和相对含水量，生成了大量数据以研究实际表达和控制这些性状的基因。他们已经与国际甘蔗技术协会共享这些作物的遗传样本（种质），美国政府最近为Da Silva的项目提供了一笔资助款项，让他们将研究重点转向“能源甘蔗”——专门用来生产生物乙醇的甘蔗。
食物与燃料
如果一种作物既可以用于食品也可以用于燃料，您将如何决定优先用途？虽然化石燃料替代品的市场需求旺盛，且其中蕴含巨大的经济潜力，但制造生物燃料是否意味着使一些人失去食物来源，并可能推高食品价格？
在这种情况下，如果我们以正确的方式加工甘蔗，就能既确保食物来源，又能兼顾燃料需求。
为了从收获的植物中获得食用糖，糖厂工人首先用高压辊磨机压碎茎秆，挤出富含蔗糖的汁液。然后，他们将汁液煮沸以去除水分，并在离心机中结晶出红色原糖。这种红糖可以在炼糖厂重新结晶成白糖，也可以发酵生产生物乙醇。这种“第一代”生物燃料直接来自于一种原本可消费的食品。
但是，那些剩下的脱水甘蔗碎茎怎么办？传统上，它们会被直接烧掉以提供热量，并通过蒸汽动力发电为糖厂提供电力。但是，如果在无氧环境中加热这种“木质纤维素甘蔗渣”，会发生一些有趣的现象：它不会燃烧，而是进行热分解（热解），将木质素从纤维素中分离出来。然后，可以燃烧木质素为糖厂提供电力，而纤维素可以发酵成生物乙醇，无需消耗任何食物。
虽然这条路径有其自身的技术瓶颈，也尚未具备经济可行性，但它是推动绿色燃料发展的重要实践。这种木质纤维素材料也可以加工成复合形式的聚乙烯和聚丙烯——事实上，因美纳新型、先进的测序系统NovaSeq X和NovaSeq X Plus在其试剂盒中使用了从甘蔗中提取的生物聚合物，因此使用后可以再次回收利用。
这种具有多种用途，但易受多种环境威胁的植物，最终会使育种者面临多方面的挑战。Da Silva说：“我们试图将生物胁迫（如病虫害）相关的抗性基因进行基因累加，但除了非生物胁迫（如干旱和寒冷）相关的抗性基因之外，这很难实现。我们还希望提高产量，同时提高含糖量。”
最终，有一种因素将影响Da Silva这样的育种计划的可行性和方向。“第一次来到德克萨斯州时，我询问了一位当地的甘蔗种植者，‘您希望新品种拥有哪些更重要的特性？’您知道他怎么说吗？‘帮助我赚更多钱。’无论我们的育种方向如何，只要能增加种植者的收入，他们都会热烈欢迎。”
获得足够的投资之后，新一代测序有望培育出抗病性极强的“瑞士军刀”甘蔗，为种植者节省原本的杀虫剂成本，扩大可种植范围，最重要的是为子孙后代提供食物和燃料的双重用途。
深入了解因美纳如何将可持续解决方案整合到价值链中，并通过因美纳农业基因组资助项目来支持研究更加可持续的食品供应 。
