2024-11-15 10:31:13
番茄是世界上產(chǎn)值最高的蔬菜作物，因風(fēng)味獨(dú)特深受喜愛。然而今天的消費(fèi)者常常抱怨“番茄越來越?jīng)]有番茄味了”。
“糖含量是風(fēng)味的首要因素，但是糖含量與果實(shí)大小負(fù)相關(guān)，產(chǎn)量和品質(zhì)是一對(duì)矛盾，現(xiàn)有番茄商業(yè)品種，尤其是大果番茄中糖含量普遍偏低?！?中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究員黃三文說，如何在不影響番茄產(chǎn)量的前提下培育美味的番茄品種，是各國(guó)育種家努力追求的目標(biāo)。
11月14日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所、蔬菜花卉研究所及山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所聯(lián)合在《自然》發(fā)表論文，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，鑒定到一個(gè)抑制果實(shí)糖積累的剎車基因CDPK27及其同源基因CDPK26。基因編輯這兩個(gè)基因，可使番茄果實(shí)糖含量增加30%，且不影響單果重和單株產(chǎn)量。
《自然》同期配發(fā)了美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校教授Patrick Shih和博士后Amy Lanctot的評(píng)論，認(rèn)為該研究為理解果實(shí)能量分配邁出了令人興奮的一步，將為作物改良提供借鑒。
育種家培育的美味番茄新品種。受訪者供圖
《科學(xué)》論文的延續(xù)性研究
2017年，黃三文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)科學(xué)院院士、佛羅里達(dá)大學(xué)教授Harry Klee在《科學(xué)》發(fā)表論文。他們發(fā)現(xiàn)了番茄中影響31種風(fēng)味物質(zhì)的49個(gè)關(guān)鍵位點(diǎn)。其中兩個(gè)位點(diǎn)和番茄的糖含量相關(guān)、5個(gè)和酸含量相關(guān)。
當(dāng)時(shí)找到了遺傳位點(diǎn)，但沒有克隆到相關(guān)基因。黃三文深知，這僅是解決番茄風(fēng)味問題的第一步。
“我們關(guān)注的是蔬菜品質(zhì)問題，而番茄的品質(zhì)問題主要就是風(fēng)味?！闭撐耐ㄓ嵶髡唿S三文說，風(fēng)味這種性狀看不見、摸不著，難以衡量，在育種過程中缺乏有效遴選手段。
糖含量是影響番茄口感的重要因素，大多數(shù)消費(fèi)者更喜歡偏甜的番茄?！叭祟悓?duì)于甜味的喜好是刻在基因里的?！秉S三文說，找到控制糖含量的基因，是解決番茄風(fēng)味問題首先要攻克的難關(guān)。
番茄果實(shí)中的糖主要以果糖和葡萄糖的形式積累。在果實(shí)成熟過程中，葉片光合作用的產(chǎn)物不斷以蔗糖形式運(yùn)輸至果實(shí)，再通過蔗糖合酶、轉(zhuǎn)化酶等分解為果糖和葡萄糖，從而不斷積累果實(shí)糖分。
“在果實(shí)成熟過程中，糖含量并不會(huì)持續(xù)增加，尤其在果實(shí)轉(zhuǎn)色后，反而會(huì)有些許降低?！闭撐牡谝蛔髡?、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所副研究員張金喆說，抑制果實(shí)糖分積累的分子機(jī)制尚不清楚。
《科學(xué)》論文的線索需要繼續(xù)跟進(jìn)。為了拿到準(zhǔn)確的田間數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)先后在北京、山東、廣東等地廣泛種植番茄材料，連續(xù)5年調(diào)查了近3000株共計(jì)2萬(wàn)余個(gè)番茄果實(shí)的表型。
魚和熊掌可以兼得
利用基因編輯技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)共獲得了3個(gè)突變體。
“當(dāng)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，候選基因CDPK27的3個(gè)突變體中糖含量比對(duì)照組更高?！秉S三文猜測(cè)這可能就是他們要尋找的目標(biāo)基因。
他們后來發(fā)現(xiàn)，CDPK27基因在番茄果實(shí)成熟過程中表達(dá)量不斷提高，可以通過磷酸化蔗糖合酶SUS3促進(jìn)其降解，從而抑制葡萄糖和果糖在果實(shí)中積累。
2022年，團(tuán)隊(duì)完成論文初稿，并投給《科學(xué)》。評(píng)審專家認(rèn)為，現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)不能解釋1號(hào)突變體上產(chǎn)生更高糖含量的原因，因此拒收他們的論文。
“那段時(shí)間是崩潰的?！睆埥饐匆环矫嬗X得挺好的研究成果“被拒”有點(diǎn)可惜，另一方面又覺得評(píng)審意見有道理，工作做得還不夠細(xì)致。
通過研究，他們發(fā)現(xiàn)，1號(hào)突變體中的CDPK27缺失了6個(gè)堿基，喪失了與ATP結(jié)合的兩個(gè)關(guān)鍵氨基酸，使自身的激酶活性受到很大影響。
接下來，他們找到一個(gè)和CDPK27進(jìn)化關(guān)系最近的基因CDPK26。CDPK26也能像CDPK27那樣通過磷酸化蔗糖合酶SUS3促進(jìn)其降解，從而抑制葡萄糖和果糖在果實(shí)中積累。
張金喆解釋說，在2號(hào)突變體中，CDPK27發(fā)生了突變，完全喪失了功能，但CDPK26還能繼續(xù)工作，對(duì)糖積累的剎車作用還存在；而在1號(hào)突變體中，CDPK27的另一種基因型不僅自身不能磷酸化蔗糖合酶SUS3，還可通過干擾CDPK26對(duì)SUS3的磷酸化，保護(hù)SUS3蛋白不被降解，從而實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)突變更好地提高果實(shí)糖含量的效果——可提高葡萄糖含量35%、果糖含量30%。
也就是說，1號(hào)突變體中的優(yōu)異等位基因“不僅管自己，還管別人”，讓兩個(gè)剎車基因同時(shí)失效，于是番茄變得更甜了。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓他們非常激動(dòng)。“這是一種新的機(jī)制。”黃三文說，基因功能冗余現(xiàn)象在植物中很常見，通過基因編輯技術(shù)創(chuàng)制更多的優(yōu)異等位基因，將有可能干擾其同源基因的功能，從而實(shí)現(xiàn)更好的作物遺傳改良效果。
研究團(tuán)隊(duì)開始組織新實(shí)驗(yàn)，從各種角度驗(yàn)證雙剎車基因的功能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙突變體中，CDPK27/26基因編輯后的植株可顯著提高SUS3蛋白的穩(wěn)定性，并使葡萄糖和果糖含量進(jìn)一步提升。
更重要的是，果實(shí)大小和單株產(chǎn)量沒有顯著變化。
“過去育種家認(rèn)為產(chǎn)量和品質(zhì)是育種上的一對(duì)矛盾。產(chǎn)量高了，品質(zhì)就會(huì)下降，或者產(chǎn)量高了，抗性就會(huì)下降?！秉S三文告訴記者，他們這項(xiàng)研究為改變這種狀況提供了一條新思路，說明只要找到了相關(guān)調(diào)控基因，魚和熊掌可以兼得。
獲得《自然》審稿人肯定
投出論文之前，他們又審視了一遍實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)高糖型番茄中CDPK27的表達(dá)量普遍偏低。
在番茄馴化和改良過程中，由于人們過多選擇了大果基因型，從而導(dǎo)致高糖位點(diǎn)的頻率從野生番茄的58.3%下降到現(xiàn)代大果番茄的2.6%。
“野生番茄都是小果，糖含量很高。而現(xiàn)代番茄經(jīng)過馴化，糖含量大大下降?！闭撐墓餐谝蛔髡?、山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所助理研究員呂宏君說，這項(xiàng)工作揭示了現(xiàn)代番茄品種風(fēng)味降低的直接原因。
論文作者、現(xiàn)任職于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所的Klee則提出了另一個(gè)問題：果實(shí)重量不變的情況下，糖含量增加的來源是什么，也就是說糖從哪里來？
黃三文認(rèn)為，番茄果實(shí)在成熟過程中首先要保障種子有足夠的能量供應(yīng)，CDPK27/26在果實(shí)成熟過程中抑制糖分積累，很可能是為了確保種子后期的正常發(fā)育。
他們發(fā)現(xiàn)，突變體中的番茄種子數(shù)量減少、重量減少。“雖然我們還沒有證明種子的變化和果肉中糖含量變化是因果關(guān)系，但是二者互相關(guān)聯(lián)?！闭撐墓餐谝蛔髡?、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所博士后陳潔說，番茄種子在果實(shí)轉(zhuǎn)色期后就已成熟，后期不需要過多能量供應(yīng)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，突變體的種子萌發(fā)率沒有顯著變化。
他們又測(cè)算了CDPK27/26基因編輯植株的光合效率，發(fā)現(xiàn)基本沒有變化?！斑@說明光合產(chǎn)物在果實(shí)和種子間可能發(fā)生了重新分配，為通過操控種子數(shù)量和大小提高果實(shí)糖含量提供了新的解決方案?！秉S三文說。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CDPK這個(gè)家族的基因在所有植物中都是保守的，在蘋果和梨中也鑒定到它的同源蛋白。
這一次，他們投給了《自然》，審稿人對(duì)他們的工作表示了高度肯定。
中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員種康認(rèn)為，這項(xiàng)工作通過對(duì)數(shù)量性狀的分析，找到了一個(gè)控制品質(zhì)的核心基因及優(yōu)異的等位變異，有眼前一亮的感覺。
中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授謝道昕說，下一步可以和育種家合作，讓基礎(chǔ)研究的重大突破為社會(huì)重大需求創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。
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