番茄是世界上產(chǎn)值最高的蔬菜作物，因其風(fēng)味獨(dú)特而深受消費(fèi)者喜愛。現(xiàn)代番茄育種關(guān)注產(chǎn)量和抗病性，風(fēng)味育種缺乏有效的方法，引起消費(fèi)者抱怨“番茄越來越?jīng)]有番茄味了”。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。然而，因?yàn)樘呛颗c果實(shí)大小呈負(fù)相關(guān)，產(chǎn)量和品質(zhì)是一個(gè)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。因此，如何在保障不影響番茄產(chǎn)量的前提下，培育美味的番茄品種是各國育種家努力追求的目標(biāo)。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所、深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所及國內(nèi)科研單位合作，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，通過基因編輯兩個(gè)基因，可使番茄果實(shí)糖含量增加高達(dá)30%，且不影響單果重和單株產(chǎn)量，該發(fā)現(xiàn)闡明了果實(shí)糖積累的調(diào)控機(jī)制，為解決番茄育種中兼顧品質(zhì)和產(chǎn)量的難題提供了新思路。相關(guān)研究成果于11月14日發(fā)表在國際期刊《自然》（Nature）上。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因研究組所黃三文院士為文章的通訊作者，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所張金喆副研究員、山東省農(nóng)科院蔬菜所呂宏君助理研究員、基因組所博士后陳潔為文章共同第一作者。
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)物不斷地以蔗糖形式運(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，從而使果實(shí)糖分不斷積累。然而，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，糖含量反而會(huì)有些許的降低，但是，抑制果實(shí)糖分積累的分子機(jī)制尚不清楚。該研究發(fā)現(xiàn)，CDPK27/26在果實(shí)成熟過程中表達(dá)量不斷提高，可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)中的積累。CDPK27/26基因編輯后的植株可顯著提高SUS3蛋白的穩(wěn)定性，并將葡萄糖和果糖含量提高30%以上，且果實(shí)大小和單株產(chǎn)量沒有顯著變化，成功解決了提高果實(shí)糖含量但不影響果實(shí)大小的育種難題。
據(jù)介紹，該項(xiàng)目從2017年立項(xiàng)之初就瞄準(zhǔn)解決在不影響單果重的前提下提高果實(shí)糖含量的育種難題。為挖掘和鑒定抑制果實(shí)糖積累的剎車基因，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，調(diào)查了近3000株，共計(jì)20000余個(gè)番茄果實(shí)的表型。為了拿到準(zhǔn)確的田間數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)成員連續(xù)收集了5年分別種植在北京、山東、廣東三地材料的表型數(shù)據(jù)，最終確定了CDPK27/26作為糖積累“剎車基因”的功能。
