番茄是世界上產值最高的蔬菜作物，因風味獨特深受喜愛。然而今天的消費者常常抱怨“番茄越來越沒有番茄味了”。
“糖含量是風味的首要因素，但是糖含量與果實大小負相關，產量和品質是一對矛盾，現有番茄商業品種，尤其是大果番茄中糖含量普遍偏低。”中國科學院院士、中國農業科學院研究員黃三文說，如何在不影響番茄產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。
11月14日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所、蔬菜花卉研究所及山東省農業科學院蔬菜研究所聯合在《自然》發表論文，通過全基因組關聯分析，鑒定到一個抑制果實糖積累的剎車基因CDPK27及其同源基因CDPK26。基因編輯這兩個基因，可使番茄果實糖含量增加30%，且不影響單果重和單株產量。
《自然》同期配發了美國加利福尼亞大學伯克利分校教授Patrick Shih和博士后Amy Lanctot的評論，認為該研究為理解果實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》論文的延續性研究
2017年，黃三文團隊聯合美國科學院院士、佛羅里達大學教授Harry Klee在《科學》發表論文。他們發現了番茄中影響31種風味物質的49個關鍵位點。其中兩個位點和番茄的糖含量相關、5個和酸含量相關。
當時找到了遺傳位點，但沒有克隆到相關基因。黃三文深知，這僅是解決番茄風味問題的第一步。
“我們關注的是蔬菜品質問題，而番茄的品質問題主要就是風味。”論文通訊作者黃三文說，風味這種性狀看不見、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，大多數消費者更喜歡偏甜的番茄。“人類對于甜味的喜好是刻在基因里的。”黃三文說，找到控制糖含量的基因，是解決番茄風味問題首先要攻克的難關。
番茄果實中的糖主要以果糖和葡萄糖的形式積累。在果實成熟過程中，葉片光合作用的產物不斷以蔗糖形式運輸至果實，再通過蔗糖合酶、轉化酶等分解為果糖和葡萄糖，從而不斷積累果實糖分。
“在果實成熟過程中，糖含量并不會持續增加，尤其在果實轉色后，反而會有些許降低。”論文第一作者、中國農業科學院蔬菜花卉研究所副研究員張金喆說，抑制果實糖分積累的分子機制尚不清楚。
《科學》論文的線索需要繼續跟進。為了拿到準確的田間數據，研究團隊先后在北京、山東、廣東等地廣泛種植番茄材料，連續5年調查了近3000株共計2萬余個番茄果實的表型。
魚和熊掌可以兼得
利用基因編輯技術，研究團隊共獲得了3個突變體。
“當時我們發現，候選基因CDPK27的3個突變體中糖含量比對照組更高。”黃三文猜測這可能就是他們要尋找的目標基因。
他們后來發現，CDPK27基因在番茄果實成熟過程中表達量不斷提高，可以通過磷酸化蔗糖合酶SUS3促進其降解，從而抑制葡萄糖和果糖在果實中積累。
2022年，團隊完成論文初稿，并投給《科學》。評審專家認為，現有研究數據不能解釋1號突變體上產生更高糖含量的原因，因此拒收他們的論文。
“那段時間是崩潰的。”張金喆一方面覺得挺好的研究成果“被拒”有點可惜，另一方面又覺得評審意見有道理，工作做得還不夠細致。
通過研究，他們發現，1號突變體中的CDPK27缺失了6個堿基，喪失了與ATP結合的兩個關鍵氨基酸，使自身的激酶活性受到很大影響。
接下來，他們找到一個和CDPK27進化關系最近的基因CDPK26。CDPK26也能像CDPK27那樣通過磷酸化蔗糖合酶SUS3促進其降解，從而抑制葡萄糖和果糖在果實中積累。
張金喆解釋說，在2號突變體中，CDPK27發生了突變，完全喪失了功能，但CDPK26還能繼續工作，對糖積累的剎車作用還存在；而在1號突變體中，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SUS3的磷酸化，保護SUS3蛋白不被降解，從而實現比傳統突變更好地提高果實糖含量的效果——可提高葡萄糖含量35%、果糖含量30%。
也就是說，1號突變體中的優異等位基因“不僅管自己，還管別人”，讓兩個剎車基因同時失效，于是番茄變得更甜了。
這個發現讓他們非常激動。“這是一種新的機制。”黃三文說，基因功能冗余現象在植物中很常見，通過基因編輯技術創制更多的優異等位基因，將有可能干擾其同源基因的功能，從而實現更好的作物遺傳改良效果。
研究團隊開始組織新實驗，從各種角度驗證雙剎車基因的功能。結果發現，雙突變體中，CDPK27/26基因編輯后的植株可顯著提高SUS3蛋白的穩定性，并使葡萄糖和果糖含量進一步提升。
更重要的是，果實大小和單株產量沒有顯著變化。
“過去育種家認為產量和品質是育種上的一對矛盾。產量高了，品質就會下降，或者產量高了，抗性就會下降。”黃三文告訴《中國科學報》，他們這項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調控基因，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驗數據，發現高糖型番茄中CDPK27的表達量普遍偏低。
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，從而導致高糖位點的頻率從野生番茄的58.3%下降到現代大果番茄的2.6%。
“野生番茄都是小果，糖含量很高。而現代番茄經過馴化，糖含量大大下降。”論文共同第一作者、山東省農業科學院蔬菜研究所助理研究員呂宏君說，這項工作揭示了現代番茄品種風味降低的直接原因。
論文作者、現任職于中國農業科學院深圳農業基因組研究所的Klee則提出了另一個問題：果實重量不變的情況下，糖含量增加的來源是什么，也就是說糖從哪里來？
黃三文認為，番茄果實在成熟過程中首先要保障種子有足夠的能量供應，CDPK27/26在果實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育。
他們發現，突變體中的番茄種子數量減少、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系，但是二者互相關聯。”論文共同第一作者、中國農業科學院農業基因組研究所博士后陳潔說，番茄種子在果實轉色期后就已成熟，后期不需要過多能量供應。進一步實驗發現，突變體的種子萌發率沒有顯著變化。
他們又測算了CDPK27/26基因編輯植株的光合效率，發現基本沒有變化。“這說明光合產物在果實和種子間可能發生了重新分配，為通過操控種子數量和大小提高果實糖含量提供了新的解決方案。”黃三文說。
進一步研究發現，CDPK這個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》，審稿人對他們的工作表示了高度肯定。
中國科學院院士、中國科學院植物研究所研究員種康認為，這項工作通過對數量性狀的分析，找到了一個控制品質的核心基因及優異的等位變異，有眼前一亮的感覺。
中國科學院院士、清華大學教授謝道昕說，下一步可以和育種家合作，讓基礎研究的重大突破為社會重大需求創造更大的經濟效益。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08186-2
