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(ài)?，F(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(lái)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(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（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所和山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所聯(lián)合在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然（Nature）》上發(fā)表了題為“Releasing a sugar brake generates sweeter tomato without yield penalty”的研究論文。該研究通過(guò)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(guò)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,，該研究成果闡明了果實(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,。

一對(duì)抑制果實(shí)糖分積累的“剎車”基因

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(guò)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(guò)蔗糖合酶（Sucrose synthase,，SUS）、轉(zhuǎn)化酶（Invertase）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(guò)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(guò)程中表達(dá)量不斷提高,，可通過(guò)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(méi)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,。

CDPK27和CDPK26抑制糖分積累

CDPK27和CDPK26磷酸化SUS3促進(jìn)其降解

“量”的選擇導(dǎo)致“質(zhì)”的降低

該研究進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，高糖型番茄中CDPK27的表達(dá)量普遍偏低,，且啟動(dòng)子區(qū)域有一個(gè)12個(gè)堿基的插入可被轉(zhuǎn)錄抑制因子RAV識(shí)別,。然而，該12個(gè)堿基的插入位點(diǎn)與小果基因型位點(diǎn)高度連鎖,，在番茄馴化和改良過(guò)程中,，由于過(guò)多選擇了大果基因型，從而導(dǎo)致高糖位點(diǎn)的頻率從野生番茄中的58.3%下降到現(xiàn)代大果番茄中的2.6%,，揭示了現(xiàn)代番茄品種風(fēng)味降低的直接原因,。

能量“再分配”助力品質(zhì)提升

開(kāi)花植物的成功很大程度取決于產(chǎn)生健壯的種子。番茄果實(shí)在成熟過(guò)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(guò)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,。然而，番茄種子在果實(shí)轉(zhuǎn)色期后就已成熟,，后期不需要過(guò)多的能量供應(yīng),。研究表明CDPK27/26基因編輯的植株光合效率基本沒(méi)有變化，種子大小和數(shù)量卻受到了不同程度的影響,，但發(fā)芽率正常,，說(shuō)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(guò)操控種子數(shù)量和大小提高果實(shí)含糖量提供了新的解決方案,。

CDPK27和CDPK26調(diào)控種子發(fā)育

基因編輯開(kāi)辟育種“新賽道”

遺傳變異是作物改良的驅(qū)動(dòng)力,，野生番茄中的自然變異已被廣泛應(yīng)用于番茄改良。然而,，自然突變相對(duì)有限,，該研究通過(guò)基因編輯創(chuàng)制了一份缺失6個(gè)堿基的突變體MM-CDPK27-CR1，CDPK27-CR1蛋白由于缺失了與ATP結(jié)合的兩個(gè)關(guān)鍵氨基酸,，使得其自身的激酶活性受到很大影響,，不僅自身不能磷酸化蔗糖合酶SUS3，還可通過(guò)干擾CDPK26對(duì)SUS3的磷酸化來(lái)保護(hù)SUS3蛋白不被降解,，從而實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)突變CDPK27基因更好地提高果實(shí)含糖量的效果,。基因功能冗余現(xiàn)象在植物中非常常見(jiàn),，通過(guò)基因編輯技術(shù)創(chuàng)制目標(biāo)基因更多的優(yōu)異等位基因,，將有可能通過(guò)顯性負(fù)效應(yīng)的作用來(lái)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的效果,。

CDPK27工作模型

扎根田地書(shū)寫(xiě)科研夢(mèng)想

據(jù)了解,，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。期間經(jīng)歷過(guò)臺(tái)風(fēng)的洗禮,，疫情的影響,，實(shí)驗(yàn)室被迫停擺，田間材料無(wú)法調(diào)查等諸多困難,。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,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也得到了審稿人的充分肯定。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）研究員,、中國(guó)科學(xué)院院士黃三文是文章的通訊作者,，中國(guó)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,。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)Harry Klee教授、康奈爾大學(xué)費(fèi)章君教授,、基因組所（大鵬灣實(shí)驗(yàn)室）周永鋒研究員對(duì)這項(xiàng)研究提出了寶貴的指導(dǎo)?；蚪M所（大鵬灣實(shí)驗(yàn)室）杜然副研究員,、王楠博士、曹雪博士,、饒江雷博士,、博士生王潔、高級(jí)農(nóng)藝師呂亞清,、王艷玲博士參與了此研究,。云南師范大學(xué)祝光濤教授、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)馬亮研究員,、林濤教授,、中科院植物所周姚研究員、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院鐘葵副研究員對(duì)本研究提供了支持,。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助,。