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?，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，因為糖含量與果實大小呈負(fù)相關(guān),，產(chǎn)量和品質(zhì)是一個矛盾,，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),。

11月14日,，中國農(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)廣東省實驗室深圳分中心）、中國農(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)合在國際頂級期刊《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,。該研究通過全基因組關(guān)聯(lián)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,，通過基因編輯兩個基因，可使番茄果實糖含量增加高達(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,。

一對抑制果實糖分積累的“剎車”基因

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(chǎn)物不斷地以蔗糖形式運(yùn)輸至果實,，再通過蔗糖合酶（Sucrose synthase,，SUS）、轉(zhuǎn)化酶（Invertase）等分解為果糖和葡萄糖,，從而使果實糖分不斷積累,。然而，在果實成熟過程中,，糖含量并不會持續(xù)增加,，尤其在果實轉(zhuǎn)色后，糖含量反而會有些許的降低,，但是,，抑制果實糖分積累的分子機(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，且果實大小和單株產(chǎn)量沒有顯著變化,，成功解決了提高果實糖含量但不影響果實大小的育種難題,。

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,，且啟動子區(qū)域有一個12個堿基的插入可被轉(zhuǎn)錄抑制因子RAV識別,。然而，該12個堿基的插入位點(diǎn)與小果基因型位點(diǎn)高度連鎖,，在番茄馴化和改良過程中,，由于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。然而,，番茄種子在果實轉(zhuǎn)色期后就已成熟,，后期不需要過多的能量供應(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，說明光合產(chǎn)物在果實和種子間可能發(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

基因編輯開辟育種“新賽道”

遺傳變異是作物改良的驅(qū)動力，野生番茄中的自然變異已被廣泛應(yīng)用于番茄改良,。然而,，自然突變相對有限，該研究通過基因編輯創(chuàng)制了一份缺失6個堿基的突變體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,，還可通過干擾CDPK26對SUS3的磷酸化來保護(hù)SUS3蛋白不被降解,，從而實現(xiàn)了比傳統(tǒng)突變CDPK27基因更好地提高果實含糖量的效果,。基因功能冗余現(xiàn)象在植物中非常常見,，通過基因編輯技術(shù)創(chuàng)制目標(biāo)基因更多的優(yōu)異等位基因,，將有可能通過顯性負(fù)效應(yīng)的作用來干擾其同源基因的功能，從而實現(xiàn)更好的作物遺傳改良的效果,。

CDPK27工作模型

扎根田地書寫科研夢想

據(jù)了解,，該項目從2017年立項之初就瞄準(zhǔn)解決在不影響單果重的前提下提高果實糖含量的育種難題。為挖掘和鑒定抑制果實糖積累的剎車基因,，研究團(tuán)隊先后在北京,、山東、廣東等地廣泛種植番茄材料,，調(diào)查了近3000株,，共計20000余個番茄果實的表型。期間經(jīng)歷過臺風(fēng)的洗禮,，疫情的影響,，實驗室被迫停擺，田間材料無法調(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，實驗結(jié)果也得到了審稿人的充分肯定,。

中國農(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)廣東省實驗室深圳分中心）研究員,、中國科學(xué)院院士黃三文是文章的通訊作者，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。美國佛羅里達(dá)大學(xué)Harry Klee教授,、康奈爾大學(xué)費(fèi)章君教授,、基因組所（大鵬灣實驗室）周永鋒研究員對這項研究提出了寶貴的指導(dǎo)?；蚪M所（大鵬灣實驗室）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,、中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院鐘葵副研究員對本研究提供了支持。該研究得到了國家自然科學(xué)基金,、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃,、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項目的資助。