中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所等通過多重基因編輯實(shí)現(xiàn)番茄果色的快速定制

　　水果和蔬菜的顏色是園藝作物重要的外觀品質(zhì)。五彩繽紛的顏色不僅給人以美的視覺享受，而且影響消費(fèi)的購買欲望。以全球產(chǎn)量最高的蔬菜作物番茄為例，我國南方的消費(fèi)者喜歡紅果番茄，而北方的消費(fèi)者則更鐘情于粉果番茄。深入研究果蔬顏色形成的分子調(diào)控機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上利用新興生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)果蔬顏色的快速定制，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

 

　　中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李傳友團(tuán)隊(duì)長期致力于番茄功能基因組學(xué)，在番茄果色調(diào)控機(jī)理與分子設(shè)計育種方面取得了一系列進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)揭示了栽培番茄不含花青素的機(jī)理，創(chuàng)制出果肉中富含花青素的營養(yǎng)保健紫番茄（Sun et al., 2020, Molecular Plant）；合作分離了番茄橙色果決定基因（Zhou et al., 2022, Horticulture Research）；提出了利用基因編輯技術(shù)從優(yōu)良紅果番茄雜交種定向快速創(chuàng)制粉果番茄雜交種的方法（Deng et al., 2018, Journal of Genetics and Genomics; Yang et al., 2019, Journal of Genetics and Genomics）。

 

　　近日，該團(tuán)隊(duì)等以Recoloring tomato fruit by CRISPR/Cas9-mediated multiplex gene editing為題在Horticulture Research上發(fā)表研究，提出了一種利用多重基因編輯技術(shù)以紅果番茄材料為底盤材料，快速定向創(chuàng)制七種不同果色番茄材料的策略。

 

　　番茄果實(shí)的顏色主要由類胡蘿卜素、類黃酮和葉綠素等色素決定。隨著果實(shí)的成熟，紅果材料的果肉中積累類胡蘿卜素（主要為番茄紅素），而果皮中則積累類黃酮（主要為柚皮素查爾酮），與之相伴隨的是葉綠素的迅速降解?；诖耍撗芯坷枚嘀鼗蚓庉嬒到y(tǒng)靶向敲除了紅果番茄中控制三類色素合成或代謝的關(guān)鍵基因，包括番茄紅素合成限速酶基因PSY1、類黃酮合成關(guān)鍵調(diào)控基因MYB12和葉綠素降解限速酶基因SGR1，獲得了純合的三重突變體（psy1 myb12 sgr1）。三重突變體的果實(shí)在成熟過程中不能合成番茄紅素和柚皮素查爾酮，其葉綠素又不能被正常降解，因而呈現(xiàn)出綠色。隨后，將三重突變體與紅果底盤材料進(jìn)行回交，篩選出不含外源DNA片段的BC1F1單株進(jìn)行自交構(gòu)建BC1F2分離群體。研究通過對BC1F2分離群體的分子鑒定，獲得了不同基因型、不同果色的番茄材料，包括野生型（紅色）、psy1單突體（橙色）、myb12單突體（粉果）、sgr1單突變體（棕色）、psy1 myb12雙突變體（黃色）、myb12 sgr1雙突變體（紅紫色）、psy1 sgr1雙突變體（黃綠色）和psy1 myb12 sgr1三重突變體（綠色）材料。進(jìn)一步的研究表明，除果色相關(guān)性狀外，該策略對單果重、單株產(chǎn)量、果實(shí)可溶性固形物含量和維生素C含量等性狀沒有影響。

 

　　與常規(guī)回交轉(zhuǎn)育相比，該策略具有省時省力、一步到位、不引起連鎖累贅、不影響其他農(nóng)藝性狀等優(yōu)勢。該策略很容易復(fù)制推廣到其他蔬菜、水果和花卉等園藝作物中，而且對其他多基因控制性狀的遺傳改良具有借鑒作用。