中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所、農(nóng)業(yè)基因組研究所及山東省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所聯(lián)合發(fā)現(xiàn)“糖剎車”基因

　　番茄是世界上產(chǎn)值最高的蔬菜作物，因其風味獨特而深受消費者喜愛?，F(xiàn)代番茄育種關注產(chǎn)量和抗病性，風味育種缺乏有效的方法，引起消費者抱怨“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)消費者更喜歡偏甜的番茄。然而，因為糖含量與果實大小呈負相關，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。

 

　　近日，中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所、農(nóng)業(yè)基因組研究所以及山東省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所聯(lián)合在國際頂級期刊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30%，且不影響單果重和單株產(chǎn)量，該發(fā)現(xiàn)闡明了果實糖積累的調(diào)控機制，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。

 

 

　　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制尚不清楚。該研究發(fā)現(xiàn)，CDPK27/26在果實成熟過程中表達量不斷提高，可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。

 

 

　　該研究進一步分析發(fā)現(xiàn)，高糖型番茄中CDPK27的表達量普遍偏低，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個堿基的插入位點與小果基因型位點高度連鎖，在番茄馴化和改良過程中，由于過多選擇了大果基因型，從而導致高糖位點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)代番茄品種風味降低的直接原因。

 

 

　　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，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。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。

 

 

　　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?；蚬δ苋哂喱F(xiàn)象在植物中非常常見，通過基因編輯技術創(chuàng)制目標基因更多的優(yōu)異等位基因，將有可能通過顯性負效應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。

 

　　據(jù)了解，該項目從2017年立項之初就瞄準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。為了拿到準確的田間數(shù)據(jù)，團隊成員連續(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)科學院蔬菜花卉所蔬菜生物育種全國重點實驗室為文章的第一完成單位， 中國農(nóng)業(yè)科學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，黃三文院士作為文章的通訊作者，美國佛羅里達大學Harry Klee教授、康奈爾大學費章君教授對本研究提供了支持。該研究得到了蔬菜生物育種全國重點實驗室、國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、廣東省重點領域研發(fā)計劃和中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程等項目的資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08186-2