山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院首次在國際頂刊《Nature》刊發(fā)研究成果

　　11月14日，蔬菜所呂宏君博士以共同第一作者在國際頂刊《Nature》（IF=50.5）上發(fā)表了題為“Releasing a sugar brake generates sweeter tomato without yield penalty”的研究文章。

 

　　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。現(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?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育種家努力追求的目標(biāo)。

 

　　該研究通過全基因組關(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。

 

 

　　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)成熟過程中，糖含量并不會持續(xù)增加，尤其在果實(shí)轉(zhuǎn)色后，糖含量反而會有些許的降低，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(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。

 

　　“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(gè)12個(gè)堿基的插入可被轉(zhuǎn)錄抑制因子RAV識別。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。

 

　　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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(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(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，還可通過干擾CDPK26對SUS3的磷酸化來保護(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?；蚬δ苋哂喱F(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(shí)現(xiàn)更好的作物遺傳改良的效果。

 

　　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)歷過臺風(fēng)的洗禮，疫情的影響，實(shí)驗(yàn)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(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。

 

　　中國農(nóng)科院蔬菜花卉所張金喆副研究員、我院蔬菜所呂宏君助理研究員、中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)基因組所博士后陳潔為文章共同第一作者，黃三文院士為文章的通訊作者。該研究得到了蔬菜生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。2016年，黃三文院士受聘為我院蔬菜所泰山學(xué)者特聘專家（2016-2020），2017年呂宏君博士與黃三文院士團(tuán)隊(duì)在番茄品質(zhì)遺傳改良方面聯(lián)合開展科研攻關(guān)。該文章的發(fā)表是雙方多年合作取得的重大進(jìn)展，為我院下一步開展對外合作提供了良好典范。

 

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