中国农业科学院深圳分院CRISPR 编辑西红柿又大又甜！《自然》

只需编辑水果的两个基因，就可以种植出更甜的西红柿。根据一项研究，与大规模生产的西红柿相比，删除这些基因使工程水果的葡萄糖和果糖水平增加了 30%1今天在《自然》杂志上发表。

更好的是，经过基因编辑的西红柿的重量与现在出售的西红柿大致相同，而且植物结出的果实与现在的品种一样多。作者写道，这些发现不仅有助于改善全球西红柿，而且也是了解水果如何生产和储存糖分的重要一步。

这项研究“在其领域内外都意义重大”，巴黎法国国家农业研究所的水果生物学家克里斯托夫·罗森 （Christophe Rothan） 说，他没有参与这项研究。他说，它提高了“利用野生物种中存在的巨大遗传多样性的可能性，这些多样性在驯化品种中已经部分消失了，以改进现代品种”。

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全球每年生产超过 1.86 亿吨西红柿，使这种水果成为世界上最有价值的园艺作物之一。与其他作物一样，西红柿是通过选择反映人类偏好的性状（例如果实大小）来实现驯化的。今天栽培的西红柿比它们的野生祖先大 100 倍，有助于增加每株植物的果实产量。

但这种大尺寸是有代价的：通常，水果越大，导致经典自产番茄味道的糖分比例就越低。相比之下，超市的西红柿“尝起来像水”，该研究的合著者、北京中国农业科学院的植物遗传学家张金哲说。“它们没有味道。”

为了解决这个问题，Zhang 和他的同事将栽培番茄物种 （Solanum lycopersicum） 的基因组与它们更甜的野生番茄物种进行了比较。他们在两个基因中找到了最佳位置，每个基因编码一种蛋白质，该蛋白质可以降解负责产生糖分的酶。使用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，研究人员使这两个基因失活，发现这些植物结出的果实比广泛种植的品种要甜得多。

新番茄会很受欢迎，不仅因为它会让消费者满意，还因为它可以减少准备其他产品（如番茄酱）的时间、精力和金钱，这涉及去除水果中的水分，曾在加州大学工作的退休植物生物化学家 Ann Powell 说， 戴维斯。

鲍威尔说，这些发现也可能为其他农产品带来成果：这些基因存在于一系列植物物种中，而水果中糖分产生的基础机制长期以来一直困扰着科学家。

作物改良对于生产营养植物和养活不断增长的全球人口至关重要。但是，由于遗传连锁（控制不同理想特征的基因染色体上的紧密物理接近）而出现的代谢和遗传权衡往往会阻碍改进策略1.遗传连锁使得很难在不影响另一个基因的情况下改变一个基因。番茄植株的果实甜度和大小的关键特征也是如此2，一种在世界范围内种植的作物。Zhang et al.3报告他们如何通过靶向编码驱动产糖酶降解的蛋白质的基因来提高番茄的甜度而不影响果实大小。

西红柿 （Solanum lycopersicum） 在其数千年的驯化过程中经历了广泛的改造。育种家在选择特定品种（栽培品种）时优先考虑果实大小，导致番茄的大切片和罐装品种在花园和工业化农业中都很受欢迎——这与番茄最近的野生亲缘种相去甚远，后者结出樱桃大小的微小果实。在较小程度上，味道也是选择品种时的一个重点。长期以来，研究人员一直对通过光合作用产生的碳被纳入植物的哪个位置感兴趣，特别是哪些组织可以充当碳积累的场所（碳汇）。水果就是这样一种组织类型，它往往会积累糖和其他高能含碳化合物。

Zhang 和同事利用驯化番茄品种和野生亲缘种之间的遗传变异来确定影响水果甜味的基因组区域。作者确定了甜番茄栽培品种和野生物种共享的与糖含量相关的基因组区域。该区域包含 6 个基因，其中只有一个基因在较甜的物种中表达降低，这表明它可能对糖含量产生负面影响（图 1）。该基因编码一种称为蛋白激酶的酶，它通过向蛋白质中添加磷酸基团来修饰各种蛋白质。它自身的表达在成熟的果实中增加，表明它主要在番茄果实发育过程中起作用。

图 1 |一种设计高产甜番茄的方法。野生西红柿含有更多的糖分，并且比典型的驯化西红柿品种小。Zhang 等人。3比较野生和驯化西红柿的基因序列，并确定了与高糖含量相关的基因组区域。a，野生西红柿具有限制基因 SlCDPK27（也称为 SlCPK27）表达的突变。这些突变存在于蛋白质编码序列以及影响基因表达的相邻启动子序列中。在没有编码酶 SlCDPK27 的情况下，蔗糖合酶的水平仍然很高，导致水果的糖分水平很高。b，在典型的驯化番茄品种中，产生 SlCDPK27 并催化磷酸基团 （P） 连接到蔗糖合酶的反应。这导致蔗糖合酶降解和低糖水平。c，作者使用基因编辑工具 CRISPR 设计了一种驯化的番茄菌株，以生成 SlCDPK27 的突变版本。这产生了具有所需甜味特征的水果。

作者报告说，使用基因组编辑方法 CRISPR 突变该基因以产生非功能性版本，使水果比非工程西红柿更甜，从而加强了该基因在抑制糖分积累中的作用。另一种密切相关激酶的类似突变产生了相同类型的结果，与单个突变体相比，两个基因都突变的西红柿的糖含量增加得更大，这表明两个基因都能够在一定程度上降低水果的糖含量（它们起半冗余的作用）。两种激酶都与蔗糖合酶相互作用4，它使蔗糖磷酸化并靶向它在细胞中降解。因此，在发育中含有这些激酶突变体的果实中，蔗糖合酶蛋白水平和糖含量都会增加。

这项研究证明了农作物物种品种及其野生亲缘种基因组中隐藏的价值。驯化和人类驱动的选择降低了遗传多样性5因为赋予理想性状的遗传变异被选择到这样一个程度，即作物品种中的所有单个植物在这些区域的基因组的两个副本中共享相同的基因序列（纯合性）。就像 Zhang 和同事对番茄所做的那样，挖掘非驯化亲缘种的基因组，揭示了这些基因组如何充当作物基因组中不再存在但会影响关键农业相关特征的变异的存储库6.这种类型的工作强调了保护自然种群的重要性——这些种群中包含的遗传多样性对于植物在快速变化的环境中的适应性至关重要，并提供了未被充分开发的遗传物质库，自然和人工选择都可以基于这些库发挥作用。

值得注意的是，本研究中分离出的对糖积累有强烈影响的自然遗传变异之一不在基因本身的编码序列中，而是在附近的非编码序列中，称为控制基因表达的启动子。非编码序列是农业性状变异的一个有前途的来源，因为这些序列的修改往往比编码序列突变造成的影响要轻，编码序列突变会强烈干扰或消除基因功能7.作者指出，糖含量增加的变体包含抑制性转录因子蛋白的结合位点，该蛋白可能会降低激酶活性，抑制蔗糖合酶降解并促进糖积累。未来针对该转录因子或其在激酶启动子中的结合位点的操作的工作可能会巩固转录控制和酶活性之间的这种联系。

Zhang 及其同事的工作令人印象深刻，因为他们不仅使用自然变异来确定番茄甜味的潜在调节因子，而且还继续广泛研究该基因的操作及其嵌入的遗传网络如何影响糖含量。沿着这条管道进行研究——从识别与理想特征相关的变异到生成这些变异的突变体，这些突变体可用于评估基因和性状之间的这种相关性是否确实是因果关系——越来越可行，因为对大量自然种群进行测序（下一代测序）和直接修改基因序列（CRISPR 介导的基因组编辑）的技术已经有了很大的改进。

仍然很少看到一个研究小组使用这两种方法来达到这种效果——快速生成模拟自然变异的突变体和工程基因，并评估这些变异如何直接影响植物特性。这种方法为这些研究问题带来了即时性，允许在确定潜在变体后快速进行可操作的工作。事实上，在本文中，作者甚至进行了感官评估小组，发现消费者可以确定改性西红柿更甜。

这项研究的一个有趣发现是，尽管感兴趣的激酶也在发育中的种子中表达，并且激酶突变植物的种子较小，但这不会影响种子健康或发芽。种子和果实之间的资源分配是植物发育中另一个经常讨论的权衡。种子需要能量储备来发芽和胚胎植物的发育，但对于要食用的水果作物，最好将糖分配给果实而不是种子，因为种子不会自然散布发芽8.研究人员对这些权衡背后的遗传途径了解得越多，他们就越能利用现代基因组编辑工具来尝试解开它们，以促进关键的农业特性。Zhang 及其同事的工作代表了在理解水果中的资源分配及其对全球作物改良的影响方面向前迈出了激动人心的一步。

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