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前不久,【信息图示】维生素ABCDE,都在哪些食物里让网友对番茄好感度迅速飙升,甚至有人笑言番茄也许要涨价了——无需多虑,那边厢,在大名鼎鼎的冷泉港实验室,一些科学家正在设法让番茄更加高产,并且摸到一些给力的门道。去年年末,他们在《PLoS Genetics》上发表了自己的研究结果。

果壳网联系到了论文的第一作者蒋科博士。他对果壳网的理念表示了欣赏,热心地写下了以下介绍。“番茄编辑”的工作到底是怎样的?且听他娓娓道来。

(文/蒋科)番茄是一种茄科(Solanaceae)植物,最早是几千年前南美洲土著人“驯化”的。历来,人们种植番茄时只关注几个和果实品质(尤其是大小)相关的性状。不像其它的农作物(像小麦、水稻和玉米这些主粮作物的开花时间已经被驯化得同步而且适应不同种植区域的气候),番茄的花期控制从来没有成为驯化和育种的目标。

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不同栽培品种的番茄。图片来源:维基百科

在20世纪初期,人们发现番茄中的SP基因突变后,番茄开花略早一些。此外,与共轴单元(一种特殊的侧枝)无限延伸的一般品种不同,SP突变体产生有限的共轴单元后就停止生长。这种生长方式使番茄在固定时间内开花结实更多,产量显著增加,而且可以使用大规模的机器收割。

随后,人们发现SP是拟南芥中TFL1的同源基因,它是决定开花时间的一个主要基因[2]。再后来,人们发现SFT突变在杂合的时候具有杂种优势,但只在SP突变体植株上表现[3]。有趣的是,SFT在拟南芥中的同源基因是FT,是决定开花时间的另一个主要基因[4]。于是,我们认为番茄控制花期的系统能显著影响产量。更重要的是,以前番茄育种主要关注果实性状,没有研究过花期调节的育种潜力。目前我们尚不清楚SFT/SP系统具体如何影响产量,所以这是一次非常有益的探索。

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研究者通过调控花期来改变番茄产量。图片来源:hypescience.com

我们剖析了sp突变株中SFT的表达量如何改变番茄的枝桠结构。SFT,又叫成花素,是在植物中广泛存在的促开花基因,促进番茄开花;而SP,也就是拟南芥的TFL1,却是一个抑制开花的基因。SP基因的失效让番茄迅速开花,而SFT表达量的改变则能通过延迟开花来平衡SP的效力。SFTSP间剂量的协调能够让枝桠结构更适合高效结实,增加产量。

一系列关于番茄花期控制系统的发现为它的增产前景开启了一扇门。比方说,通过诱变和杂交在SPSFT等相关基因上引入突变,我们能进一步调和二者的表达量,甚至调节整个花期控制系统来调控花期,找到最适宜高产的最优基因组合。

现在,我们正在探索这个新方向,寻找这套系统里的其它基因以了解它们的育种潜力。同时,我们也在准备将研究成果商业化。这个过程中的主要问题是,同样的基因组合能否在所有番茄品种中都发挥相似的增产作用。改良品种的表现不仅依赖土地和温室条件,也受不同遗传背景的影响,因而我们正在不同的品种中进行一系列的产量测试。

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蒋科所在实验室的负责人扎克里·利普曼(Zachary Lippman)在番茄试验田。图片来源:Cold Spring Harbor Laboratory

这个研究让我们获益匪浅:首先,演化能提供很多线索帮助我们理解跨物种的分子机制,因为SFT/SP控制体系在开花植物中是保守的,在不同类别的植物中的作用有细微差异,这是达尔文遗传变异理论的一个经典实例。其次,正因为这套系统在不同物种中存在细微差异,我们需要挨个研究来确定每个物种最适合的育种方案,也就是说,作物育种上可能并没有普适的原则。

我个人对作物驯化和育种的历史以及近缘野生物种的演化十分感兴趣 。我相信,不管是在野生的番茄近亲还是育种中产生的自发突变体中,都还有许多我们没有发现但具有育种潜力的自然变异。如果能够把这些自然变异运用在作物育种上,将极大的推动传统育种的发展。同时,我认为了解每个作物的发育对改良育种策略十分重要,每一种作物都应该有自己“个性化”的育种策略。

编辑的话:在提及个人时蒋科力图保持低调,为我们解答疑问时则充满热忱。正是有赖于这些默默耕耘而又乐于分享科学事实的研究人员的帮助,我们作为媒体,解读科学进展时才能通俗而不失严谨。