糾正番茄育種亂局，還得靠CRISPR？

原文以Fixing the tomato: CRISPR edits correct plant-breeding snafu為標題

發布在2017年5月18日的《自然》新聞上

原文作者：Heidi Ledford

遺傳學家利用兩種變異改良了一萬年來的番茄馴化成果。這兩種變異都分別受到育種者的青睞，但結合在一起時卻是有害的。

從巨大的果實到矮小結實的植株，今天的番茄是數千年的培育塑造出來的。不過，遺傳學家發現，雖然有些變異可以產生受人們青睞的性狀，例如有一種變異可以使番茄更易收穫，但是如果將它們結合在一起，就會產生不受歡迎的植株。

人們識別出了一種能讓番茄更易收穫的基因突變。

Philippe Huguen/AFP/Getty

美國冷泉港實驗室的遺傳學家Zachary Lippman表示，這是一個罕見例子：在馴化作物過程中被利用的基因後來卻阻礙了作物改良。在識別出這些突變後，他和同事使用CRISPR基因編輯技術來改造更加高產的植株；植物育種者非常希望能將這一技術投入使用。

「真是激動人心，」亞利桑那大學的植物遺傳學家Rod Wing說，「這種方法可以用於作物改良，不僅僅是番茄，而是所有作物。」

爛番茄

Lippman十分了解番茄種植。十幾歲的時候，每到暑假他就得摘番茄——一個他討厭的活兒。「爛番茄的味道一整天都散不掉，」他說，「收番茄的時候，我總是會祈禱下雨。」

但多年後，因為對控制植物性狀背後的遺傳原理感興趣，他又回到了番茄地，試圖理清育種者無意中造成的遺傳改變。

上世紀50年代，研究者在加拉帕戈斯群島的野生番茄中發現了一種新性狀：它的莖部沒有一種名叫離層的突出結構。

離層是莖上的薄弱區域，能讓果實從植株上掉落。落果對野生植株有益，因為它有助於種子傳播。但隨著番茄採摘機的推廣，農民想要得到不會落果的番茄。育種者很快將這種「無離層」性狀加入到了他們培育的植株中。

但這種新性狀也帶來了負面影響。與現有的番茄品種雜交時，所得植株的開花枝會長出許多狀如掃帚的多餘花枝，並大量開花。花會消耗植物資源，減少結果數量。育種者選育了其它遺傳變異來抵消這一缺陷。數十年後，Lippman的團隊開始尋找這一現象背後的基因。

正正得負

此前，他們篩選了4193種番茄，從中尋找有特殊發枝模式的品種。他們找到了兩個基因的變異，這些變異會共同導致育種者所見到的過度發枝現象。團隊在5月18日《細胞》期刊在線發表的一篇論文中報告稱，其中一個基因與無離層性狀有關。

另一個基因則有利於在果實上方形成一大片葉狀的綠色萼片，這種性狀是在幾千年前的番茄馴化早期被選育出來的。Lippman說，這一性狀的優勢還不明確，但有可能是因為它有助於支撐較重的果實。

針對這兩個基因，加上第三個影響開花數量的基因，他的團隊使用CRISPR–Cas9編輯方法按照不同的組合消除它們的活性，從而產生了一系列植株結構——從細長的開花枝到濃密的花菜狀花束，不一而足，其中一些還帶來了產量提升。

喬治亞大學的植物育種研究者Andrew Paterson表示，理想遺傳性狀之間的負相互作用是一個需要小心應對的問題，這些發現有助於平息植物育種者對這一點的懷疑。他說，這種觀點一直具有爭議，因為其效應一直很難從統計學上檢測出來。

現在，Lippman的團隊正在與植物育種者合作，利用基因編輯技術來開發擁有最適合果實大小的枝條和花型的番茄品種。舉例來說，與果實較小的植株相比，果實較大的植株如果開花枝較少，便有可能取得更高的產量。

「我們正在將基礎知識應用到農業實踐中，」他說，「諷刺的是，應用的對象卻是我最不喜歡收穫的作物。」

Naturedoi:10.1038/nature.2017.22018

想報名參加施普林格·自然《成就您的研究》系列講座上海站嗎？

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！