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番茄,这一路走来

发表时间:2020-08-25 10:23

番茄,这一路走来

根据世界粮农组织统计,全世界番茄总产值每年接近1千亿美元。番茄具有低热量,富含抗氧化的番茄红素、多种矿物质和维生素等优势,被称为“世界第一大蔬菜作物”,在国际种业市场上,高端优质番茄的种子价格超过黄金(是的,你没有看错!)。

那是因为,今天的C位,番茄是用万年时间的通过不断驯化来做到的。

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番茄就像是天选之子,历经世纪辗转,走向世界各地


在16世纪以前,番茄不过是一个生长在南美洲高原地区(即今天的秘鲁、厄瓜多尔和玻利维亚一带)无人问津的小野果,果重只有1-2g,酸涩味浓郁,在鲜有降水的沙漠和戈壁环境,年复一年进行着生命的孕育。偶有鸟类将番茄的种子经粪便传播到墨西哥,至此,在墨西哥人的地里开始了它最初的驯化栽培。

直到16世纪初西班牙殖民者人将番茄带出安第斯山,引入欧洲。初到欧洲,它只是被当做另一种茄科植物——有毒的曼陀罗花,虽有颜值,却冠以狼桃之称(因为含有较高含量的番茄碱,而番茄碱是一种有毒的抗营养物质,取食过量,能引起人们呕吐和腹泻的感觉)。16世纪初到17世纪,它都只能靠着植株颜值,在花园里当个观赏植物。在这期间,番茄被欧洲人冷落了一个多世纪。

在17和18世纪,番茄被西班牙和葡萄牙殖民者带到了加勒比海国家。1710年美国有了最初番茄的记载。
在明代万历年间,番茄传入中国。然而,番茄在很长一段时间里都没有引起吃货国民们的兴趣,番茄便可怜巴巴的被称为“中看不中吃的整货“。到了民国时期,番茄才逐渐被中国人接受,不过我们的老舍先生为抨击崇洋媚外,反对西方文化入侵,写了《西虹市》的文章评价道,番茄生吃“不果不瓜不菜,煮熟后稀松一堆”。番茄就这样一边被嫌弃又一边被开发出各种新鲜吃法:可生可熟,可汤可酱,可火锅可腌渍,可拌饭可煮面,妙不可言。番茄就像是天选之子,历经世纪辗转,遍及五湖四海,走向世界各地。

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现代番茄的起源


野生番茄有十六个兄弟分支(根据2005年的分类,现代番茄有着16个野生或近缘野生种),这些兄弟们果实成熟的颜色更是多样,有黄色、绿色、黄绿色、褐色、黑色、泛紫色,还有带条纹的(所以现在市场上看到奇怪的番茄颜色也不要觉得诡异,因为祖先们很多样);授粉方式有自花授粉也有异花授粉。
2011年Grandillo等人的研究证明,野生种醋栗番茄与栽培种亲缘关系最近,两者可以直接杂交。因而猜测认为,现代番茄的祖先正是醋栗番茄,以自花授粉为主,兼具异花授粉。
2012年,驯化的亨氏1706番茄成为第一个完成全基因组测序的番茄(Sato et al., Nature, 2012, https://www.nature.com/articles/nature11119.pdf。从那时起,科学家就不断加深对番茄12条染色体的进化变异的理解

2014年,时任中国农业科学院蔬菜花卉所研究员、深圳农业基因组所副所长黄三文领导的国际番茄变异组研究团队在Nature Genetics 杂志上通过对世界各地的360份番茄种质进行重测序分析,揭示了番茄的进化历史。研究揭示番茄果实变大经历了两次进化过程,从蓝莓大小的栽培番茄近缘物种(SP)到一般樱桃大小的小果型番茄(SLC),再到各地食用的普通大果型栽培番茄(SLL)(图4)。在此过程中分别有5个和13个果实重量基因受到了人类的定向选择。其中,发现的多个位点,都有利于今天我们的有目的的遗传改良。比如,发现第5号染色体是决定鲜食番茄和加工番茄(主要用于生产番茄酱)差异的主要基因组区域。通过全基因组关联分析,发现了决定粉果果皮颜色的关键变异位点SlMYB12,此位点的变异使得成熟的粉果番茄果皮中不能积累类黄酮。这一发现为培育粉果番茄品种提供了有效的分子育种工具

2020年1月,马萨诸塞大学阿默斯特分校的Ana L Caicedo教授,通过群体基因组学方法来重点关注中间阶段发生的进化转变,发现SLC的起源可能早于驯化,许多被认为是典型的栽培番茄的性状出现在南美洲的SLC中,但一旦这些部分驯化的品种向北传播,这些性状就会消失或减少(图5)。在普通栽培番茄向全世界推广之前,这些性状可能会在普通栽培番茄中以一种趋同的方式被重新选择,进一步揭示了番茄复杂的驯化历史

都说万事有轮回!几百年后,2018年以色列培育出全球最小“水滴西红柿”个头仅有蓝莓大小,这种西红柿食用方便,因为个头很小,无需切开,可直接放入沙拉中,且汁水充盈,咬上一口体会“爆浆”的感觉,很是享受。“水滴西红柿”的种子最早源于荷兰,后经改良适应了以色列南部干旱地区的生长环境。

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驯化后的番茄,改头换面,妙不可言


1番茄由小变大的调控点


在番茄驯化中,果实重量大了几百倍,在此过程中分别有5个和13个果实重量基因受到了人类的定向选择。

随后的2017年,CSR(Cell Size Regulator)(fw11.3))基因被克隆,该基因的突变会导致番茄果皮细胞增大,果实重量增加,果肉丰满多汁。樱桃番茄(番茄的祖先)的人工驯化选育过程得到了CSR基因的突变基因型CSR-D,CSR-D比CSR缺少了1.4Kb,其编码的蛋白截短了194个氨基酸。CSR基因编码一个新的尚未得到研究的蛋白,共表达和GO聚类分析结果显示CSR蛋白与果实组织和维管束的细胞分化有关

2020年,番茄果实变大的负调控因子ENO被发现,是一新的APETALA2/Ethylene Responsive Factor (AP2/ERF) 超家族转录因子,它可以通过在花器官中调控 WUSCHEL (一种信号通路)基因表达来限制花中干细胞的产生,进而影响果实的大小。他们还发现,在长期驯化过程中,ENO 启动子发生了突变,导致果实大小增大。更具体地说,他们发现ENO的突变导致产生了更多的空腔,这种空腔可以容纳种子

2 番茄风味的形成机制


番茄风味形成机制——为培育美味番茄提供技术蓝图

风味不像产量、抗病性、外形、色泽等易于量化的育种性状,这一特性能“感觉到”,但“看不见、摸不着”,这就决定了研究的难度。

2017年,黄三文团队组织了一个170人的“品尝小组”,对100多种番茄进行了多次严格的品尝实验,并利用数据模型分析确定了33种影响消费者喜好的主要风味物质,这些物质包括葡萄糖、果糖、柠檬酸、苹果酸和29种挥发性物质,揭示了番茄风味的物质基础。在此基础上,分析了来自世界各地400多份番茄的风味物质含量、并进行基因组测序和生物信息学分析,获得了控制风味的250多个基因位点,从而首次阐明了番茄风味的遗传基础。其中2个控制含糖量的基因位点,5个控制酸度的基因位点,发现了一些挥发性物质能够提高果实的甜感,另一些可以赋予果实花香的气味。这项成果为培育美味番茄提供给了切实可行的路线图

而现代番茄,之所以“西红柿没有儿时的味道了”,是由于在现代育种过程过于注重产量、外观等商品品质,导致了控制风味品质的部分基因位点丢失,造成13种风味物质含量在现代番茄品种中显著降低,最终使得番茄口感下降。

但是要将这些研究结果应用到美味番茄育种中,需要对这些物质的遗传调控做进一步的解析,了解其调控的分子机理。番茄有9亿碱基对,3.5万基因,它们与33种决定番茄风味的物质又是怎样发生关联的?

2018年,黄三文团队再次在Cell杂志上发表论文首次通过“代谢组+基因组+转录组”多组学大数据同时分析一种作物的育种过程,并解读三者之间相互关系分析了包含来自数百种番茄基因型的基因组,转录组和代谢组的数据集,建立一个多组学的网络来整合上述数据,mGWAS和eQTL结果的重叠产生13361个三重关系(代谢-SNP–基因),其中包括371个代谢物,970个SNPs,535个基因。该研究为番茄果实风味和营养物质的遗传调控和全基因组设计育种提供了思路不仅是这些风味物质,还发现了影响果实中多种维生素类、氨基酸等营养物质含量的遗传位点。该文章为所有植物的代谢物的分子机理研究提供了源头大数据和方法创新

3   表观遗传调控果实成熟


番茄的果实成熟是由植物激素乙烯所介导的,但是其作用是受一个未知机制的限制。乙烯涉及植物生长,发育和应激反应的许多其它方面,不能诱导其种子未成熟的果实的成熟,这可能表明额外的调节机制影响果实向成熟的转变和果实响应乙烯而成熟的能力。

2013年,东北师范大学和康奈尔大学联合在Nature Biotechnology杂志上,揭示了表观遗传修饰对番茄果实成熟的调控作用。首先是对番茄果实进行了甲基转移酶抑制剂的诱导,观察DNA甲基化对果实成熟的影响。再进一步对番茄果实成熟的4个阶段以及两个成熟基因突变体进行BS测序。同时,为了深入阐述甲基化对果实成熟的调控,作者还进行了小RNA、chIP-seq以及RNAseq分析。发现,DNA胞嘧啶甲基化的抑制作用,消除了在种子成熟之前阻止果实成熟的发育限制,导致种子成熟和果实发育过程的解偶联。甲基化修饰不仅在不同组织中有差异,并且果实的不同发育时期都存在差异。同时,果实的整体甲基化水平很大程度上反映转座子甲基化的变化(图11)。番茄果实成熟过程中的甲基化水平逐渐下降,并且与成熟相关基因(cnr)的启动子的转录激活有关。RIN调控大量成熟相关基因,这些成熟相关基因的转录与RIN结合位点的甲基化状态负相关,RIN结合位点随着果实成熟而去甲基化,从而促进成熟发育。

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番茄
转录
组数据库


基因表达是连接基因组和表型的桥梁,在物种驯化过程中发挥着重要作用。目前对番茄基因表达变异的研究,主要基于单一番茄参考基因组亨氏1706, 驯化改良过程中表达存在/缺失变异(ePAV)的基因被忽视。通过组装群体转录组,可以全面揭示驯化改良过程中番茄基因表达变异。

2020年1月,黄三文课题组在Journal of Integrative Agriculture (JIA)发表了题为“Domestication and breeding changed tomato fruit transcriptome”的研究,构建了番茄泛转录组,全面分析了番茄驯化改良过程中的转录组变异该研究对399份橙果期番茄的RNA-seq数据进行了群体水平转录本的重新组装,鉴定出41,265个基因在番茄橙果期表达,其中7,181个基因为新基因。此外,3,629个基因在番茄驯化育种过程中差异表达,19个基因与番茄驯化育种过程中糖、酸等含量的变化有关,包括LIN5, TIV1和7个糖转运相关的基因。在番茄驯化育种过程中6,123个基因缺失/获得表达,其中包含160个响应刺激相关基因。晚疫病抗性基因PIM_DN29746_c0_g3_i1和类过氧化物酶P7基因PIM_DN30274_c0_g2_i1,在驯化及育种过程中丢失表达

2020年5月,西班牙瓦伦西亚理工大学Estefanía Mata-Nicolás等人,研究选取了包括醋栗番茄、樱桃番茄和栽培番茄在内的163份番茄材料来代表番茄在其起源和驯化中心—秘鲁和厄瓜多尔的安第斯地区和中美洲的遗传和形态多样性。这份收集材料富含来自亚马逊地区的未被分析过也未被广泛使用的樱桃番茄。形态学分析显示,这些番茄材料在果实、花和营养器官具有性状多样性。基于这些番茄材料已经公布的的基因组(solgenomics. net/projects/varitome)通过SnpEff分析和全基因组关联研究(Genome-Wide Association Studies,GWAS),作者不仅发现了已知的数量性状基因座QTL和基因,还发现了与果色、每个花序花的数目及花序结构等性状相关的新位点。此外,作者将这163份材料分别与醋栗番茄、樱桃番茄和栽培番茄的代表品种BGV007109(SP)、 LA2278(SLC)和Money Maker(SLL)进行杂交并构建了F2群体,F2种子可在COMAV和TGRC种质资源库免费获得。

Solanaceae Genomics   Network (https://solgenomics.net/)整合了大量番茄种质的基本信息、鉴定数据、谱系信息、基因组序列、SNPs和GWAS等分析结果(图12),这些免费并且方便获取的资源为番茄的遗传研究和品质改良搭建了一个强大的平台,对番茄的遗传育种具有重要意义(Mata-Nicolás,Hortic Res,2020)

5 基因编辑下的开挂番茄


得益于基因编辑技术的发展,番茄也开始了开挂的历程。

近年来,基因编辑技术快速发展,为农作物育种带来了变革,如作物的品种驯化方面,包括了孤儿作物的驯化野生作物的从头驯化

使用基因编辑技术对具备天然抗逆性的野生植物进行从头驯化,是获得抗逆作物的全新策略。

2018年10月1日,Nature Biotechnology杂志在线发表了来自中国科学院遗传发育研究所许操和高彩霞课题组,运用基因编辑技术精准靶向多个产量和品质性状控制基因的编码区及调控区,在不牺牲其对盐碱和疮痂病天然抗性的前提下,将产量和品质性状精准地导入了野生番茄,加速了野生植物的人工驯化。研究人员使用多靶点CRISPR/Cas9载体系统,精准靶向开花光周期敏感性、株型和果实同步成熟控制基因SP和SP5G的编码区(Coding region)、果实大小控制基因SlCLV3 和SlWUS的顺式调控元件(Cis-regulatory element) 和维生素C合成酶基因SlGGP1的上游开放阅读框 (Upstream Open Reading Fragment, uORF),获得了140个独立的基因编辑株系,后代群体的基因型和表型鉴定表明,基因编辑消除了野生番茄开花的光周期敏感性,突破了栽种的地理范围限制,实现了野生植物驯化的第一步。同时将醋栗番茄开花晚、坐果稀的无限生长型(Indeterminate)的株型变成了“双有限”生长型(Double determinate)的紧凑株型,提高了坐果率、果实成熟的同步性和收获指数。而对小肽基因SlCLV3 及其信号途径下游基因SlWUS的顺式调控元件和SlGGP1上游开放阅读框的编辑使野生番茄果实变大,维生素C含量升高。盐处理和疮痂病菌接种实验表明,上述重要农艺性状的精准导入并没有影响野生番茄的天然抗性(图13)。该研究首次通过基因编辑实现野生植物的快速驯化,为精准设计和创造全新作物提供了新的策略。
同期背靠背的另外一篇文章,则来自巴西Universidade de São Paulo的Lázaro Eustáquio Pereira Peres课题组题为“De novo domestication of wild tomato using genome editing”的研究论文。该论文同样通过使用CRISPR-Cas9基因编辑技术,调控与形态学,花和果实生产以及抗坏血酸合成相关的基因的上游开放阅读框,将四种理想的性状引入胁迫耐受的野生番茄种质。
该研究设计了CRISPR-Cas9基因组工程策略,将农艺学上所需的性状与野生系中存在的有用性状相结合。该研究选择当前番茄作物品系中决定产量和品质很重要的6个基因座进行基因编辑,使得野生茄属(Solanum pimpinellifolium)能够从头驯化(见下图)。该研究成功的改变了的S.pimpinellifolium形态,以及果实的大小,数量和营养价值。与野生亲本相比,该研究获得的工程化果实的大小增加了三倍,果实数量增加了十倍。值得注意的是,与广泛栽培的S.lycopersicum相比,水果番茄红素的积累提高了500%。因此,该研究结果为利用野生植物中存在的遗传多样性的分子育种计划铺平了道路。

番茄像葡萄一样,都市农作物,你家阳台就可以种植!

在繁华都市,人们对新鲜果蔬产品的需求很大,催生了城市农业这一新兴产业。但是城市的空间有限,而为了能在狭小种植空间收获更高产量,城市农业系统中栽培的作物大多植株矮小,生长快速。为丰富人们的餐桌,开发出更多新型“都市农作物”已成为科学家的重要目标。

2019年12月23日,Nature Biotechnology杂志在线发表了来自美国冷泉港Zachary B. Lippman课题组题为“Rapid customization of Solanaceae fruit crops for urban agriculture”的研究论文。该研究将番茄三个基因突变后,培育了新品番茄,该品种植株外形紧凑,结出的小番茄就像葡萄一样串在一起,并且能更早开花结果,很适合在空间狭小的城市环境、甚至是空间站内种植,将会是一种理想的“城市农作物”。

该研究通过CRISPR基因编辑技术,对番茄的三种基因—SP基因、SP5G基因和SIER基因进行了编辑。三种基因中,SP基因可调控植株的生长成熟期,SP5G基因能控制植株的开花时间,SIER基因则能调控植株茎干的长度。通过设计了性状叠加策略,将三种修饰后的突变基因结合起来,最终培育出的新品番茄植株外形紧凑,如同玫瑰花束,结出的小番茄就像葡萄一样串在一起。相比其他番茄品种,新番茄能更早地停止生长,更早开花结果,40天即可成熟。因此,新品番茄果实小,味道好,种植起来很环保,不会占用大面积土地,很适合城市农业系统,甚至是在空间站种植。


辣椒番茄,未来可以有!

2019年,巴西维索萨联邦大学(Universidade Federal de Viçosa)的Agustin Zsögön等人在Trends in Plant Science杂志在线发表了一篇观点文章,指出利用最新的基因编辑技术,可能使番茄生产辣椒素(图15)。这是以一种更简单更容易的方法来批量生产用于商业目的的辣椒素。它们具有营养性和抗菌特性,能够用于止痛药和胡椒喷雾。Zsögön还强调,将辣椒素生物合成途径放到番茄上,会使其生产变得更容易且廉价。


这样做到底可行不可行?辣椒和番茄拥有共同的祖先,1900万年前分开,但仍然共享着一部分相同的DNA。研究者表示,他们有足够强大的工具来设计任何物种的基因组,挑战在于需要知道要设计哪种基因以及在哪里。辣椒全基因组测序以及番茄具有刺激性所必需基因的发现,为设计辛辣味番茄铺平了道路。


番茄就像是天选之子,历经世纪辗转,走向世界各地。相信随着多组学数据的有机整合和基因编辑技术的发展,番茄的未来充满着无限可能!




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