從巨大的果實到緊湊的植株大小，今天的番茄已經透過數千年的育種塑造而成。但遺傳學家發現，與珍貴性狀相關的突變——包括使它們更容易收穫的突變——結合在一起時，會產生不良的植物。
紐約冷泉港實驗室的遺傳學家扎卡里·利普曼說，這是一個罕見的例子，表明在馴化過程中利用的基因後來阻礙了作物改良的努力。在確定了這些突變後，他和他的同事使用 CRISPR 基因編輯技術來培育更高產的植物——植物育種者渴望採用這一策略。
圖森市亞利桑那大學的植物遺傳學家羅德·溫格說：“這非常令人興奮。“這種方法可以應用於作物改良，不僅在番茄中，而且在所有作物中。”
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爛番茄
利普曼很熟悉番茄農場。十幾歲時，他整個夏天都在手工採摘番茄——這是他討厭的差事。“爛番茄。氣味持續一整天，”他說。“我總是祈禱番茄收穫日下雨。”
但多年以後，他對控制植物形狀的遺傳學產生了興趣，這使他回到番茄地，去理清育種者在不知不覺中所做的遺傳改變。
在 20 世紀 50 年代，研究人員在加拉帕戈斯群島生長的野生番茄近緣種中發現了一種新性狀：它缺少莖的膨脹部分，稱為關節。
關節是莖的薄弱區域，使果實能夠從植株上掉落。野生植物受益於果實掉落，因為它有助於種子傳播。但是隨著機械番茄採摘機的出現，農民希望他們的果實留在植株上。育種者爭先恐後地將“無關節”性狀融入他們的番茄中。
這個新性狀也有一個缺點。當它與現有的番茄品種雜交時，產生的植株的花枝會產生許多額外的分枝，看起來像掃帚，末端長出許多花。這些花消耗了植物的資源，減少了它產生的果實數量。育種者選擇了其他遺傳變異來克服這一缺陷。但幾十年後，利普曼的團隊開始尋找這種現象背後的基因。
兩個正確反而導致錯誤
他們之前篩選了 4,193 個番茄品種的集合，尋找那些具有不尋常分枝模式的品種。從該集合中，他們追蹤到兩個基因的變異，這兩個基因共同導致了與植物育種者所見的類似的極端分枝。該團隊在 5 月 18 日線上發表在《細胞》雜誌上的一篇論文中報告說，其中一個基因負責無關節性狀。
另一個基因有利於在果實頂部形成由葉狀結構組成的大型綠色帽狀物——這一性狀是在數千年前番茄馴化的早期被選擇出來的。利普曼說，這種性狀的好處尚不清楚，但它可能有助於支撐更重的果實。
在揭示了這些基因後，他的團隊使用 CRISPR-Cas9 編輯技術消除了它們的活性，以及第三個也影響花朵數量的基因的活性，以不同的組合方式進行。這產生了一系列植物結構，從長而細長的花枝到濃密、類似花椰菜的花簇——包括一些產量更高的植物。
雅典佐治亞大學的植物育種家安德魯·帕特森說，這些發現應該有助於消除植物育種家長期以來的疑慮，即理想遺傳性狀之間的負面相互作用是一種不可忽視的力量。他說，這個想法一直存在爭議，因為這些影響在統計學上很難檢測到。
利普曼的團隊現在正在與植物育種家合作，使用基因編輯技術開發出枝和花針對果實大小進行最佳化的番茄。例如，果實較大的植物，如果其花枝比果實較小的植物少，則可能具有更好的產量。
“我們真的在挖掘基礎知識並將其應用於農業，”他說。“具有諷刺意味的是，這恰好是我在農場最不喜歡收穫的作物。”
本文經許可轉載，並於2017 年 5 月 18 日首次發表。